DE10101848A1 - Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Durch ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, bei dem das durch die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine entstehende Abgas zur Verringerung von darin enthaltenen Schadstoffen mittels eines Katalysators (4) nachbehandelt wird, wobei durch einen in einem den Brennraum (1) verlassenden Abgasstrom angeordneten NO¶x¶-Sensor (5) der Gehalt an Stickoxiden und der Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas kontinuierlich erfaßt werden, läßt sich bei vergleichsweise geringer Schadstoffemission ein effizienterer Verbrennungsprozeß der Brennkraftmaschine erreichen. DOLLAR A Grund hierfür ist, daß ein Teil des Abgases dem Brennraum (1) zur erneuten Verbrennung rückgeführt wird, wobei die Rückführungsrate des Abgases in Abhängigkeit von dem durch den NO¶x¶-Sensor (5) ermittelten Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas geregelt wird, und daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Brennraum (1) zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit von dem durch denselben NO¶x¶-Sensor (5) ermittelten Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas geregelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, bei dem das durch die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Brennraum der Brennkraftmaschine entstehende Abgas zur Verringerung von darin enthaltenen Schadstoffen mittels eines Katalysators nachbehandelt wird, wobei durch einen in einem den Brennraum verlassenden Abgasstrom angeordneten NOx-Sensor der Gehalt an Stickoxiden und der Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas kontinuierlich erfaßt werden.
  • Um die bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Brennkraftmaschine entstehenden Schadstoffe, wie etwa Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide, zu verringern, ist es bekannt, eine katalytische Nachverbrennung durchzuführen. Die hierfür Anwendung findenden Katalysatoren erfordern eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Zu diesem Zweck wird der nach der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Abgas verbleibende Restsauerstoffgehalt durch einen Sensor, die sogenannte Lambdasonde, erfaßt, und als Regelwert für die das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis kennzeichnende Luftzahl Lambda herangezogen. Denn der Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas hängt von der Zusammensetzung des dem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches ab und ist damit ein Maß für den Lambdawert.
  • Im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine mit einem überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch, das heißt einem Lambdawert > 1, zu betreiben. Dabei kommen gewöhnlich NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz, welche die in diesem mageren Betrieb verstärkt emittierten Stickoxide speichern. Das Speichervermögen eines NOx-Speicherkatalysators ist beladungsabhängig und nimmt demnach mit der Zeit kontinuierlich ab. Es ist deshalb erforderlich, die Brennkraftmaschine zeitweilig mit einem fetten Gemisch (Lambdawert < 1) zu betrieben, um in dem NOx-Speicherkatalysator gespeicherte Nitrate freizusetzen und zu Stickstoff zu reduzieren. Auf diese Weise läßt sich der NOx-Speicherkatalysator wiederkehrend regenerieren.
  • Eine der erforderlichen Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators Rechnung tragende Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist aus der DE 199 12 832 A1 bekannt. Für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird durch einen NOx-Sensor zum einen der Gehalt an Stickoxiden im Abgas erfaßt. Zum anderen wird durch den NOx-Sensor zugleich der Gehalt an Sauerstoff im Abgas ermittelt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird dann in Abhängigkeit von einem Signal geregelt, das entweder den Gehalt an Sauerstoff im Abgas oder den Gehalt an Stickoxiden im Abgas repräsentiert, wobei die Auswahl von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängen kann und beispielsweise durch eine elektronische Steuereinheit erfolgt.
  • Wenngleich der aus der DE 199 12 832 A1 bekannte NOx-Sensor neben dem Gehalt an Stickoxiden auch den Gehalt an Sauerstoff ermittelt und damit das Vorsehen einer gesonderten Lambdasonde entbehrlich macht, wird die durch zahlreiche, variabel zu steuernde Parameter, wie etwa Zündzeitpunkt, Abgasrückführrate oder Ventilhub- und steuerzeiten, bedingte Komplexität des Verbrennungsprozesses moderner Brennkraftmaschine nicht geschmälert. Unbefriedigend ist vor allem, daß bis auf das durch den NOx-Sensor geregelte Luft-Kraftstoff-Verhältnis alle anderen den Verbrennungsprozeß beeinflussende Parameter meist mittels Kennfelder gesteuert werden, die etwa durch einen im Laufe der Zeit auftretenden Verschleiß verursachte motorspezifische Einflüsse nicht berücksichtigen. Aufgrund der variablen Steuerung zahlreicher Parameter gestaltet sich darüber hinaus die in Hinsicht auf einen hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erforderliche Optimierung aller Parameter als zunehmend schwieriger.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, bereitzustellen, mit dem sich bei vergleichsweise geringer Schadstoffemission ein effizienterer Verbrennungsprozeß der Brennkraftmaschine erzielen läßt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht in Übereinstimmung mit dem Anspruch 1 erfindungsgemäß darin, daß bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen ein Teil des Abgases dem Brennraum zur erneuten Verbrennung rückgeführt wird, wobei die Rückführungsrate des Abgases in Abhängigkeit von dem durch den NOx-Sensor ermittelten Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas geregelt wird, und daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Brennraum zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit von dem durch denselben NOx-Sensor ermittelten Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas geregelt wird.
  • Ein solches Verfahren macht sich die Erkenntnis zu eigen, daß sich ein effizienterer Verbrennungsprozeß einer Brennkraftmaschine dann erreichen läßt, wenn die Anzahl der den Verbrennungsprozeß beeinflussenden Parameter, die einer Regelung folgen, erhöht wird, so daß sich die Optimierung der verbleibenden Parameter vereinfacht und damit etwa ein höherer Wirkungsgrad erzielbar ist. Erfindungsgemäß wird die Wechselbeziehung zwischen der Abgasrückführrate (AGR) und dem durch einen NOx-Sensor, wie er etwa auch aus der Druckschrift SAE Technical Paper Series 1999-01-0202 bekannt ist, ermittelten Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas ausgenutzt, um eine Regelung der Menge des Abgases, die dem Brennraum zur erneuten Verbrennung rückzuführen ist, zu erreichen. Durch das Rückführen eines Teils des Abgases werden bekanntermaßen die Stickoxide im Abgas erheblich reduziert, so daß sich eine vergleichsweise geringe Schadstoffemission ergibt.
  • Im Unterschied zu dem Stand der Technik nach der DE 199 12 832 A1 wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der durch den NOx-Sensor ermittelte Gehalt an Stickoxiden generell nicht zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses herangezogen. Hierfür findet bevorzugt der durch den NOx-Sensor immanent erfaßte Gehalt an Sauerstoff im Abgas Berücksichtigung, wodurch gleichwohl das Vorsehen einer Lambdasonde entbehrlich wird.
  • Mit Hilfe der durch den NOx-Sensor ermittelten Anteile an Stickoxiden und an Sauerstoff im Abgas läßt sich darüber hinaus der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses optimieren. Grund hierfür ist, daß die Anteile an Stickoxiden und an Sauerstoff im Abgas maßgebend für die während der Verbrennung erreichte Höchsttemperatur sind, von der die ein Maß für den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses darstellende Brenngeschwindigkeit abhängt. Bei Kenntnis der übrigen Parameter läßt sich auf diese Weiser ein gewünschter Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine einfacher erreichen. Zu berücksichtigen hierbei ist allerdings, daß der Zündzeitpunkt in einem umgekehrten Verhältnis zu dem Gehalt an Stickoxiden im Abgas steht. Dies hat zur Folge, daß der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei optimiertem Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses, das heißt bei einem einem vorgegebenen Maximum entsprechenden Gehalt an Stickoxiden im Abgas, durch einen zu frühen Zündzeitpunkt verringert wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen Verfahrens stellen die Gegenstände der Unteransprüche dar. So ist es etwa in Hinsicht auf eine zuverlässige sensorische Erfassung der Anteile an Stickoxiden und an Sauerstoff im Abgas besonders vorteilhaft, den NOx-Sensor in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator anzuordnen. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht zudem, den Katalysator zweckmäßigerweise als einen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator auszubilden, um die Emission an Stickoxiden in bekannter Weise zu reduzieren. In Weiterbildung der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die Rückführungsrate des Abgases derart zu regeln, daß der Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas einem vorgegebenen Extremwert entspricht. Auf diese Weise läßt sich ein optimierter Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses erreichen.
  • Einzelheiten und weitere Vorteile des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. In der zugehörigen Zeichnung zeigt die alleinige 1 eine schematische Darstellung der Regelung des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den Anteilen an Stickoxiden und an Sauerstoff im Abgas.
  • In 1 ist der Brennraum 1 einer als Otto- oder Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine dargestellt. Dem Brennraum 1 wird durch eine Zufuhrleitung 2 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt. Das durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehende Abgas verläßt den Brennraum 1 in einem Abgasstrom, der durch eine Abgasleitung 3 einem Katalysator 4 zugeführt wird. Der als NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator ausgebildete Katalysator 4 absorbiert ein Großteil der im Abgas befindlichen Stickoxide, so daß sich die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine beträchtlich verringert.
  • In der Abgasleitung 3 ist in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator 4 ein NOx-Sensor 5 angeordnet. Der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Sensors lassen sich zum Beispiel der Druckschrift SAE Technical Paper Series 1999-01-0202 entnehmen. Der NOx-Sensor 5 erfaßt kontinuierlich sowohl den Gehalt an Stickoxiden als auch den Gehalt an Sauerstoff im Abgas und übermittelt entsprechende Signale an eine elektronische Steuereinheit 6. Die Steuereinheit 6 regelt in Abhängigkeit von einem den Gehalt an Stickoxiden im Abgas repräsentierenden Signal ein Ventil 7, das in einer Abgasrückführleitung 8 angeordnet ist. Durch die Abgasrückführleitung 8 wird ein Teil des Abgases dem Brennraum 1 zur erneuten Verbrennung rückgeführt, um die Emission an Stickoxiden zu verringern. Die Regelung der Abgasrückführung erfolgt derart, daß der Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas einem vorgegebenen Extremwert entspricht, so daß sich ein optimierter Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses erreichen läßt.
  • Weiterhin regelt die Steuereinheit 6 in Abhängigkeit von einem den Gehalt an Sauerstoff im Abgas repräsentierenden Signal eine Mischeinrichtung 9, durch die das Verhältnis des dem Brennraum 1 zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches bestimmt wird. Der NOx-Sensor 5, der das den Gehalt an Sauerstoff im Abgas repräsentierende Signal liefert, ersetzt somit eine zu diesem Zweck üblicherweise verwendete Lambdasonde.
  • Das zuvor beschriebene Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ermöglicht bei verhältnismäßig geringer Schadstoffemission einen im Vergleich zu bislang bekannten Verfahren effizienteren Verbrennungsprozeß. Ursächlich hierfür ist in erster Linie, daß zum einen ein Teil des Abgases dem Brennraum 1 zur erneuten Verbrennung rückgeführt und die Abgasrückführrate nicht gesteuert, sondern in Abhängigkeit des durch den NOx-Sensor 5 ermittelten Gehalts an Stickoxiden geregelt wird. Indem zum anderen durch den NOX-Sensor 5 zugleich der Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas ermittelt und in Abhängigkeit hiervon das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Brennraum 1 zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches geregelt wird, läßt sich ein optimierter Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses auf einfache Art und Weise erzielen.
    •
    • 1
    Brennraum
    2
    Zufuhrleitung
    3
    Abgasleitung
    4
    Katalysator
    5
    NOx-Sensor
    6
    elektronische Steuereinheit
    7
    Ventil
    8
    Abgasrückführleitung
    9
    Mischeinrichtung

Claims (4)

  1. Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, bei dem das durch die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine entstehende Abgas zur Verringerung von darin enthaltenen Schadstoffen mittels eines Katalysators (4) nachbehandelt wird, wobei durch einen in einem den Brennraum (1) verlassenden Abgasstrom angeordneten NOx-Sensor (5) der Gehalt an Stickoxiden und der Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas kontinuierlich erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Abgases dem Brennraum (1) zur erneuten Verbrennung rückgeführt wird, wobei die Rückführungsrate des Abgases in Abhängigkeit von dem durch den NOx-Sensor (5) ermittelten Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas geregelt wird, und daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Brennraum (1) zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit von dem durch denselben NOx-Sensor (5) ermittelten Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen NOx-Sensor (5), der in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator (4) angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Katalysator (4), der als NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsrate des Abgases derart geregelt wird, daß der Gehalt an Stickoxiden in dem Abgas einem vorgegebenen Extremwert entspricht.
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