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ABGASMESSTECHNIK Ausgehend von einer Version ohne Massenstromsensor profitiert die Regelung offensichtlich in besonderem Maße von der Einbeziehung des AGS, selbst wenn ein Luftmassensensor eine höhere nominelle Messgenauigkeit aufweisen würde. Die gewählte Messgenauigkeit des AGS schlägt sich vergleichsweise wenig nieder. Prinzipbedingt wird durch die Abgasmassenstromerfassung die O 2 -Konzentration im Brennraum im Zusammenspiel mit dem Luftaufwandsmodell besser bestimmt, so dass der Motor mit dem AGS in einem deutlich kleineren Emissionstoleranzfenster betrieben werden kann. Die kleinen Diagramme in � zeigen exemplarisch für das AGS- und das LMS- Konzept die aus den endlichen Sensorge- nauigkeiten resultierenden Emissionswert-Histogramme, aus denen die dargestellten normierten Streuungen entnommen wurden. Weitere simulierte Lastpunkte lieferten qualitativ die gleichen Streucharakteristiken entlang der NO X - Partikel-Tradeoff-Linie. Die Grundlage für die Pkw-Simulation bildete ein 2-l-EU5-Motor mit Hochdruck- AGR, VTG, Common-Rail und einstufiger Aufladung. Die durchgeführte Untersuchung am Lastpunkt n = 2000 U/min, pme = 6 bar lieferte das gleiche Bild wie beim Nfz: Die Emissionsstreuung unter Verwendung des AGS ist nur etwa halb so groß wie beim Luftmassensensor. Statt der reinen Lambdasondenregelung wurde beim Pkw noch ein weiteres Konzept un- PROPERTY UNIT QUANTITY TEMPERATURE MEDIUM °C 0 – 650 MASS FLOW FOR PIPE DIAMETER Ø = 44 MM kg/ h 0 – 500 RESPONSE T63 ms 60 DIMENSIONS OF CONTROL ELECTRONICS (L X B X H) mm 110 / 65 / 25 MASS kg 0.5 OPERATING VOLTAGE V 12 / 6 TYPICAL POWER CONSUMPTION W 3.5 MAXIMUM POWER CONSUMPTION W 8 COMMUNICATION Analogue, Frequency or CAN DIAGNOSIS Customized ��Technische Daten Abgasmassenstromsensor A-Muster Technical data of exhaust gas mass flow sensor, A-sample 42 � Emissionsstreuungen verschiedener Sensorkonzepte Emission variance of different sensor strategies tersucht, bei dem beide Massenstromsensoren, AGS und LMS, verwendet wurden. Hier konnten die Streubreiten gegenüber dem Fall mit alleinigem AGS um zirka ein weiteres Drittel reduziert werden. Bezüglich ihrer dynamischen Qualitäten unterscheiden sich die Regelungen mit AGS und LMS kaum; beide zeigen bei den untersuchten Fällen (Lastsprünge von A25 nach A100 und C25 nach C100 beim Nutzfahrzeug, FTP75-Zyklus für den Pkw) ein gutes Regelverhalten. Lediglich das allein auf der relativ langsamen Breitband-Lambdasonde basierende Nutzfahrzeug-Konzept fällt hier mit erheblichen Stickoxid-Überschwingern zurück. Die Ansprechzeit des AGS, die aufgrund der größeren thermischen Trägheit höher ausfällt, als bei typischen Dünnfilm-Luftmassensensoren, ist dagegen ausreichend gering. Nennenswerte Emissionsnachteile zeigten sich erst bei simulierten Ansprechzeiten t 63 oberhalb von 100 ms. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Der vorgestellte Abgasmassenstromsensor eröffnet bei zukünftigen Konzepten von Verbrennungsmotoren die direkte Ermittlung von Heißgasmassenströmen, beispielsweise im Abgasrückführsystem, und trägt somit zu einer präziseren Einregelung emissionsarmer Motorbetriebspunkte bei. Die charakteristischen Sensoreigenschaften sind nochmals in � zusammengefasst. Der Systemaufbau mit eigenständiger Auswerteelektronik erlaubt eine leichte Adaption als Plug-in-System und garantiert einen zuverlässigen Betrieb des Sensors bei gleichzeitig kundenspezifisch konfigurierbarer Kommunikation mit dem Motorsteuergerät. LITERATURHINWEISE [1] Akihama, K. et. al.: Mechanism of the Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing Temperature. SAE2001-01-0655 [2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.; Dismon, H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer Heißfilmsensor zur Abgasmassenstrommessung in automotiven Anwendungen. 17. Aachener Kolloquium, Band 2, s. 1245-1270 [3] Hünnekes, E.V.: Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenwasserstoffpartikeln aus motorischen Abgasen. Dissertation, RWTH Aachen, 02/2002 [4] Körfer, T., Ruhkamp, L., Herrmann, O., Adolph, D., Linssen, R.: “Verschärfte Anforderungen an die Luftpfadregelung bei HD-Motoren“. In: MTZ 69 (2008) Nr. 11 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
The emission variances achievable with the mass flow sensor were simulated on the basis of an O 2 control concept [4] in terms of stationary control accuracy and transient behavior, for both commercial vehicle and car use. The associated engine models are based on data from a commercial vehicle EU6 concept engine and a measured car EU5 engine. The results were compared for different sensor strategies. On the commercial vehicle engine (sixcylinder with high-pressure EGR and controlled supercharging), the sensor data relevant for measuring combustion chamber O 2 comprised not only charge pressure and intake pipe temperature, but also the signal from a broadband lambda probe and, optionally, the readings from a hypothetical air mass sensor or from the EGR mass flow sensor (see characteristics in �). � shows the emission scattering for particulate and nitrogen oxides obtained with the three sensor strategies, taking the example of load point C100 (≈1500 rpm, ≈11 bar, EGR rate in each case about 10 %). With the ”EGS” concept, sensor accuracy was furthermore varied between 2 % and 4 %. Starting with the “lambda probe” concept without any mass flow sensor, the control evidently benefited to a large degree from the integration of the EGR mass flow sensor, even if an air mass sensor shows higher nominal measurement accuracy. The selected measurement accuracy of the EGR mass flow sensor has relatively little impact. Owing to the principle, the O 2 concentration in the combustion chamber is determined better by measurement of the EGR mass flow in interaction with the air consumption model. As a result the engine equipped with the EGS can be operated within a much smaller emission tolerance window. For the ”EGS” and ”AMS” strategies, the small diagrams in � show the emission histograms resulting from the finite sensor accuracies and from which the represented standardized variances were taken. Other simulated load points yielded qualitatively the same variance characteristics along the NO x /particulate tradeoff line. The car simulation was based on a 21-EU5 engine with high-pressure EGR, VTG, common rail and single-stage supercharging. The test carried out at load point n = 2000 rpm, pme = 6 bar yielded the same picture as on the commercial 100 Years of Kolbenschmidt Pierburg vehicle. When the EGS is used the emission variance is only half as large as with the air mass sensor. Instead of control solely with a lambda probe, another concept was investigated on the car in which both the EGS and AMS were employed. Variance was reduced by roughly a further third over the version with the EGS alone. As to their dynamic qualities, the controls with the EGR mass flow sensor and air mass sensor hardly differ; both show good control behavior in the investigated cases ( load steps from A25 to A100 and C25 to C100 on the commercial vehicle, FTP75 cycle for the car). The only exception is the commercial vehicle strategy based solely on the relatively slow broadband lambda probe. Here, considerable nitrogen oxide overshooting was observed. The response time of the EGS, which is greater than that of typical thin-film air mass sensors because of its larger thermal inertia, is sufficiently low. Appreciable drawbacks for emissions only occur at simu lated response times of t63 above 100 ms. SUMMARY AND OUTLOOK For internal combustion engine strategies of the future, the presented exhaust gas mass flow sensor paves the way for the direct measurement of hot gas mass flows, for example in the exhaust gas recirculation system, and thus contributes to a more accurate control of low-emission engines . The characteristic sensor properties are summarized again in �. The system design with its autonomous evaluation electronics permits easy adaptation as a plug-in system and ensures reliable sensor operation combined with customer-configured communication with the engine control unit. REFERENCES [1] Akihama, K. et. al.: Mechanism of the Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing Tem pera ture. SAE2001-01-0655 [2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.; Dismon, H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer Heißfilmsensor zur Abgas-massenstrommessung in automotiven Anwendungen. 17. Aachener Kolloquium, Band 2, s. 1245-1270 [3] Hünnekes, E.V.: Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenwas serstoffpartikeln aus motorischen Abgasen. Dissertation, RWTH Aachen, 02/2002 [4] Körfer, T., Ruhkamp, L., Herrmann, O., Adolph, D., Linssen, R.: “Verschärfte Anforderungen an die Luftpfadregelung bei HD-Motoren“. In: MTZ 69 (2008) Nr. 11 EXHAUST MEASUREMENT TECHNIQUE �� 43
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