-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach Anspruch 1 sowie dessen Verwendung.
-
Aus
der
DE 197 12357 B4 ist
ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
bekannt. Dort bestimmt eine Reglereinheit den Massendurchsatz von
Zusatzfluidströmen
im Eintrittsbereich des Einlasskanals des Brennraums und eines Abfuhrstroms
in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt. Dabei stellt eine Reglereingangsgröße die gemessene
Abgasqualität
dar.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, die unerwünschten
Emissionen einer Brennkraftmaschine zu reduzieren.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Dazu
wird eine Brennkraftmaschine mit einem Verfahren betrieben, bei
dem in einem ersten Schritt eine Abgaskomponente erfasst und sodann mit
einem zugeordneten Grenzwert verglichen wird. Wenn die Abgaskomponente
den Grenzwert überschreitet,
werden in einem nächsten
Schritt aus einem Kennfeld Kenngrößen als Reglereingangsgrößen in Abhängigkeit
vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausgewählt. Anschließend regelt
eine Reglereinheit die Gemischbildung der Brennkraftmaschine nach
Maßgabe
der Reglereingangsgrößen.
-
Vorteil
der erfindungsgemäßen Lösung ist es,
dass ein Regelkreis aus Verbrennungsgemischbildung und Abgaskomponentenerfassung
gebildet wird, bei dem der aktuelle Wert der einzustellenden Abgaskomponente
selbst als Regelgröße für die Gemischbildung
dient. Geeignete Abgaskomponenten sind z.B. NOX,
HC, CO, CO2 und Partikel. Damit ist es möglich die
unerwünschte
Erzeugung von Schadstoffen zu senken. Dies verringert den Aufwand,
der bei der Abgasnachbehandlung betrieben werden muss.
-
Da
das Verfahren immer auf den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
abgestimmt ist, können
die hohen unterschiedlichen Anforderungen, die durch verschiedene
Betriebszustände
wie Volllast und Teillast oder transiente Übergänge wie Beschleunigung oder
Verzögerung
gestellt werden, besonders gut erfüllt werden. Die Gemischbildung und
die Verbrennung der Brennkraftmaschine werden dadurch besser beherrschbar.
-
Das
Verfahren bietet die Möglichkeit,
bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes mit der wichtigsten Abgaskomponente
anzufangen und das gleiche Verfahren anschließend mit einer anderen Abgaskomponente
zu wiederholen. Es ist also die Optimierung mehr als einer Abgaskomponente
möglich. Insbesondere
können
die Abgaskomponenten in einer gewünschten Reihenfolge in das
Verfahren integriert werden.
-
Dabei
kann in einer Ausführungsform
vorgesehen sein, dass eine negative Veränderung einer bereits optimierten
Abgaskomponente ab einer bestimmten Größe oder ab einem bestimmten Wert
als Abbruch- oder Korrekturkriterium in das laufende Verfahren einfließt.
-
Weiter
bietet das erfindungsgemäße Verfahren
die Möglichkeit,
ein selbstlernendes System darzustellen, dass sich die günstigste
Ansteuerung für jeden
Betriebspunkt merkt und die Kennlinien entsprechend verändert.
-
In
einer Ausführungsform
wird das Verfahren so oft wiederholt, bis die Abgaskomponente den
zugeordneten Grenzwert unterschreitet oder das Verfahren n-mal durchgeführt worden
ist. Dabei kann der Grenzwert fest oder variabel sein. Vorteil dieser
Ausführungsform
ist die Möglichkeit
einer mehrmaligen Annäherung
an einen gewünschten
Wert. Es kann auf extreme Einstellungsänderungen und die damit verbundenen
Nachteile verzichtet werden, da bei mehrfachem Durchlaufen des Verfahrens
eine große Änderung
einer Reglereingangsgröße auf mehrere Durchläufe verteilt
werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass keine unnötigen weiteren
Durchläufe durchgeführt werden,
wenn der Wert bereits optimal ist oder die Abgaskomponente nicht
weiter optimierbar ist.
-
Das
Verfahren wird spätestens
dann abgebrochen, wenn es n-mal durchgeführt wurde. Damit wird eine
mögliche
Endlosanpassung der Abgaskomponente verhindert. Kann die Gemischbildung
nicht so eingestellt werden, dass die Abgaskomponente den Grenzwert
unterschreitet, so wird das Verfahren nach n Durchläufen abgebrochen.
-
In
einer Ausführungsform
regelt die Reglereinheit nach Maßgabe der Reglereingangsgrößen eine
Art der Zuführung,
eine Dauer und/oder eine Menge der Kraftstoff- oder Gemischzufuhr,
eine Abgaszumischung und/oder einen Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine.
Auf diese Weise sind viele unter schiedliche Steuerungsmöglichkeiten
gegeben, die geeignet sind, unterschiedliche Gemischbildungsvarianten
darzustellen.
-
Der
Kraftstoff oder das Gemisch kann getaktet zugeführt werden. Die Durchmischung
im Brennraum kann dadurch erhöht
werden, dass ein erster Kraftstoffstrahl (Voreinspritzmenge) am
Kolbenboden (Z.B. an einem Prallelement) reflektiert wird und mit
einem entgegenkommenden zweiten Kraftstoffstrahl (Haupteinspritzmenge)
kollidiert. Bei der Kollision beider Kraftstoffstrahlen wird der
gesamte Kraftstoff zerstäubt.
-
Die
getaktete Zufuhr kann auch eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr/Gemischzufuhr
im Schubbetrieb und/oder bei Verzögerung des Fahrzeugs beinhalten.
Dies spart Kraftstoff und verringert die Abgasemissionen.
-
Bevorzugt
ist vorgesehen, dass eine Änderung
des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine, die über einen Toleranzbereich hinausgeht,
einen Neustart des Verfahrens auslöst. Damit wird sichergestellt,
dass immer auf den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
hin optimiert wird. Jeder Betriebspunkt hat andere Kennwerte. Auf
diese Weise arbeitet das Verfahren immer mit den Kennwerten des
aktuellen Betriebspunktes.
-
Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung sowie der Zeichnung. Im Folgenden wird ein Ausführungsform
anhand der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt:
-
Fig.
Einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf
eine schematisiert dargestellte Brennkraftmaschine.
-
Dabei
sind in der Fig. auch die zur Datenerfassung, zur Datenverarbeitung
und zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehenen Bauteile sowie deren Verknüpfungen
miteinander schematisch dargestellt.
-
Die
in der Fig. schematisiert dargestellte Brennkraftmaschine weist
einen Brennraum 1 auf, der durch einen Zylinder 2 und
einen Kolben 3 begrenzt wird. Im Brennraum 1 kann
eine Zünd- oder Glühkerze 19 vorgesehen
sein. Der Brennraum 1 ist mit einem Einlasskanal 4 und
einem Auslasskanal 5 verbunden. Über den Einlasskanal 4 gelangt
Verbrennungsluft oder ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Kraftstoff
in den Brennraum 1. Der Brennraum 1 ist gegenüber dem
Einlasskanal 4 und mit einem Einlassventil 7 verschließbar.
-
In
der in der Fig. dargestellten Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine
mit einer äußeren Gemischbildung
ausgestattet. Die in der Fig. dargestellte Vorrichtung zur äußeren Gemischbildung weist
zwei unterschiedliche Gemischbildungsbereiche 36, 37 und 38, 39 auf.
-
Die äußere Gemischbildungsvorrichtung kann
beispielsweise eine Einspritzdüse
aufweisen. Diese kann beispielsweise den Kraftstoff quer zur Strömungsrichtung
einbringen. Die Zufuhr kann getaktet erfolgen. Der Kraftstoffstrom
wird bevorzugt in flüssiger
oder gasförmiger
Form im Eintrittsbereich des Einlasskanals 4 in den Brennraum 1 dem
Verbrennungsluftstrom zugeführt.
-
In
der in der 1 dargestellten Ausführungsform
einer äußeren Gemischbildung
wird ein Kraftstoffstrom über
mindestens eine Zufuhröffnung 38, 39 in
einem Abstand zum Einlassventil 7 dem Verbrennungsluftstrom
zugeführt.
Ein weiterer Kraftstoffstrom wird über mindestens eine Zufuhröffnung 36, 37 in
der Nähe
des Einlassventils 7 zugeführt. Jeder der beiden Kraftstoffströme kann
aus mehreren Teilströmen
zusammengesetzt sein.
-
In
einer besonders günstigen
Ausführungsform
wird mindestens einer der Kraftstoffströme über eine Vielzahl von Zufuhröffnungen 38, 39 oder 36, 37 zugeführt, die
ringförmig
auf dem Umfang des Einlasskanals 4 verteilt sind.
-
Die
Gemischbildung kann aber auch durch innere Gemischbildung erfolgen.
In diesem Fall spritzt ein (nicht dargestellter) Injektor Kraftstoff
direkt in den Brennraum 1.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind sowohl eine innere Gemischbildung als auch eine äußere Gemischbildung
vorgesehen. Damit ist es möglich,
die Gemischbildung von ausschließlich innerer Gemischbildung
bis hin zu ausschließlich äußerer Gemischbildung
kontinuierlich zu variieren. Zusätzlich
können
noch Stellgrößen wie
Massendurchsatz, Druck, Drall, Ort und Richtung der äußeren und
der inneren Kraftstoff-, Gemisch- oder Abgaszufuhr unabhängig von
einander von der Reglereinheit 15 über Stellgrößen angesteuert werden. Damit
ist eine hohe Variabilität
der Gemischbildung gegeben. Insbesondere ist es damit möglich, eine
momentane Aufteilung zwischen innerer und äußerer Gemischbildung mit der
Maßgabe
vorzunehmen, Verbrauch und Emissionen zu minimieren. Weiterhin kann
eine zeitlich und örtlich
definierte Zugabe von Gemischbestandteilen im Einlasskanal dazu
benutzt werden, um die Brennraumladung zu gestalten. Insbesondere kann
ein Drall erzeugt werden. Beispielsweise kann dem Einlasskanal rückgeführtes Abgas
derart mit einem Drall zugeführt
werden, dass sich das Abgas im Brennraum an die Kolbenwand anlegt
und das ebenfalls zugeführte
zündfähige Gemisch
stark durchmischt und in die Mitte des Brennraums verdrängt wird.
-
Durch
den Auslasskanal 5 werden die bei der Verbrennung im Brennraum 1 entstehenden
Abgase über
eine Abgasanlage 6 an die Umgebung abgeführt. Der
Brennraum 1 ist gegenüber
dem Auslasskanal 5 mit einem Auslassventil 8 verschließbar. In der
dargestellten Ausführungsform
weist die Abgasanlage 6 einen Katalysator 9 und
Sensoren 10–14 zur
Erfassung von Abgaskomponenten auf. In der in der Fig. dargestellten
Ausführungsform
sind die Sensoren 10–14 hinter
dem Katalysator 9 angeordnet. Dabei handelt es sich in
der dargestellten Ausführungsform
um Sensoren 10–14 für NOX, HC, CO, CO2 und
Partikel. Die Sensoren sind jeweils mit einer Auswerte-, Steuer-
und Regeleinheit 15 verbunden, die im Folgenden als Reglereinheit 15 bezeichnet
wird.
-
Ebenfalls
mit der Reglereinheit 15 verbunden ist eine Fahrerwunscherfassung 16.
Ein typisches Beispiel für
eine solche Fahrerwunscherfassung 16 ist die dargestellte
Ermittlung der Fahrpedalstellung und eines sich daraus ergebenden
gewünschten
Motordrehmomentes Msoll als Fahrerwunsch.
In der dargestellten Ausführungsform
werden als Ist-Parameter der Brennkraftmaschine die aktuelle Drehzahl 17 und
die Temperatur 18 der Brennkraftmaschine erfasst und der
Reglereinheit 15 zugeführt.
Aus der Fahrerwunscherfassung 16 und den Ist-Parametern 17, 18 der
Brennkraftmaschine ermittelt die Reglereinheit 15 den aktuellen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
-
Die
Information über
den aktuellen Betriebspunkt und die aktuellen Werte der erfassten
Abgaskomponenten 10–14 werden
von der Reglereinheit 15 als Eingangsgrößen an den Schritt 20 des
erfindungsgemäßen Verfahrens
weitergeleitet.
-
In
Schritt 20 wird eine erste Abgaskomponente A mit einem
zugeordneten Grenzwert GA verglichen. Wird
der Grenzwert GA nicht überschritten, so geht das Verfahren
zu Schritt 23 über
und eine nächste
Abgaskomponente B wird überprüft.
-
Wird
jedoch der Grenzwertes GA durch die Abgaskomponente
A überschritten,
so werden in einem nächsten
Schritt 21 in Abhängigkeit
vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld
Kenngrößen als
Reglereingangsgrößen RA ausgewählt.
Die Reglereingangsgrößen RA werden an die Reglereinheit 15 weitergeleitet.
-
In
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
die Reglereingangsgrößen RA zusätzlich
abhängig
von dem Abstand zwischen GA und A ausgewählt werden.
-
Die
Reglereinheit 15 regelt die Gemischbildung der Brennkraftmaschine
(und ggf. auch den Zündzeitpunkt)
nach Maßgabe
der Reglereingangsgrößen RA. Einzelheiten dazu werden zu einem späteren Zeitpunkt
dargestellt.
-
In
der in 1 dargestellten Ausführungsform wird in einem Schritt 22 ein
zu Beginn des Verfahrens auf Null gesetzter Zähler um eins erhöht. Ist der
Wert im Zähler
kleiner als ein vorgegebener Wert n, so kehrt das Verfahren zu Schritt 20 zurück.
-
Übersteigt
der Wert im Zähler
den Wert n, so geht das Verfahren zu Schritt 23 über.
-
Als
erste zu regelnde Abgaskomponente A ist bei einem Ottomotor HC besonders
geeignet. Bei einem Dieselmotor ist NOX als
erste zu regelnde Abgaskomponente A zu bevorzugen.
-
Analog
zur Abgaskomponente A können auch
weitere Abgaskomponenten B bis Z zur Regelung der Gemischbildung
herangezogen werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Regelung
der Abgaskomponenten NOX, HC, CO, CO2, und Partikel vorgeschlagen. Die Reihenfolge
in der die Abgaskomponenten eingeregelt werden richtet sich nach
deren Bedeutung für
die Abgasreinhaltung.
-
In
dem in 1 dargestellten Ausführungsform wird zuerst die
NOX-Abgaskomponente gesenkt. Anschließend wird
analog zum NOX die HC-Abgaskomponente in
den Schritten 23–25 des Verfahrens
minimiert. Danach werden nach einander in den Schritten 26–28 des
Verfahrens die CO-Abgaskomponente und in den Schritten 29–31 des
Verfahrens die CO2-Abgaskomponente reduziert.
-
In
den Schritten 32–34 des
Verfahrens wird die Partikelmasse reduziert. Dazu wird in Schritt 32 überprüft, ob seit
dem Start der Partikelmessung eine Zeit Δt vergangen ist. Anschließend wird
im Verfahrensschritt 33 überprüft ob die in diesem Zeitraum
gesammelten Partikel einen oberen Grenzwert GP für die Partikelmasse überschreiten.
-
Dazu
kann beispielsweise die Massenerhöhung durch die Ansammlung von
Partikeln, die ein Partikelfilters in einem Zeitraum Δt erfährt, erfasst werden.
Liegt die Massenerhöhung
des Partikelfilters über
dem Grenzwert GP, so wird in einem Schritt 34 aus
einem Kennfeld Kenngrößen als
Reglereingangsgrößen RP ausgewählt.
Die Reglereingangsgrößen RP werden an die Reglereinheit 15 weitergeleitet.
-
Wird
der Grenzwert GP nicht überschritten, so wird das Verfahren
abgebrochen. Anstatt der Partikelmasse kann auch die Partikelzahl
oder die Verteilung der Partikelgrößen erfasst werden. Allerdings sind
hier die Messverfahren aufwändiger.
Auch bei Ottomotoren sind mittlerweile Messungen zu Partikeln im
Abgas technisch möglich.
Momentan wird vereinfachend der Druckverlust am Partikelfilter herangezogen,
um den momentanen Beladungszustand des Filters zu ermitteln.
-
Es
kann in einer Ausführungsform
vorgesehen sein, dass eine Optimierung einer nachgeordneten Abgaskomponente
(z.B. CO) nicht durchgeführt wird,
wenn dadurch eine oder mehrere der bereits optimierten Abgaskomponenten
(z.B. NOX, HC) über eine ihr zugeordnete Grenze
hinaus verschlechtert würden.
Diese Grenze muss nicht mit den Grenzen der Schritte 20, 23, 26, 29, 33 übereinstimmen.
-
Die
Reglereinheit 15 regelt den Betrieb der Brennkraftmaschine.
Dazu bildet die Reglereinheit 15 aus den ihr zugeführten Reglereingangsgrößen RA, RB, RCO,
RCO2, RP Stellgrößen zur
Gemischbildung der Brennkraftmaschine und zur Regelung des Zündzeitpunktes.
Dabei hängen
die Art und der Umfang der Regelung davon ab, wie die Gemischbildungsvorrichtungen
ausgebildet sind. Auch die Geometrie des Brennraums 1 hat
Einfluss. Geregelt werden typischerweise Massendurchsatz, Ort und
Richtung der Kraftstoff-, Gemisch- oder Abgaszufuhr, Druck, Drall und/oder
Zündzeitpunkt.
-
Zur
Senkung der Emissionen der verschiedenen Abgaskomponenten sind unterschiedliche Maßnahmen
nötig.
-
Soll
der NOX-Anteil im Abgas reduziert werden,
so muss dazu die Homogenität
des Gemisches im Brennraum 1 verbessert werden. Dies kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die äußere Gemischbildung
durch frühzeitige
Turbulenz erhöhung
mittels Querimpulseintrag im Einlasskanal unterstützt wird.
Allgemein werden zur Senkung des NOX-Wertes
unter Zuhilfenahme der äußeren Gemischbildung
und ggf. der inneren Gemischbildung der Querimpuls und der Ladedruck
im Brennraum 1 erhöht
und die Strömungsrichtung
beeinflusst.
-
Im
Teillastbereich ist die innere Gemischbildung drehzahlabhängig. Geeignete
Stellgrößen sind hier
der Einspritzdruck und der Zündzeitpunkt.
-
Soll
der HC-Anteil im Abgas reduziert werden, so ist eine verbesserte
Abschirmung des Feuerstegs des Kolbens 3 und der ölbedeckten
Wände des Brennraums 1 gegenüber dem
Gemisch im Brennraum 1 anzustreben. Dazu wird unter zu
Hilfenahme der äußeren und
inneren Gemischbildung im Brennraum 1 eine Drehströmung ohne
Impuls nach innen erzeugt, welcher Abgas zugegeben wird. Damit wird an
den Wänden
des Kolbens 3 eine Schutzschicht aus Abgas gebildet, die
das Verbrennungsgemisch von den Wänden fernhält. Stellgrößen sind hier der Drall und
die Menge der Abgaszumischung.
-
Im
Teillastbereich ist zur HC-Reduzierung der Einspritzdruck der inneren
Gemischbildung zu erhöhen,
damit eine bessere Kraftstoffzerstäubung mit kleineren Tröpfchen und
damit größerer Oberfläche erfolgt.
-
Wird
eine Überschreitung
des CO-Grenzwertes festgestellt, so werden aus dem zugehörigen Kennfeld
anhand des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die Reglereingangsgrößen mit
dem Ziel ausgewählt,
den Turbulenzgrad des Brenngemisches im Brennraum 1 anzuheben.
Dazu wird beispielsweise der Querimpuls im Einlasskanal 4 so
geregelt, dass der Impulseintrag über den Umfang des Einlasskanals 4 erfolgt.
Stellgrößen sind dabei
der Sauerstoffgehalt (z.B. bei hohen Abgasrückführungsraten) und der Ladedruck.
-
Im
Teillastbereich ist die Stellgröße zur CO-Reduzierung
der Einspritzdruck der inneren Gemischbildung. Ziel ist dabei eine
bessere Kraftstoffzerstäubung
mit kleineren Tröpfchen.
-
Eine
CO2-Regelung wird bevorzugt erst dann durchgeführt, wenn
die Regelung von NOx, HC und CO abgeschlossen
ist. Das Regelungsziel ist dabei eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs.
Stellgröße der Regelung
ist der Zündzeitpunkt
bzw. der Einspritzzeitpunkt. Dies gilt auch für den Teillastbereich.
-
Für eine Reduzierung
der Partikelmasse dienen üblicherweise
der Ladedruck und der Sauerstoffgehalt im Brennraum 1 als
Stellgrößen.