DE102018218575A1 - Method for obtaining the oxygen content in the intake manifold of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung des Sauerstoffanteils im Einlasskrümmer (2) eines Verbrennungsmotors (1) im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Gemäß der Erfindung wird das Verfahren in einem Verbrennungsmotor (1) mit Abgasrückführung durchgeführt und wird der Sauerstoffanteil ohne Durchführung einer Lambda-Messung aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Luft in einem Lufteinlass (13) des Verbrennungsmotors (1) sowie aus Messwerten von Feuchte, Temperatur und Druck der Gasmischung im Einlasskrümmer (2) gewonnen.The invention relates to a method for obtaining the oxygen content in the intake manifold (2) of an internal combustion engine (1) during operation of a motor vehicle. According to the invention, the method is carried out in an internal combustion engine (1) with exhaust gas recirculation, and the oxygen content is determined without taking a lambda measurement from measured values of humidity and temperature of the air in an air inlet (13) of the internal combustion engine (1) and from measured values of humidity, Temperature and pressure of the gas mixture in the intake manifold (2) won.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung des Sauerstoffanteils im Einlasskrümmer eines Verbrennungsmotors im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for obtaining the oxygen content in the intake manifold of an internal combustion engine during operation of a motor vehicle and a motor vehicle according to the preambles of the independent claims.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 197 27 597 C1 für einen Verbrennungsmotor ohne Abgasrückführung bekannt. Dabei wird aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Einlassluft ein Korrekturfaktor gewonnen, mittels dessen die Brennstoffmenge an die verfügbare Sauerstoffmenge angepasst wird.Such a method is known from DE 197 27 597 C1 for an internal combustion engine without exhaust gas recirculation known. In this case, a correction factor is obtained from measured values of humidity and temperature of the intake air, by means of which the fuel quantity is adapted to the available amount of oxygen.

Die DE 10 2014 100 954 A1 offenbart ein Motorsteuerverfahren für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, wobei unter anderen aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Luft in einem Lufteinlass sowie aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Gasmischung im Einlasskrümmer die Abgasrückführungsrate geschätzt wird, welche für den Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer allerdings nur bedingt charakteristisch ist.The DE 10 2014 100 954 A1 discloses an engine control method for an exhaust gas recirculation internal combustion engine wherein exhaust gas recirculation rate is estimated, among other things, from humidity and temperature measurements of the air in an air intake and from measurements of humidity and temperature of the gas mixture in the intake manifold, which is only partially characteristic of the intake manifold oxygen content ,

Die DE 10 2014 220 039 A1 offenbart, in einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung einen für den Sauerstoffanteil oder den Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors charakteristischen Wert im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs zu gewinnen. Neben einem Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Anteils von verbrannten Gasen in einem Einlasskanal des Verbrennungsmotors ist ein Feuchtesensor zum Schätzen der Umgebungsluftfeuchte positioniert. Ein gelernter Nullpunkt des Sauerstoffsensors wird auf Basis der geschätzten Umgebungsluftfeuchte korrigiert.The DE 10 2014 220 039 A1 discloses, in an internal combustion engine with exhaust gas recirculation to gain a characteristic of the oxygen content or the proportion of the burned gas mass in the intake manifold of the internal combustion engine during operation of a motor vehicle. In addition to an oxygen sensor for determining the proportion of burnt gases in an inlet channel of the internal combustion engine, a humidity sensor for estimating the ambient air humidity is positioned. A learned zero point of the oxygen sensor is corrected based on the estimated ambient humidity.

Zur Verringerung bzw. Begrenzung der Stickoxid-Emissionen von Verbrennungsmotoren verwendet man Abgasrückführung, wobei ein Teil der Abgase zum Einlasskrümmer zurückgeführt wird.Exhaust gas recirculation is used to reduce or limit nitrogen oxide emissions from internal combustion engines, with some of the exhaust gases being returned to the intake manifold.

Zur weiteren Emissionsverminderung ist es bekannt, einen sog. Fman-Sensor im Einlasskrümmer vorzusehen, der einen Sensorwert liefert, der für den Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer bzw. umgekehrt für den Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer charakteristisch ist und der ein wesentlicher Parameter zum Schätzen des aktuellen Stickoxid-Ausstoßes eines Verbrennungsmotors ist.To further reduce emissions, it is known to provide a so-called Fman sensor in the intake manifold, which provides a sensor value that is characteristic of the proportion of oxygen in the intake manifold or vice versa for the fraction of the burned gas mass in the intake manifold and which is an essential parameter for estimating the current Nitric oxide emissions of an internal combustion engine is.

Informationen über den Stickoxid-Ausstoß werden zur Steuerung der Abgasnachbehandlung benötigt, können aber auch Eingangsparameter für die Motorsteuerung sein. So können auf Basis des vom Fman-Sensor gelieferten Fman-Wertes die einzuspritzende Kraftstoffmenge sowie Einspritz- bzw. Zündzeitpunkte festgelegt werden, um die Verbrennungsvorgänge in den Zylindern hinsichtlich des Schadstoffausstoßes zu optimieren.Information about nitrogen oxide emissions is needed to control exhaust aftertreatment, but may also be input to engine control. Thus, on the basis of the Fman value supplied by the Fman sensor, the fuel quantity to be injected as well as injection or ignition times can be set in order to optimize the combustion processes in the cylinders with regard to pollutant emissions.

Ein Fman-Sensor ist ein Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle, die jeweils ein Zirkonium-Elektrolyt enthalten, das bei höheren Temperaturen Sauerstoff-Ionen transportieren kann, wodurch eine Spannung an den außen liegenden Elektroden der Nernstzelle entsteht. Da diese Spannung sprungförmig ist, kann zur Erweiterung des Messbereichs ein Pumpstrom durch die Pumpzelle geleitet werden, der Sauerstoff-Ionen in den Messspalt zwischen der Nernstzelle und der Pumpzelle hinein oder daraus herauspumpt. Ein derartiger Sensor und seine Steuerung sind somit relativ aufwändig.A Fman sensor is an oxygen sensor with a Nernst cell and a pump cell, each containing a zirconium electrolyte that can transport oxygen ions at higher temperatures, creating a voltage across the outer electrodes of the Nernst cell. Since this voltage is jump-shaped, a pumping current can be passed through the pump cell to expand the measuring range, pumping oxygen ions into or out of the measuring gap between the Nernst cell and the pump cell. Such a sensor and its control are thus relatively expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Gewinnung des Sauerstoffanteils im Einlasskrümmer eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs anzugeben, das auch im Falle von Abgasrückführung mit besonders wenig Aufwand durchführbar ist und gleichwohl geeignet ist, den Sauerstoffanteil und damit auch einen für den Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer charakteristischen Wert mit ausreichender Genauigkeit zu gewinnen.The invention is based on the object to provide a method for obtaining the oxygen content in the intake manifold of an internal combustion engine of a motor vehicle, which is feasible in the case of exhaust gas recirculation with very little effort and is nevertheless suitable, the oxygen content and thus one for the proportion of burned Gas mass in the intake manifold to gain characteristic value with sufficient accuracy.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is achieved according to the invention by a method and a motor vehicle having the features of the independent claims.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren in einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung durchgeführt und wird der Sauerstoffanteil, ohne dass eine Lambda-Messung nötig ist, aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Luft in einem Lufteinlass des Verbrennungsmotors sowie aus Messwerten von Feuchte, Temperatur und Druck der Gasmischung im Einlasskrümmer gewonnen.According to the invention, the method is carried out in an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and the oxygen content, without a lambda measurement is necessary, from measurements of humidity and temperature of the air in an air intake of the engine and from measured values of humidity, temperature and pressure of the gas mixture won in the intake manifold.

Im Sinne der vorgenannten Aufgabe wird der Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer besonders vorteilhaft auf Basis der folgenden Gleichung ermittelt: O 2 = O 2 f r e s h _ a i r B R H P w s ( T ) 100 % P t o t R H P w s ( T ) 100 % 1 + B R H P w s ( T ) 100 % P t o t R H P w s ( T ) 100 % 0.5 M w O 2 M w H 2 O

Figure DE102018218575A1_0001
worin

O2
= Massenanteil des Sauerstoffs im Einlassgas
O2fresh_air
= Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft
B
= Mw(H2O) / Mw(gas) · 1000 [g/kg]
Mw(H2O)
= Molekülmasse von Wasser
Mw(gas)
= Molekülmasse des Einlassgases
Mw(O2)
= Molekülmasse von Sauerstoff
RH
= gemessene relative Feuchte im Einlassgas
Pws(T)
= Sättigungsdampfdruck für die gemessene Temperatur T
Ptot
= gemessener Druck der Gasmischung
In the sense of the abovementioned object, the oxygen content in the intake manifold is determined particularly advantageously on the basis of the following equation: O 2 = O 2 f r e s H _ a i r - B R H P w s ( T ) 100 % P t O t - R H P w s ( T ) 100 % 1 + B R H P w s ( T ) 100 % P t O t - R H P w s ( T ) 100 % 0.5 M w O 2 M w H 2 O
Figure DE102018218575A1_0001
wherein
O2
= Mass fraction of oxygen in the inlet gas
O2 fresh_air
= Mass fraction of oxygen in the fresh air
B
= Mw (H2O) / Mw (gas) * 1000 [g / kg]
Mw (H2O)
= Molecular weight of water
Mw (gas)
= Molecular weight of the inlet gas
Mw (O2)
= Molecular weight of oxygen
RH
= measured relative humidity in the inlet gas
Pws (T)
= Saturation vapor pressure for the measured temperature T
P tot
= measured pressure of the gas mixture

Die darin genannten Größen basieren außer auf Konstanten auf keinen weiteren Messwerten als in Patentanspruch 1 angegeben, wenn man den Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft als konstant voraussetzt, was in der Regel genau genug sein wird. Alternativ könnte man erwägen, den natürlichen Wasseranteil in der Frischluft auf Basis der gemessenen Temperatur und Feuchte der Einlassluft und ggf. auch des gemessenen oder aus Online-Wetterdaten erhaltenen Luftdrucks mit zu berücksichtigen.The quantities mentioned therein are based on constants on no further measured values than specified in claim 1, if one assumes the mass fraction of oxygen in the fresh air as constant, which will be accurate enough in the rule. Alternatively, one could consider taking into account the natural water content in the fresh air based on the measured temperature and humidity of the intake air and possibly also the measured or obtained from online weather data air pressure.

Die Molekülmasse des Einlassgases hängt zwar von dessen Zusammensetzung ab, und damit auch vom Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer, für den der Massenanteil des Sauerstoffs im Einlasskrümmer charakteristisch ist. Jedoch besteht die Möglichkeit, diese Größe zu Gunsten einer besonders einfachen Berechenbarkeit des Sauerstoffanteils im Einlasskrümmer mit noch ausreichender Genauigkeit als eine - z. B. auf Basis der Abgasrückführungsrate geschätzte - Konstante anzusetzen.Although the molecular mass of the inlet gas depends on its composition, and thus on the fraction of the burned gas mass in the intake manifold, for which the mass fraction of the oxygen in the intake manifold is characteristic. However, there is the possibility of this size in favor of a particularly simple predictability of the oxygen content in the intake manifold with still sufficient accuracy than a -. B. based on the exhaust gas recirculation rate estimated - to set constant.

Genauer ist es natürlich, die Molekülmasse des Einlassgases in bekannter Weise in Abhängigkeit vom Massenanteil des Sauerstoffs im Einlasskrümmer auszudrücken, in welchem Falle die obige Gleichung iterativ zu lösen wäre, also z. B. den letzten verbrannten Anteil für die Berechnung von B einzusetzen und dann die Gleichung mehrfach durchlaufen lassen, bis sie konvergiert. Dies könnte entweder in Echtzeit im Fahrzeug durchgeführt werden, oder man erstellt anhand der obigen Gleichung eine Nachschlagtabelle, welche in der Fahrzeugelektronik gespeichert wird und aus der man später den Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer ausliest.More specifically, it is natural to express the molecular mass of the inlet gas in a known manner as a function of the mass fraction of the oxygen in the intake manifold, in which case the above equation would be iteratively solved, ie z. For example, use the last burned fraction to compute B and then cycle through the equation until it converges. This could either be done in real time in the vehicle, or you can use the above equation creates a lookup table, which is stored in the vehicle electronics and from which one later reads the oxygen content in the intake manifold.

Ein Wert für den Druck der Gasmischung liegt bei modernen Verbrennungsmotoren mit Turbolader in Form des Ladedrucks vor, der zum Regeln des Turboladers ohnehin benötigt wird.A value for the pressure of the gas mixture is present in modern supercharged engines with turbocharger in the form of the boost pressure, which is needed to control the turbocharger anyway.

Die aktuelle Feuchte der Gasmischung im Einlasskrümmer kann mittels eines Feuchtesensors oder zweier getrennt angeordneter Feuchtesensoren gemessen werden kann. Für die Durchführung des Verfahrens geeignete Feuchtesensoren sind in Kraftfahrzeugen häufig ohnehin vorhanden, wie z. B. aus der US 7 363 911 B2 bekannt, allerdings zu anderen Zwecken. Solche Sensoren können für die Erfindung mitbenutzt werden, so dass sich die Erfindung insbesondere auch dafür eignet, Kraftfahrzeuge, die noch keinen Fman-Sensor besitzen, allein mittels Software-Updates so nachzurüsten, dass der aktuelle Stickoxid-Ausstoß auf Basis des Fman-Wertes geschätzt und durch entsprechende Steuerung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen vermindert werden kann.The actual humidity of the gas mixture in the intake manifold can be measured by means of a humidity sensor or two separately arranged humidity sensors. For the implementation of the method suitable moisture sensors are often present in motor vehicles anyway, such as. B. from the US Pat. No. 7,363,911 B2 known, but for other purposes. Such sensors can be shared for the invention, so that the invention is particularly suitable for retrofitting motor vehicles that do not yet have a Fman sensor by software updates alone so that the current nitrogen oxide output is estimated on the basis of the Fman value and can be reduced by appropriate control of exhaust aftertreatment devices.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Verbrennungsmotor einen Turbolader mit einem Kompressor und einer Turbine, wobei eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung stromabwärts des Kompressors in einen Gaseinlasskanal mündet, der seinerseits in den Einlasskrümmer mündet, wobei ein erster Feuchtesensor stromabwärts der Einmündung der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung in den Gaseinlasskanal angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung stromaufwärts des Kompressors in einen Frischluft-Einlasskanal münden, wobei ein zweiter Feuchtesensor stromabwärts des Kompressors angeordnet ist.In one embodiment of the invention, the internal combustion engine includes a turbocharger having a compressor and a turbine, wherein a high pressure exhaust gas recirculation line opens downstream of the compressor into a gas inlet channel, which in turn opens into the intake manifold, wherein a first humidity sensor downstream of the junction of the high pressure exhaust gas recirculation line in the gas inlet channel is arranged. Alternatively or additionally, a low-pressure exhaust gas recirculation line may open into a fresh-air inlet channel upstream of the compressor, wherein a second humidity sensor is arranged downstream of the compressor.

Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

  • 1 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors mit Niederdruck- und Hochdruck-Abgasrückführung; und
  • 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Berechnung des Sauerstoffs im Einlass.
The following is a description of embodiments with reference to the drawings. Show:
  • 1 a schematic diagram of an internal combustion engine with low-pressure and high-pressure exhaust gas recirculation; and
  • 2 a schematic diagram for explaining the calculation of the oxygen in the inlet.

1 veranschaulicht einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Einlasskrümmer 2, einem Turbolader, der einen Kompressor 3 und eine Turbine 4 umfasst, einem Zwischenkühler 5 zwischen dem Kompressor 3 und dem Einlasskrümmer 2, und einem Abgaskatalysator 6 oder eine andere Abgasnachbehandlungseinrichtung stromabwärts der Turbine 4. 1 illustrates an internal combustion engine 1 with an intake manifold 2 , a turbocharger, a compressor 3 and a turbine 4 includes, an intercooler 5 between the compressor 3 and the intake manifold 2 , and an exhaust gas catalyst 6 or another exhaust aftertreatment device downstream of the turbine 4 ,

Eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 7 zweigt stromabwärts eines Abgaskrümmers des Verbrennungsmotors 1 und stromaufwärts der Turbine 4 ab und führt stromabwärts des Zwischenkühlers 5 und stromaufwärts des Einlasskrümmers 2 in einen Gaseinlasskanal 12 zurück, und eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 8 zweigt stromabwärts des Katalysators 6 von einem Abgasauslassrohr 11 ab und führt stromaufwärts des Kompressors 3 in einen Frischluft-Einlasskanal 13 zurück.A high pressure exhaust gas recirculation line 7 branches downstream of an exhaust manifold of the internal combustion engine 1 and upstream of the turbine 4 and leads downstream of the intercooler 5 and upstream of the intake manifold 2 in a gas inlet duct 12 back, and a low pressure exhaust gas recirculation line 8th branches downstream of the catalyst 6 from an exhaust outlet pipe 11 off and leading upstream of the compressor 3 in a fresh air inlet duct 13 back.

Stromabwärts der Einmündung der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 7 in den Gaseinlasskanal 12 und stromaufwärts des Einlasskrümmers 2 ragt ein erster Feuchtesensor 9 in den Gaseinlasskanal 12 hinein. Alternativ könnte der erste Feuchtesensor 9 auch in den Einlasskrümmer 2 selbst hineinragen.Downstream of the junction of the high pressure exhaust gas recirculation line 7 in the gas inlet channel 12 and upstream of the intake manifold 2 protrudes a first humidity sensor 9 in the gas inlet channel 12 into it. Alternatively, the first humidity sensor could be 9 also in the intake manifold 2 intrude yourself.

Stromabwärts des Kompressors 3 und stromaufwärts des Zwischenkühlers 5 ragt ein zweiter Feuchtesensor 10 in den Einlasskanal hinein.Downstream of the compressor 3 and upstream of the intercooler 5 protrudes a second humidity sensor 10 into the inlet channel.

Im Frischluft-Einlasskanal 13 oder davor befindet sich noch ein weiterer Feuchtesensor zur Messung der relativen Feuchte in der Umgebungsluft.In the fresh air inlet duct 13 or before that is another humidity sensor for measuring the relative humidity in the ambient air.

Am Ort eines jeden Feuchtesensors befindet sich außerdem jeweils ein Gastemperatursensor, der auch in den jeweiligen Feuchtesensor integriert sein kann.In addition, there is a gas temperature sensor at the location of each humidity sensor, which can also be integrated in the respective humidity sensor.

Die Feuchtesensoren 9 und 10 dienen zur Abschätzung des Anteils der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer 2, wie weiter unten beschrieben wird.The humidity sensors 9 and 10 serve to estimate the proportion of burnt gas mass in the intake manifold 2 as described below.

Der erste Feuchtesensor 9 ist für Hochdruck-Abgasrückführung (HP-EGR) vorgesehen und misst die Feuchtigkeit des Einlassgases, das sich mit über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 7 rückgeführtem Abgas vermischt hat.The first humidity sensor 9 is designed for high-pressure exhaust gas recirculation (HP-EGR) and measures the humidity of the inlet gas, which communicates with the high-pressure exhaust gas recirculation line 7 recirculated exhaust gas has mixed.

Der zweite Feuchtesensor 10 ist für Niederdruck-Abgasrückführung (LP-EGR) vorgesehen. Da sich das Einlassgas im Zwischenkühler 5 abkühlt, kann darin Kondensation auftreten, und die relative Feuchte der Einlassgasmischung erreicht mit 100 % die Sättigung, woraus der Anteil der verbrannten Gasmasse nicht gewonnen werden kann. Zum Schutz des Kompressors 3 ist jedoch auslegungsgemäß dafür gesorgt, dass im Kompressor 3 normalerweise keine Kondensation auftritt, weshalb unmittelbar stromabwärts davon ein geeigneter Ort für den zweiten Feuchtesensor 10 ist.The second humidity sensor 10 is intended for low pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR). Since the inlet gas in the intercooler 5 Cooling, condensation can occur therein, and the relative humidity of the inlet gas mixture reaches 100% saturation, from which the fraction of the burned gas mass can not be recovered. To protect the compressor 3 However, it is designed to ensure that the compressor 3 Normally no condensation occurs, which is why immediately downstream of it a suitable location for the second humidity sensor 10 is.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren kann bei Verbrennungsmotoren mit Niederdruck- und Hochdruck-Abgasrückführung, wie in 1 gezeigt, aber auch bei Verbrennungsmotoren nur mit Niederdruck-Abgasrückführung oder nur mit Hochdruck-Abgasrückführung durchgeführt werden, wobei jeweils nur ein Feuchtesensor 9 oder 10 erforderlich ist.The method described below may be applied to low pressure and high pressure exhaust gas recirculation internal combustion engines, as in 1 shown, but also in internal combustion engines only with low-pressure exhaust gas recirculation or only with high-pressure exhaust gas recirculation are performed, each with only one humidity sensor 9 or 10 is required.

Das Vorsehen beider Feuchtesensoren 9, 10 ist insbesondere bei einem gemischten Betrieb zwischen Niederdruck- und Hochdruckabgasrückführung zweckmäßig, da damit die Einflüsse beider Abgasrückführungswege unabhängig voneinander abgeschätzt werden können.The provision of both humidity sensors 9 . 10 is particularly useful in a mixed operation between low pressure and high pressure exhaust gas recirculation, since thus the effects of both exhaust gas recirculation paths can be estimated independently.

Zur Erläuterung der Abschätzung des Anteils der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer 2 wird zunächst der Fall von Niederdruck-Abgasrückführung mit Feuchtemessung mittels des Feuchtesensor 10 stromabwärts des Kompressors 3 (und stromaufwärts des Zwischenkühlers 5, falls vorhanden) betrachtet.To explain the estimation of the fraction of the burned gas mass in the intake manifold 2 First, the case of low pressure exhaust gas recirculation with humidity measurement by means of the humidity sensor 10 downstream of the compressor 3 (and upstream of the intercooler 5 if available).

Zum leichteren Verständnis der Berechnungen wird außerdem zunächst angenommen, dass keine Umgebungsluftfeuchtigkeit vorhanden sei. In diesem Fall beruhen Feuchtemesswerte größer als null nur auf dem Wassergehalt im rückgeführten Abgas.

  1. i. Die mittels des Feuchtesensors 10 gemessene relative Feuchte RH entspricht der absoluten Feuchte geteilt durch die Sättigungsfeuchte, welche ihrerseits auf eine eindeutige und bekannte Weise mit der Temperatur und dem Partialdruck Pw des Wasserdampfes verknüpft sind. Daher lässt sich der Wasserdampf-Partialdruck Pw aus der relativen Feuchte RH und der Temperatur T des Einlassgases stromabwärts des Kompressors 3 berechnen, also als eine Funktion f (RH, T) = (RH · Pws(T) /100%), worin Pws(T) der Sättigungsdampfdruck ist.
  2. ii. Aus dem Wasserdampf-Partialdruck Pw und dem Verhältnis der Molekülmasse des Wasserdampfes (MwH2O) zur Molekülmasse des Gases (Mwgas) kann wie folgt eine Größe X bestimmt werden: X = B Pw/ ( Ptot ) X
    Figure DE102018218575A1_0002
    worin:
    • Pw: Wasserdampf-Partialdruck
    • Ptot: Gesamtdruck = Ladedruck
    • mit B = MwH2O / Mwgas · 1000 [g/kg]
  3. iii. Das Massenverhältnis des Wassers im Einlass ist somit:
    • (Masse des Wasserdampfes geteilt durch die Gasmasse) = X
  4. iv. Der Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlass ist definiert als: Fman = 1 ( O2/O2 fresh_air ) = ( O2 fresh_air O2 ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0003
    Darin können die Werte O2 (Massenanteil des Sauerstoffs im Einlassgas) und O2fresh_air (Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft) entweder Volumen- oder Massenkonzentrationswerte sein. Nachfolgend eine Erläuterung der eigentlichen Berechnung des Anteils der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer:
  5. v. Für die Abschätzung wird vorausgesetzt, dass die bekannte Gleichung für ideale Verbrennung auf die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Verbrennungsmotor anwendbar ist: CxHy + (x+y/4) O2 → x CO2 + y/2 H2O
    • Die Detektion von 1 Molekül H2O steht für das Verschwinden von 0.5 Molekül O2
    • Die Detektion von 1 Gramm H2O steht für das Verschwinden von 0.5 × (Molekülmasse von O2/ Molekülmasse von H2O) Gramm O2
  6. vi. Nimmt man die vorstehenden Punkte (iv) und (v) zusammen, so ist das Massenverhältnis des verbrannten Sauerstoffs im Einlass (Mw = Molekülmasse): X / ( 1 + X ) 0.5 MwO2/MwH2O [ g ]
    Figure DE102018218575A1_0004
    oder Fman = ( O2 fresh_air O2 ) / O2fresh_air = ( X / ( 1 X ) 0.5 Mw O2 / Mw H2O ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0005
    mit
    • O2fresh_air [g]: Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft
    • O2 [g]: Massenanteil des Sauerstoffs im Einlassgas
    • Somit ergibt sich der benötigte Fman-Wert ohne Verwendung eines Fman-Sensors aus der Kenntnis der Feuchte und Temperatur im Einlasskrümmer, wobei die Feuchte bei der hier betrachteten Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Kompressors gemessen wird.
    • Die vorangegangenen Berechnungen basierten auf der Annahme, dass keine Umgebungsluftfeuchtigkeit vorhanden ist. In der Realität ist aber stets mehr oder weniger Feuchtigkeit in der Einlassluft vorhanden. Da dieser Wasserdampf nicht aus der Verbrennung resultiert, trägt er auf eine andere Weise zur Berechnung des Sauerstoffs im Einlass bei.
    • Wenn ein Sensor für die relative Feuchte im Lufteinlass vorhanden ist, kann das Einlassluft-Mischungsverhältnis Xairfresh wie oben in Punkt (ii) berechnet werden, falls auch die Temperatur im Lufteinlass bekannt ist. Dieses Mischungsverhältnis Xairfresh kann nun auf die Mischung von Frischluft und rückgeführtem Abgas angewendet werden, wie in 2 veranschaulicht, da auch der rückgeführte Abgasstrom EGR logischerweise den Anteil der Umgebungsfeuchte enthält.
    • Insbesondere ist in 2: X air_intake = Wasser aus Lufteinlass/ ( Luft + Wasser aus Lufteinlass ) .
      Figure DE102018218575A1_0006
  7. vii. Jetzt wird Fman = ( O2 fresh_air O2 ) / O2 fresh_air = ( O2 fresh_air O2 fresh_air_without_humidity ) ( 1 X air_intake ) ) + ( X comb 0.5 Mw O2 / Mw H2O ) ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0007
    mit
    • O2fresh_air_without_humidity = Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft ohne Feuchte (ein bekannter fester Wert)
    • Xair_intake kann wie oben in Punkt (ii) am Ort des Lufteinlasses berechnet werden (auf Basis der Temperatur am Ort des Lufteinlasses).
    • XdsComp ist das entsprechende Mischungsverhältnis stromabwärts des Kompressors 3 und kann ähnlich berechnet werden.
    • Man beachte, dass das Verhältnis Xair_intake = (Masse des Wasserdampfes geteilt durch Masse des Gases) mit dem gleichen Verhältnis auf die Mischung Luft + rückgeführtes Abgas EGR angewendet werden kann, um den Umstand auszudrücken, dass das Vorhandensein von Luftfeuchte die Sauerstoffkonzentration auf die gleiche Weise für die ganze Mischung herabsetzt (bevor irgendeine Verbrennung berücksichtigt wird).
    • Eine kleine Differenz entsteht durch den letztlich in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff. Diese kann ggf. durch Einführung eines Faktors (faccor_fuel) korrigiert werden.
    • Aus diesem Grunde kann die Größe Xcomb wie folgt auf Basis der Feuchtemessung mittels des Feuchtesensors 10 unmittelbar stromabwärts des Kompressors 3 berechnet werden: Xc omb = X dsComp X air_intake fac cor_fuel
      Figure DE102018218575A1_0008
To facilitate understanding of the calculations, it is also initially assumed that there is no ambient humidity. In this case, moisture readings greater than zero are based only on the water content in the recirculated exhaust gas.
  1. i. The by means of the humidity sensor 10 measured relative humidity RH corresponds to the absolute humidity divided by the saturation moisture, which in turn are linked in a unique and known manner with the temperature and the partial pressure Pw of the water vapor. Therefore, the water vapor partial pressure Pw can be calculated from the relative humidity RH and the temperature T of the inlet gas downstream of the compressor 3 Thus, as a function f (RH, T) = (RH · Pws (T) / 100%), where Pws (T) is the saturation vapor pressure.
  2. ii. From the water vapor partial pressure Pw and the ratio of the molecular weight of the water vapor (Mw H2O ) to the molecular weight of the gas (Mw gas ), a size X can be determined as follows: X = B pw / ( P tot ) X
    Figure DE102018218575A1_0002
    wherein:
    • Pw: water vapor partial pressure
    • Ptot: total pressure = boost pressure
    • with B = Mw H2O / Mw gas · 1000 [g / kg]
  3. iii. The mass ratio of the water in the inlet is thus:
    • (Mass of water vapor divided by the gas mass) = X
  4. iv. The proportion of burned gas mass in the inlet is defined as: fman = 1 - ( O2 / O2 fresh_air ) = ( O2 fresh_air - O2 ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0003
    Therein, the values O2 (mass fraction of the oxygen in the inlet gas) and O2 fresh_air (mass fraction of the oxygen in the fresh air) may be either volume or mass concentration values. The following is an explanation of the actual calculation of the fraction of the burned gas mass in the intake manifold:
  5. v. For the estimation, it is assumed that the known equation for ideal combustion is applicable to the combustion of hydrocarbons in the internal combustion engine: CxHy + (x + y / 4) O2 → x CO2 + y / 2 H2O
    • → The detection of 1 molecule H2O represents the disappearance of 0.5 molecule O2
    • → The detection of 1 gram of H2O represents the disappearance of 0.5 × (molecular weight of O2 / molecular weight of H2O) grams of O2
  6. vi. Taking the above items (iv) and (v) together, the mass ratio of the combusted oxygen in the inlet (Mw = molecular weight) is: X / ( 1 + X ) 0.5 MwO2 / MwH2O [ G ]
    Figure DE102018218575A1_0004
    or fman = ( O2 fresh_air - O2 ) / O2fresh_air = ( X / ( 1 - X ) 0.5 mw O2 / mw H2O ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0005
    With
    • O2 fresh_air [g]: mass fraction of oxygen in the fresh air
    • O2 [g]: mass fraction of oxygen in the inlet gas
    • Thus, the required Fman value without using a Fman sensor results from the knowledge of the humidity and temperature in the intake manifold, wherein the humidity is measured at the considered here low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the compressor.
    • The previous calculations were based on the assumption that there is no ambient humidity. In reality, however, there is always more or less moisture in the intake air. Since this water vapor does not result from the combustion, it contributes in another way to the calculation of the oxygen in the inlet.
    • If there is a relative humidity sensor in the air intake, the intake air mixing ratio X airfresh can be calculated as in (ii) above, if the temperature in the air intake is also known. This mixing ratio X airfresh can now be applied to the mixture of fresh air and recirculated exhaust gas, as in 2 illustrated, as well as the recirculated exhaust gas flow EGR logically contains the proportion of ambient humidity.
    • In particular, in 2 : X air_intake = Water from the air intake / ( air + Water from the air intake ) ,
      Figure DE102018218575A1_0006
  7. vii. Now will fman = ( O2 fresh_air - O2 ) / O2 fresh_air = ( O2 fresh_air - O2 fresh_air_without_humidity ) ( 1 - X air_intake ) ) + ( X comb 0.5 mw O2 / mw H2O ) ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0007
    With
    • O2 fresh_air_without_humidity = mass fraction of oxygen in the fresh air without humidity (a known fixed value)
    • X air_intake can be calculated as in point (ii) above at the location of the air inlet (based on the temperature at the location of the air inlet).
    • X dsComp is the corresponding mixing ratio downstream of the compressor 3 and can be calculated similarly.
    • Note that the ratio X air_intake = (mass of the water vapor divided by mass of the gas) with the same ratio can be applied to the mixture air + recirculated exhaust gas EGR, to express the fact that the presence of air humidity equals the oxygen concentration to the same Minimize way for the whole mixture (before any combustion is taken into account).
    • A small difference arises from the fuel ultimately introduced into the combustion chamber. If necessary, this can be corrected by introducing a factor (fac cor_fuel ).
    • For this reason, the size X comb can be determined as follows based on the humidity measurement by means of the humidity sensor 10 immediately downstream of the compressor 3 be calculated: xc omb = X dsComp - X air_intake fac cor_fuel
      Figure DE102018218575A1_0008

Die Verminderung der Messung von Sauerstoff hat somit zwei Gründe:

  1. 1. Verminderung aufgrund von Feuchte in der Frischluft: ( O2 fresh_air O2 fresh_air / ( 1 + X air_intake ) )
    Figure DE102018218575A1_0009
  2. 2. Verminderung aufgrund der Verbrennung von Sauerstoff, welche nun wird: ( X dsComb X air_intake fac cor_fuel ) 0.5 Mw O2 / Mw H2O ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0010
    wobei die Größen Xair_intake und XdsComp aus den Messwerten der zwei Feuchtesensoren 9 und 10 sowie den an den jeweiligen Orten der Feuchtesensoren 9 und 10 gewonnenen Temperaturmesswerten berechenbar sind.
The reduction of the measurement of oxygen thus has two reasons:
  1. 1. Reduction due to humidity in the fresh air: ( O2 fresh_air - O2 fresh_air / ( 1 + X air_intake ) )
    Figure DE102018218575A1_0009
  2. 2. Reduction due to the combustion of oxygen, which now becomes: ( X dsComb - X air_intake fac cor_fuel ) 0.5 mw O2 / mw H2O ) / O2 fresh_air
    Figure DE102018218575A1_0010
    where the quantities X air_intake and X dsComp are taken from the readings of the two humidity sensors 9 and 10 as well as at the respective locations of the humidity sensors 9 and 10 obtained temperature readings are calculated.

Somit wurde gezeigt, dass und auf welche Weise für Niederdruck-Abgasrückführung auch unter Realbedingungen mit einer Umgebungsluftfeuchte > 0 ein Fman-Wert für den Sauerstoffanteil bzw. den entsprechenden Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer ohne Verwendung einer Lambda-Messung wie z. B. mittels eines Fman-Sensors aus der Kenntnis der Feuchte im Lufteinlass und im Einlasskrümmer und der Temperaturen darin erhältlich ist.Thus, it was shown that and in which way for low-pressure exhaust gas recirculation even under real conditions with an ambient humidity> 0, a Fman value for the oxygen content or the corresponding proportion of the burned gas mass in the intake manifold without using a lambda measurement such. B. by means of a Fman sensor from the knowledge of the humidity in the air intake and in the intake manifold and the temperatures therein is available.

Für Hochdruck-Abgasrückführung erfolgt die Berechnung des Fman-Wertes analog zu Obigen, jedoch auf Basis einer Messung der Feuchte im Einlasskrümmer 2 mittels des Feuchtesensors 9 anstelle des Feuchtesensors 10.For high-pressure exhaust gas recirculation, the Fman value is calculated analogously to the above, but based on a measurement of the humidity in the intake manifold 2 by means of the humidity sensor 9 instead of the humidity sensor 10 ,

Bei einem Verbrennungsmotor mit Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung können beide Betriebsarten gleichzeitig oder separat verwendet werden, wobei die Feuchtesensoren 10 und 9 gleichzeitig oder abwechselnd messen gelassen werden können, um jeweils den Fman-Wert zu berechnen.In an internal combustion engine with high pressure and low pressure exhaust gas recirculation, both modes can be used simultaneously or separately, with the humidity sensors 10 and 9 can be measured simultaneously or alternately to calculate the Fman value, respectively.

Wie gezeigt, ist keine Lambda-Messung nötig, um den Anteil der verbrannten Gasmasse im Einlasskrümmer zu ermitteln, und nicht einmal eine Abgas-Lambda-Messung, welche typischerweise als Fman = Fexh · rEGR benötigt wird, worin Fexh der Anteil der verbrannten Gasmasse im Auslass ist, Fexh = 1 - O2exh/21, und rEGR die Abgasrückführungsrate ist.As shown, no lambda measurement is needed to determine the fraction of combusted gas mass in the intake manifold, and not even an exhaust lambda measurement, which is typically required as Fman = Fexh · r EGR , where Fexh is the fraction of gas mass burned in the outlet, Fexh = 1 - O2 exh / 21 , and r EGR is the exhaust gas recirculation rate.

Aus alledem folgt, dass sich der Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer anhand der in der Beschreibungseinleitung genannten Gleichung ermitteln lässt.It follows from all this that the oxygen content in the intake manifold can be determined on the basis of the equation mentioned in the introduction to the description.

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  • US 7363911 B2 [0018]US 7363911 B2 [0018]

Claims (6)

Verfahren zur Gewinnung des Sauerstoffanteils im Einlasskrümmer (2) eines Verbrennungsmotors (1) im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Verbrennungsmotor (1) mit Abgasrückführung durchgeführt wird und dass der Sauerstoffanteil ohne Durchführung einer Lambda-Messung aus Messwerten von Feuchte und Temperatur der Luft in einem Lufteinlass (13) des Verbrennungsmotors (1) sowie aus Messwerten von Feuchte, Temperatur und Druck der Gasmischung im Einlasskrümmer (2) gewonnen wird.A method for obtaining the oxygen content in the intake manifold (2) of an internal combustion engine (1) during operation of a motor vehicle, characterized in that the method is carried out in an internal combustion engine (1) with exhaust gas recirculation and in that the oxygen content without performing a lambda measurement from measured values of Humidity and temperature of the air in an air inlet (13) of the internal combustion engine (1) and from measured values of humidity, temperature and pressure of the gas mixture in the intake manifold (2) is obtained. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Einlasskrümmer (2) auf Basis der folgenden Gleichung ermittelt wird: O 2 = O 2 f r e s h _ a i r B R H P w s ( T ) 100 % P t o t R H P w s ( T ) 100 % 1 + B R H P w s ( T ) 100 % P t o t R H P w s ( T ) 100 % 0.5 M w O 2 M w H 2 O
Figure DE102018218575A1_0011
worin O2 = Massenanteil des Sauerstoffs im Einlassgas O2fresh_air = Massenanteil des Sauerstoffs in der Frischluft B = Mw(H2O) / Mw(gas) · 1000 [g/kg] Mw(H2O) = Molekülmasse von Wasser Mw(gas) = Molekülmasse des Einlassgases Mw(O2) = Molekülmasse von Sauerstoff RH = gemessene relative Feuchte im Einlassgas Pws(T) = Sättigungsdampfdruck für die gemessene Temperatur T Ptot = gemessener Druck der Gasmischung
Method according to Claim 1 characterized in that the oxygen content in the intake manifold (2) is determined based on the following equation: O 2 = O 2 f r e s H _ a i r - B R H P w s ( T ) 100 % P t O t - R H P w s ( T ) 100 % 1 + B R H P w s ( T ) 100 % P t O t - R H P w s ( T ) 100 % 0.5 M w O 2 M w H 2 O
Figure DE102018218575A1_0011
where O2 = mass fraction of the oxygen in the inlet gas O2 fresh_air = mass fraction of the oxygen in the fresh air B = Mw (H2O) / Mw (gas) × 1000 [g / kg] Mw (H2O) = molecular weight of water Mw (gas) = molecular mass of the Inlet gas Mw (O2) = molecular weight of oxygen RH = measured relative humidity in the inlet gas Pws (T) = saturation vapor pressure for the measured temperature TP tot = measured pressure of the gas mixture
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Verbrennungsmotor (1) mit Turbolader und Hochdruck-Abgasrückführung durchgeführt wird und dass die Feuchte stromabwärts der Einmündung einer Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (7) in einen Gaseinlasskanal (12), der seinerseits in den Einlasskrümmer (2) mündet, gemessen wird.Method according to Claim 1 or 2 characterized in that the method is performed in a turbocharged and high pressure exhaust gas recirculation internal combustion engine (1) and that the moisture downstream of the confluence of a high pressure exhaust gas recirculation line (7) into a gas inlet passage (12) which in turn enters the intake manifold (2). flows, is measured. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Verbrennungsmotor (1) mit Turbolader und Niederdruck-Abgasrückführung durchgeführt wird und dass die Feuchte stromabwärts eines Kompressors (3) des Turboladers gemessen wird.Method according to one of Claims 1 to 3 characterized in that the method is performed in a turbocharged and low pressure exhaust gas recirculation internal combustion engine (1), and that the humidity is measured downstream of a compressor (3) of the turbocharger. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Schätzen des aktuellen Stickoxid-Ausstoßes des Verbrennungsmotors (1) für die Steuerung des Verbrennungsmotors (1) und der Abgasnachbehandlung im Kraftfahrzeug verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method for estimating the current nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine (1) for the control of the internal combustion engine (1) and the exhaust aftertreatment in the motor vehicle is used. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1), einem Turbolader (3, 4) sowie mit Abgasrückführung (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug keinen Sauerstoffsensor oder Fman-Sensor im Einlasskrümmer aufweist und dafür eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Motor vehicle with an internal combustion engine (1), a turbocharger (3, 4) and with exhaust gas recirculation (7, 8), characterized in that the motor vehicle has no oxygen sensor or Fman sensor in the intake manifold and is adapted to the method according to one of the preceding Perform claims.
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