DE102005032623A1 - Cylinder selective soot and nitrogen oxide emission method for diesel internal combustion engine involves selecting perimeters and determining emission during combustion process by means of multiple input single output model - Google Patents

Cylinder selective soot and nitrogen oxide emission method for diesel internal combustion engine involves selecting perimeters and determining emission during combustion process by means of multiple input single output model Download PDF

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Abstract

The method involves selecting parameters, described by given number of combustion processes, so that they show heat rate (dQH) and fluid mixture composition of combustion process. Soot and nitrogen oxide (NOx) emission of combustion process of a cylinder is then determined from these measured parameter values during combustion process by means of multiple input single output (MISO) model. An independent claim is also included for the use of the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der zylinderselektiven Ruß- und NOx-Emissionen einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie den Einsatz des Verfahrens bei der Motorsteuerung und/oder bei der Steuerung der Abgasreinigung.The The invention relates to a method for determining the cylinder-selective Soot and NOx emissions of a Diesel engine according to the preamble of claim 1 and the use of the method in the engine control and / or in the Control of exhaust gas purification.

Der Anteil der PKW mit verbrauchsarmem DI-Dieselmotor an den Neuzulassungen liegt in Deutschland bei rund 40 % und ist weiter steigend. Um diesen Trend auch unter zukünftigen anspruchsvollen Emissionsstandards beizubehalten oder sogar forcieren zu können, wird intensiv nach Maßnahmen zur Senkung der besonders bedeutsamen Partikel- und NOx-Emissionen geforscht. Insbesondere innermotorische Maßnahmen rücken in den Fokus der Aggregateforschung, da sich eine aktive Abgasnachbehandlung zumeist negativ auf die Herstellungskosten und den Verbrauch auswirkt. Die sich abzeichnende Verfügbarkeit kostengünstiger Zylinderdrucksensoren sowie leistungsstarke Prozessortechnik ermöglichen die Ablösung der kennfeldgeführten Steuerung der Verbrennung durch eine Regelung auf Basis von Brennraumfunktionen, wie beispielsweise des Zylinderdrucks. Vorteile einer solchen zylinderdruckbasierten Motonegelung, bei der jeder Zylinder mit einem Zylinderdrucksensor ausgestattet ist, sind der Ausgleich fertigungs- und alterungsbedingter Störeinflüsse auf die Verbrennung, ein Gleichstellen der Verbrennung in den einzelnen Zylindern sowie ein deutlich verminderter Applikations- und Diagnoseaufwand.Of the Proportion of passenger cars with low-consumption DI diesel engine on new registrations is around 40% in Germany and is still rising. To this Trend also among future ones to maintain or even accelerate demanding emission standards to be able to will be intense after action to reduce the most significant particulate and NOx emissions. In particular internal engine measures move in the focus of aggregate research, as is an active exhaust aftertreatment mostly negative impact on manufacturing costs and consumption. The looming availability cost-effective cylinder pressure sensors as well as powerful processor technology enable the replacement of the map-out Control of combustion by a control based on combustion chamber functions, such as the cylinder pressure. Advantages of such a cylinder pressure-based Motoneregelung, in which each cylinder with a cylinder pressure sensor equipped, the compensation is production and aging Disturbing influences the combustion, an equalization of combustion in the individual Cylinders and a significantly reduced application and diagnostic effort.

Eine weitere interessante Maßnahme zur Senkung der Ruß- und NOx-Emission stellt die Motorregelung auf Basis der Emissionen dar, ein so genannter geschlossener Regelkreis, auch als closed-loop-control bezeichnet. Für eine derartige Regelung ist ein mathematisches Modell erforderlich, welches basierend auf Informationen aus dem Brennraum die Ruß- und NOx-Emissionen in Echtzeit berechnet.A another interesting measure to reduce soot and NOx emission provides engine control based on emissions is a so-called closed loop, also referred to as closed-loop control. For one such regulation requires a mathematical model which Based on information from the combustion chamber, the soot and NOx emissions in real time calculated.

Die Ruß- und NOx-Emissionen hängen von lokalen Parametern wie z.B. dem lokalen Kraftstoff-/Luftverhältnis oder von der maximalen Flammentemperatur ab. Diese Größen sind jedoch nur mit spezieller Messtechnik zu ermitteln und daraus gewonnene Modelle sind nicht zufrieden stellend. Weiterhin ist bekannt, dass einzelne globale Größen keinen Einfluss auf die Emissionen haben. Es ist beispielsweise nicht möglich, allein aufgrund der globalen Gastemperatur eine Aussage über die Höhe der NOx-Emissionen zu treffen.The Soot and Hang NOx emissions of local parameters, e.g. the local fuel / air ratio or from the maximum flame temperature. These sizes are only with special Measuring technology to be determined and derived models are not satisfactory. Furthermore, it is known that individual global No sizes Have an influence on the emissions. It is not possible, for example, solely because of the global gas temperature to make a statement about the level of NOx emissions.

Aus A. Opalinski, M. Willmann, "Zusammenhänge der globalen thermodynamischen Größen mit den Ruß- und NOx-Emissionen beim TDI-Motor", Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors (9. Tagung), Univ. Prof. Dr. H. Eichlseder, VKM-THD Mitteilungen Heft 83, Graz 2003, S. 135–148, sind zwei 0-dimensionale Modelle bekannt, bei denen die Ruß- und NOx-Emissionen mit Hilfe von sechs charakteristischen Parametern, welche die Brennrate und die Gemischzusammensetzung beschreiben, vorausberechnet werden. Nachteilig ist, dass die bekannten Modelle nur in einem kleinen Betriebsbereich anwendbar und validierbar sind. Zudem ist eine echtzeitfähige Berechnung der Brennrate nach dem heutigen Stand der Technik nicht möglich. Ferner basiert die Brennrate auf Annahmen zum Wandwärmeübergang, die nur schwer und ungenau verifiziert werden können. Fehleinschätzungen der Wandwärmeverluste, die bis zu 15% bis 20% der eingesetzten Energie betragen können, wirken sich in deutlich zu hoch berechneten NOx-Emissionen aus.Out A. Opalinski, M. Willmann, "Relationships of with global thermodynamic sizes the soot and NOx emissions in the TDI engine ", The working process of the internal combustion engine (9th session), Univ. Prof. Dr. H. Eichlseder, VKM-THD Messages Issue 83, Graz 2003, pp. 135-148, Two 0-dimensional models are known in which the soot and NOx emissions with the help of of six characteristic parameters, the burning rate and describe the mixture composition, can be predicted. The disadvantage is that the known models only in a small Operating area are applicable and validatable. In addition, a real-time calculation The burning rate according to the current state of the art not possible. Further based the firing rate on assumptions for wall heat transfer, which is difficult and can be verified inaccurately. misperceptions the wall heat losses, which can be up to 15% to 20% of the energy used, act result in significantly over-calculated NOx emissions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der zylinderselektiven Ruß- und NOx-Emissionen einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem deutlich größeren Betriebsbereich sowie den Einsatz des Verfahrens bei der Motorsteuerung und/oder bei der Steuerung der Abgasreinigung zu schaffen. Im Besonderen sollen unterschiedliche Einspritzstrategien (ohne/mit Voreinspritzung), verschiedene Einspritzsysteme (Pumpe-Düse, Common-Rail, Amplified-Piston Common Rail), eine Variation der Ladungsbewegung (vollvariabler Ventiltrieb) sowie verschiedene Brennverfahren (homogene, teilhomogene und heterogene Verbrennung) von dem Verfahren einbezogen werden und es soll weiterhin auf verschiedene Motorkonfigurationen (unterschiedliche Hubräume, Anzahl der Zylinder, etc.) anwendbar sein.Of the The invention is therefore based on the object, a method for determining the cylinder-selective soot and NOx emissions of a diesel engine with a significant larger operating range and the use of the method in the engine control and / or to create in the control of the exhaust gas purification. In particular should different injection strategies (without / with pre-injection), various injection systems (pump-nozzle, common rail, amplified piston Common Rail), a variation of the charge motion (fully variable Ventiltrieb) as well as different combustion processes (homogeneous, partially homogeneous and heterogeneous combustion) from the process and it should continue to different engine configurations (different displacements, Number of cylinders, etc.).

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch die Verwendung des Verfahrens bei der Motorsteuerung und/oder bei der Steuerung der Abgasreinigung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Verwendung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is solved by a method having the features of claim 1, and by the use of the method in the engine control and / or at the control of the exhaust gas purification with the features of the claim 11. Preferred embodiments of the method and use of the method are the subject of the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der zylinderselektiven Ruß- und NOx-Emissionen einer Dieselbrennkraftmaschine werden mit Hilfe einer vorgegebenen Anzahl von den Verbrennungsprozess beschreibenden Parametern die Ruß- und NOx-Emissionen der Dieselbrennkraftmaschine berechnet, wobei die Parameter so gewählt werden, dass sie die Heizrate und die Gemischzusammensetzung des Verbrennungsprozesses wiedergeben, und aus den während eines Verbrennungsprozesses bestimmten Parameterwerten die Ruß-Emission und NOx-Emission des Verbrennungsprozesses eines Zylinders mittels jeweils eines MISO-Modells (Multiple Input – Single Output) berechnet werden.In the inventive method for determining the cylinder-selective soot and NOx emis For example, in a diesel engine, the soot and NOx emissions of the diesel engine are calculated using a predetermined number of parameters describing the combustion process, the parameters being selected to reflect the heating rate and mixture composition of the combustion process, and those determined during a combustion process Parameter values the soot emission and NOx emission of the combustion process of a cylinder by means of a MISO model (Multiple Input - Single Output) are calculated.

Vorzugsweise ist die Anzahl der verwendeten Parameter größer oder gleich vier und kleiner oder gleich acht. Insbesondere werden sechs Parameter zur Beschreibung der Heizrate bzw. deren Verlaufs und der Gemischzusammensetzung verwendet.Preferably the number of parameters used is greater than or equal to four and less or eight. In particular, six parameters are used for description the heating rate or its course and the mixture composition used.

Vorzugsweise werden die folgenden, die Heizrate und die Gemischzusammensetzung beschreibenden Parameter zur Berechnung der Ruß- und NOx-Emission eines Zylinders verwendet:

  • a) der Zündverzug τzv,
  • b) der Anstieg der Heizrate α1
  • c) der Abfall der Heizrate α2,
  • d) der maximale Verbrennungsdruckanstieg dpmax oder die Schwerpunktlage der Verbrennung Ai50%
  • e) der Sauerstoffgehalt im Abgas O2 oder das Luft/Kraftstoffverhältnis λ, und
  • f) das Verhältnis der Luftmasse zur gesamten Gasmasse ml/mg,
wobei die Parameter a) bis d) die Heizrate und die Parameter e) und f) die Gemischzusammensetzung betreffen.Preferably, the following parameters describing the heating rate and the mixture composition are used to calculate the soot and NOx emissions of a cylinder:
  • a) the ignition delay τ zv ,
  • b) the increase of the heating rate α 1
  • c) the drop in the heating rate α 2 ,
  • d) the maximum combustion pressure increase dp max or the center of gravity of combustion Ai 50%
  • e) the oxygen content in the exhaust gas O2 or the air / fuel ratio λ, and
  • f) the ratio of the air mass to the total gas mass m l / m g ,
wherein the parameters a) to d) relate to the heating rate and the parameters e) and f) the mixture composition.

Bei der Auswahl der Parameter muss darauf geachtet werden, dass für alle Parameter sowohl mit den Ruß- als auch mit den NOx-Emissionen ein physikalischer Zusammenhang besteht, so dass für das Ruß- als auch das NOx-Modell die gleichen Parameter verwendet werden können. Mit steigender Anzahl der Parameter werden die Ruß- und NOx-Emissionen einerseits immer besser abgebildet, andererseits nimmt die Komplexität und die Rechenzeit der Modelle zu und es kommt zu einem Overfitting. Die Verwendung von sechs Parametern ergibt den optimalen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenzeit.at the choice of parameters must be taken to ensure that for all parameters both with the soot as well as with the NOx emissions a physical connection exists, so for the soot as well as the NOx model the same parameters are used can. As the number of parameters increases, soot and NOx emissions become on the one hand always better represented, on the other hand takes the complexity and the Calculation of the models and it comes to an overfitting. The Using six parameters gives the optimal compromise between accuracy and computing time.

Eine genaue Erläuterung bzw. Definition der genannten Parameter oder Kenngrößen erfolgt im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeichnen sich die Parameter dadurch aus, dass sie im Rahmen zukünftiger Motorkonzepte auch im Fahrzeugbetrieb ermittelt werden können.A exact explanation or definition of said parameters or parameters takes place in connection with the figures. This is where the parameters stand out by assuming that they are within the framework of future engine concepts as well can be determined during vehicle operation.

Insbesondere kann als MISO-Modell ein Polynom oder ein neuronales Netz eingesetzt werden.Especially For example, a polynomial or a neural network can be used as the MISO model become.

Vorzugsweise kann das MISO-Modell für die Ruß-Emission auch durch einen Potenzproduktansatz der oben genannten Parameter gebildet werden, wobei jeder Parameter mit einem Exponenten e1 bis e6 versehen ist und der Potenzproduktansatz noch einen konstanten Term K1 aufweist.Preferably can the MISO model for the soot emission also by a potency product approach of the above parameters be formed, each parameter with an exponent e1 to e6 is provided and the potency product approach still a constant Term K1.

Gleiches kann für die NOx-Emission durchgeführt werden, Auch hier wird vorzugsweise das MISO-Modell für die NOx-Emission durch einen Potenzproduktansatz der oben genannten, die Heizrate des Verbrennungsprozess beschreibenden Parameter gebildet, wobei jeder Parameter mit einem Exponenten f1 bis f6 versehen ist und der Potenzproduktansatz noch einen konstanten Term K2 aufweist.The same can for the NOx emission carried out Here, too, preference is given to the MISO model for NOx emission by a potency product approach of the above, the heating rate formed parameters describing the combustion process, wherein each parameter is provided with an exponent f1 to f6 and the power product approach still has a constant term K2.

Es ergeben sich daher die folgenden Formeln zur Berechnung der Ruß- und NOx-Emissionen:

Figure 00040001
wobei hier die Schwerpunktlage der Verbrennung und das Verbrennungsluftverhältnis in den Formeln 1 und 2 angegeben ist. Es kann stattdessen auch das Maximum des Zylinderdruckanstiegs und/oder der Sauerstoffgehalt verwendet werden, was zu den folgenden Formeln führt:
Figure 00040002
Therefore, the following formulas are available for the calculation of soot and NOx emissions:
Figure 00040001
Here, the center of gravity of the combustion and the combustion air ratio is given in the formulas 1 and 2. Instead, the maximum of the cylinder pressure rise and / or the oxygen content may also be used, resulting in the following formulas:
Figure 00040002

Vorzugsweise werden die Exponenten e1 bis e6 bzw. f1 bis f6 sowie die Konstanten K1 bzw. K2 nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus einer vorgegebenen Anzahl von Messungen ermittelt. Zur Bestimmung der Exponenten und der Konstanten können daher Prüfstandsmessungen in verschiedenen Kennfeldpunkten durchgeführt werden. Insbesondere kann die Auswahl der Kennfeldpunkte mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung erfolgen.Preferably become the exponents e1 to e6 and f1 to f6 and the constants K1 or K2 according to the least squares method from a predetermined number of measurements determined. To determine the Exponents and the constants can therefore test bench measurements be performed in different map points. In particular, can the selection of the map points with the methods of statistical Experimental design.

Vorzugsweise werden die Exponenten und die Konstante für die Ruß-Emission und die Exponenten und die Konstante für die NOx-Emission für eine mehrzylindrische Dieselbrennkraftmaschine als Mittelwerte der einzelnen Zylinder gebildet, wobei die Werte für verschiedene Dieselbrennkraftmaschinen verschieden sind.Preferably are the exponents and the constant for the soot emission and the exponents and the constant for the NOx emission for a multi-cylinder diesel engine as averages of formed individual cylinder, the values for various diesel internal combustion engines are different.

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren findet vorzugsweise Verwendung in einem Motorsteuergerät einer Dieselbrennkraftmaschine zur Echtzeitberechnung der Ruß- und/oder NOx-Emissionen.The method according to the invention described above is preferably used in an engine control unit Diesel engine for real-time calculation of soot and / or NOx emissions.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer On-board-Diagnose der Dieselbrennkraftmaschine aufgrund der ermittelten Ruß- und NOx-Emissionen eingesetzt werden.Further can the inventive method to carry out an on-board diagnosis of the diesel engine due to determined soot and NOx emissions are used.

Ferner können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Ruß- und NOx-Emissionen als Führungsgrößen zur Bestimmung des rückgeführten Abgases bei Abgasrückführsystemen verwendet werden.Further can with the method according to the invention calculated soot and NOx emissions as a guide to Determination of recirculated exhaust gas in exhaust gas recirculation systems be used.

Insbesondere können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten NOx-Emissionen als Führungsgrößen für die Dosieranlagen von SCR-Katalysatoren verwendet werden.Especially can with the method according to the invention calculated NOx emissions as reference variables for the dosing systems used by SCR catalysts.

Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung der berechneten Ruß-Emissionen als Führungsgrößen zur Bestimmung des Regenerationszeitpunktes bei Dieselpartikelfiltern.One Another preferred application of the method according to the invention is the use of the calculated soot emissions as a guide to Determination of the regeneration time for diesel particulate filters.

Durch die Verwendung als "virtuelle Sensoren" können die oben erläuterten Modelle reale Ruß- und NOx-Sensoren ersetzen und so erheblich zu einer Reduzierung der Herstellungskosten eines Fahrzeugs beitragen.By the use as a "virtual Sensors "can the explained above Models real soot and NOx sensors replace and so significantly reduce the cost of production contribute to a vehicle.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgende anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigtA preferred embodiment The invention is explained below with reference to the drawings. there shows

1 die Heizrate eines Verbrennungsprozesses als Funktion des Kurbelwinkels, und 1 the heating rate of a combustion process as a function of the crank angle, and

2 den entsprechenden Heizverlauf. 2 the corresponding heating process.

1 zeigt einen typischen Verlauf der Heizrate dQH in J/°KW eines Verbrennungsprozesses in einem Zylinder einer Dieselbrennkraftmaschine als Funktion des Kurbelwinkels KW in Grad. Die Einspritzphase oder Einspritzdauer, während der der Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird, ist in 1 symbolisch durch den mit E bezeichneten Balken dargestellt. Die Einspritzphase E beginnt in diesem Beispiel bei einem Kurbelwinkel von ca. –9° und ist bei einem Winkel von ca. –5° abgeschlossen. Es kommt bis zu dem tatsächlichen Einsetzen der Verbrennung zu einem Zündverzug ZV und bei einem Winkel von ca. 5° setzt in diesem Beispiel die Verbrennung ein. Dieser Punkt wird als Brennbeginn BG bezeichnet. Die durch die Verbrennung erzeugte Heizrate ist in 1 durch den Graphen 1 wiedergegeben, wobei die Heizrate nach Brennbeginn nach der Verbrennung der Piloteinspritzmenge stark ansteigt und nach der maximalen Heizrate dQHmax wieder bis auf Null am Brennende BE abfällt. Die drei Punkte Brennbeginn BG, maximale Heizrate dQHmax und Brennende BE definieren ein den Graphen I der Heizrate umschließendes Dreieck mit den Winkeln α1 und α2, die ebenfalls als Parameter zur Beschreibung der Heizrate verwendet werden. 1 shows a typical course of the heating rate dQ H in J / ° KW of a combustion process in a cylinder of a diesel engine as a function of the crank angle KW in degrees. The injection phase or injection period during which the fuel is introduced into the cylinder is in 1 symbolically represented by the bar labeled E. The injection phase E begins in this example at a crank angle of about -9 ° and is completed at an angle of about -5 °. It comes to the actual onset of combustion to an ignition delay ZV and at an angle of about 5 ° starts in this example, the combustion. This point is referred to as start of burning BG. The heating rate generated by the combustion is in 1 represented by the graph 1, wherein the heating rate increases sharply after the start of combustion after the combustion of the pilot injection quantity and after the maximum heating rate dQHmax drops again to zero at the burning BE. The three points start of combustion BG, maximum heating rate dQHmax and burning end BE define a triangle enclosing the graph I of the heating rate with the angles α1 and α2, which are also used as parameters for describing the heating rate.

2 zeigt den Heizverlauf Q, dargestellt als Graphen II, wobei der Heizverlauf Q durch das Integral der Heizrate dQH über den Kurbelwinkel KW gebildet wird. Der Graph II des Heizverlaufs weist den Brennbeginn BG auf, der in 2 durch den Punkt QHmin definiert ist, bei dem der integrale Heizverlauf sein globales Minimum aufweist. Weiterhin zeigt die Kurve II den 50%-Umsatzpunkt U der Verbrennung, dem die Schwerpunktlage der Verbrennung Ai50% zugeordnet ist, welches der Kurbelwinkel ist, bei dem 50% der Spanne zwischen globalem Minimum und globalem Maximum des integralen Heizverlaufs überschritten wird. Schließlich ist der Kurve II das Brennende BE zu entnehmen, dem der Punkt Ai95% zugeordnet ist, welcher der Kurbelwinkel ist, bei dem 95% der Spanne zwischen globalem Minimum und globalem Maximum überschritten wird. 2 shows the heating curve Q, shown as graph II, wherein the heating curve Q is formed by the integral of the heating rate dQH on the crank angle KW. The graph II of the heating curve has the start of burning BG, which in 2 is defined by the point QHmin where the integral heating history has its global minimum. Further, the curve II shows the combustion 50% boost point U associated with the Ai50% combustion center of gravity, which is the crank angle at which 50% of the span between the global minimum and the global integral heating maximum is exceeded. Finally, curve II shows the Burning BE, which is assigned the point Ai95%, which is the crank angle at which 95% of the span between global minimum and global maximum is exceeded.

Die folgenden Ausführungen dienen zur Erläuterung und Definition der in 1 und 2 verwendeten Kenngrößen und Parameter zur Beschreibung der Heizrate:

  • α1: Die Größe α1 beschreibt den Winkel zwischen dem Brennbeginn BG und der maximalen Heizrate dQHmax. Für den Brennbeginn können verschiedene Definitionen verwendet werden, beispielsweise: a) Kurbelwinkel, bei dem der integrale Heizverlauf sein globales Minimum aufweist (QHmin), b) Kurbelwinkel, bei dem 5 % der Spanne zwischen globalem Minimum und globalem Maximum des integralen Heizverlaufsüberschritten werden (Ai 5% Wert), c) Kurbelwinkel, bei dem 85 % des Minimums im negativen Abschnitt des integralen Heizverlaufs überschritten werden, oder d) Kurbelwinkel, bei dem die Zylinderdruckdifferenz zwischen dem Zylinderdruck bei gefeuertem und geschlepptem Motor größer als 2 bar ist
The following explanations serve to explain and define the in 1 and 2 used parameters and parameters for the description of the heating rate:
  • α1: The variable α1 describes the angle between the start of combustion BG and the maximum heating rate dQHmax. Different definitions can be used for the start of combustion, for example: a) crank angle at which the integral heating curve has its global minimum (QHmin), b) crank angle at which 5% of the span between global minimum and global integral heating maximum is exceeded (Ai 5% value), c) crank angle exceeding 85% of the minimum in the negative portion of the integral heating history, or d) crank angle where the cylinder pressure difference between the cylinder pressure with the engine fired and towed is greater than 2 bar

Der Winkel α1 berechnet sich wie folgt:

Figure 00070001
mit:

dQHmax [J/°KW]:
maximale Heizrate
AdQHmax [°KW]:
Kurbelwinkel bei der maximalen Heizrate
Ai5% [°KW]:
Kurbelwinkel bei Brennbeginn,
wobei in der Formel (3) für den Brennbeginn die Definition b) verwendet wurde. Bei einer Verwendung der anderen Definitionen ist die Formel (3) entsprechend zu ändern.
  • α2: Der Parameter α2 beschreibt den Winkel zwischen der maximalen Heizrate dQHmax und dem Brennende: Für das Brennende können ebenfalls verschiedene Definitionen verwendet werden, beispielsweise: e) Kurbelwinkel, bei dem der integrale Heizverlauf sein globales Maximum aufweist, oder f) Kurbelwinkel, bei dem 95 % der Spanne zwischen globalem Minimum und globalem Maximum des integralen Heizverlaufsüberschritten werden (Ai 95% Wert).
The angle α1 is calculated as follows:
Figure 00070001
With:
dQHmax [Y / ° CA]:
maximum heating rate
AdQHmax [° CA]:
Crank angle at the maximum heating rate
Ai5% [° CA]:
Crank angle at the start of burning,
wherein in the formula (3) for the start of combustion, the definition b) was used. When using the other definitions, the formula (3) should be changed accordingly.
  • α2: The parameter α2 describes the angle between the maximum heating rate dQHmax and the end of combustion: Different definitions can also be used for the end of combustion, for example: e) crank angle, where the integral heating curve has its global maximum, or f) crank angle, at which 95% of the span between the global minimum and the global integral heating maximum is exceeded (Ai 95% value).

Der Winkel α2 berechnet sich aus 1 wie folgt:

Figure 00070002
mit:

dQHmax [J/°KW]:
maximale Heizrate
AdQHmax [°KW]:
Kurbelwinkel bei der maximalen Heizrate
Ai95% [°KW]:
Kurbelwinkel bei Brennende
The angle α2 is calculated 1 as follows:
Figure 00070002
With:
dQHmax [Y / ° CA]:
maximum heating rate
AdQHmax [° CA]:
Crank angle at the maximum heating rate
Ai95% [° CA]:
Crank angle at the end of combustion

Dabei ist in Formel (4) das Brennende nach Definition f) verwendet worden. Bei der Verwendung anderer Definitionen ist die Formel (4) entsprechend zu ändern.there in formula (4) the burning end according to definition f) has been used. When using other definitions, formula (4) is appropriate to change.

Ai50%: Die in 2 gezeigte Kenngröße Ai50% wird als Schwerpunktlage der Verbrennung bezeichnet. Es ist der Kurbelwinkel, bei dem 50 % der Spanne zwischen globalem Minimum und globalem Maximum des integralen Heizverlaufs Q überschritten werden. Anstelle der Schwerpunktlage kann in den Formeln zur Berechnung der Ruß- und NOx-Emissionen auch der maximale Verbrennungsdruckanstieg eingesetzt werden, wobei dann natürlich die entsprechenden Exponenten angepasst werden müssen.Ai50%: The in 2 characteristic Ai50% shown is called the center of gravity of the combustion. It is the crank angle at which 50% of the span between the global minimum and the global maximum of the integral heating curve Q is exceeded. Instead of the center of gravity, the formulas for calculating the soot and NOx emissions may also use the maximum increase in combustion pressure, in which case, of course, the corresponding exponents must be adjusted.

τzv: Der Zündverzug τzv beschreibt die Zeitspanne zwischen dem Einspritzbeginn SB und dem Brennbeginn BG. Verschiedene Definitionen für den Brennbeginn wurden oben genannt. Der Einspritzbeginn ist der Zeitpunkt, bei dem die ersten Kraftstofftröpfchen aus dem Injektor in den Brennraum eintreten. Da dieser Zeitpunkt ohne Messtechnik nur schwer mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen ist, wird als Ersatzgröße der elektrische Förderbeginn genommen. τzv = Ai5% – SBmit:

Ai 5% [KW]:
Kurbelwinkel bei Brennbeginn
SB [°KW]:
Kurbelwinkel bei Spritzbeginn oder elektrischer Förderbeginn
τ zv : The ignition delay τ zv describes the time span between the start of injection SB and the start of combustion BG. Different definitions for the start of firing have been mentioned above. The start of injection is the time at which the first droplets of fuel from the injector enter the combustion chamber. Since this point in time is difficult to determine with sufficient accuracy without measuring technology, the electrical start of delivery is taken as a substitute variable. τ zv = Ai5% - SB With:
Ai 5% [KW]:
Crank angle at the start of combustion
SB [° CA]:
Crank angle at start of injection or electrical start of delivery

λ: Das Verbrennungsluftverhältnis λ kann mit Hilfe einer im Abgasstrang angebrachten Lambdasonde ermittelt werden.λ: The combustion air ratio λ can with Help a mounted in the exhaust system lambda probe can be determined.

ml/mg: Das Verhältnis der Luftmasse zur gesamten Gasmasse ml/mg beschreibt ebenfalls die Gaszusammensetzung. Es ist eine Ersatzgröße für die AGR-Rate, da es keine seriennahe Lösung zu deren Ermittlung im Fahrzeugbetrieb gibt. Modelle zur Berechnung der AGR-Rate, die teilweise auch die interne AGR berücksichtigen, unterliegen einer deutlich aufwendigeren Rechenvorschrift.ml / mg: The relationship the air mass to the total gas mass ml / mg also describes the Gas composition. It is a substitute for the EGR rate since there is no close-to-production solution for their determination in vehicle operation. Models for calculation the EGR rate, which partly also takes into account the internal EGR, are subject to a much more complex calculation rule.

Die Luftmasse ml kann mit Hilfe eines Heißfilmluftmassenmessers (HFM) ermittelt werden.The Air mass ml can be measured with the aid of a hot film air flow meter (HFM) be determined.

Die Gesamtmasse mg lässt sich zum Beispiel näherungsweise mit der idealen Gasgleichung berechnen:

Figure 00090001
mit:

psaug [bar]:
Saugrohrdruck
VHub [m3]:
Hubvolumen
RL [J/(kgK)]:
Spezifische Gaskonstante
TSaug [K]:
Saugrohrtemperatur
For example, the total mass mg can be calculated approximately with the ideal gas equation:
Figure 00090001
With:
psaug [bar]:
Intake manifold pressure
VHub [m3]:
displacement
RL [J / (kgK)]:
Specific gas constant
TSaug [K]:
Intake manifold

Massenströme lassen sich dabei über die folgende Beziehung in Massen pro Arbeitsspiel und Zylinder umrechnen:

Figure 00090002
mit:

m [kg]:
Masse pro Arbeitsspiel und Zylinder
ṁ [kg/h]:
Gesamtmassenstrom
n [U/min]:
Drehzahl
a [–]:
Kurbelwellenumdrehungen je Arbeitsspiel
z [–]:
Zylinderzahl
Mass flows can be converted via the following relationship in masses per working cycle and cylinder:
Figure 00090002
With:
m [kg]:
Mass per working cycle and cylinder
ṁ [kg / h]:
Total mass flow
n [rpm]:
rotation speed
a [-]:
Crankshaft revolutions per working cycle
z [-]:
number of cylinders

In der Formel zur Berechnung von Ruß und NOx muss sowohl λ wie auch ml/mg enthalten sein, da das selbe Lambda entweder durch eine Änderung der Kraftstoffmenge oder der Menge an rückgeführtem Abgas erreicht werden kann, was unterschiedliche Auswirkungen auf die Emissionen hat.In The formula for calculating soot and NOx needs both λ and ml / mg, since the same lambda either by a change the amount of fuel or the amount of recirculated exhaust gas can be achieved can, which has different effects on emissions.

Wie im Vorangegangenen bereits erwähnt, kann anstelle der Schwerpunktlage der Verbrennung Ai50% auch das Maximum des Zylinderdruckanstieges dpmax und anstelle von von Lambda λ kann auch der Sauerstoffgehalt 02 im Abgas verwendet werden.As already mentioned above, instead of the center of gravity of the combustion Ai50%, the maximum of the cylinder pressure increase dp max and instead of lambda λ, the oxygen content 02 in the exhaust gas can also be used.

Um aus den oben genannten sechs Parametern die Emissionen zu berechnen, sind mehrere MISO-Modelle (Multiple Input – Single Output), wie z.B. Polynome oder Künstliche Neuronale Netze, vorstellbar. Vorteilhaft bei klassischen Polynomen ist neben ihrer großen Robustheit auch die gute Interpretierbarkeit, nachteilig ist allerdings die begrenzte Fähigkeit starke Nichtlinearitäten abzubilden. Neuronale Netze hingegen können gut solche Nichtlinearitäten abbilden, sind allerdings schwieriger zu interpretieren und neigen leichter zum Overfitting. Aus Gründen der geringen Komplexität, der kurzen Rechenzeit und der guten Interpretierbarkeit wurde hier ein Potenzproduktansatz gewählt, wobei die sechs Parameter mit Exponenten e1 bis e6 bzw. f1 bis f6 versehen wurden, die ein Indikator für die Richtung und die Stärke des Einflusses des Parameters darstellen. Die Exponenten werden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt. Jede Formel enthält noch eine Konstante K, die dazu dient, die unterschiedlichen Dimensionen anzugleichen.In order to calculate the emissions from the above six parameters, several MISO models (multiple input - single output), such as polynomials or artificial neural networks, are conceivable. In addition to its great robustness, the good interpretability of classical polynomials is advantageous. However, the limited ability to map strong nonlinearities is disadvantageous. Neural networks, on the other hand, are good at mapping such nonlinearities, but are more difficult to interpret and more likely to overfill. Because of the low complexity, the short computation time and the good interpretability, a power product approach was chosen here, whereby the six parameters were given exponents e1 to e6 and f1 to f6, which represent an indicator for the direction and magnitude of the influence of the parameter , The exponents are determined by the method of least squares. Each formula also contains a constant K, which serves to align the different dimensions.

Dies führt dann zu den oben bereits angegebenen Formeln 1 und 2 bzw. 1' und 2'.This then leads to the formulas 1 and 2 or 1 'and 2' already given above.

Zur Bestimmung der Exponenten und der Konstanten wurden an einem 1-Zylinder-Dieselmotor 200 Arbeitspunkte mit heterogener Verbrennung und weitem Spritzbeginn und AGR-Variation vermessen. Die Ergebnisse sind motorspezifisch und die Exponenten und Konstanten müssen für jeden Motor einmal ermittelt werden. Die Auswahl geeigneter Arbeitspunkte erfolgt vorteilhaft mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung.to Determination of the exponents and the constants were made on a 1-cylinder diesel engine 200 operating points with heterogeneous combustion and a long start of injection and measure AGR variation. The results are engine-specific and the exponents and constants must be determined once for each motor. The selection of suitable operating points is advantageously carried out with the Methods of statistical experimental design.

dQHdQh
Heizrateheating rate
dQHmaxdQHmax
maximale Heizratemaximum heating rate
QQ
Heizverlaufheat curve
ZVZV
Zündverzugignition delay
KWKW
Kurbelwinkelcrank angle
BGBG
Brennbeginncombustion start
Ee
EinspritzdauerInjection duration
BEBE
Brennendeburning
UU
50% Umsatzpunkt50% sales point
II
Graph der Heizrategraph the heating rate
IIII
Graph des Heizverlaufsgraph the heating process

Claims (16)

Verfahren zur Bestimmung der zylinderselektiven Ruß- und NOx-Emissionen einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei mit Hilfe einer vorgegebenen Anzahl von den Verbrennungsprozess beschreibenden Parametern die Ruß- und NOx-Emissionen der Dieselbrennkraftmaschine berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter so gewählt werden, dass sie die Heizrate und die Gemischzusammensetzung des Verbrennungsprozesses wiedergeben, und aus den während eines Verbrennungsprozesses bestimmten Parameterwerten die Ruß-Emission und NOx-Emission des Verbrennungsprozesses eines Zylinders mittels jeweils eines MISO-Modells berechnet werden.Method for determining the cylinder-selective soot and NOx emissions of a diesel internal combustion engine, wherein the soot and NOx emissions of the diesel internal combustion engine are calculated by means of a predetermined number of parameters describing the combustion process, characterized in that the parameters are selected such that they correspond to the Represent the heating rate and the mixture composition of the combustion process, and from the determined during a combustion process parameter values, the soot emission and NOx emission of the combustion process of a cylinder can be calculated by means of a MISO model. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Anzahl der Parameter vier bis acht beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the predetermined number of parameters is four to eight. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden, die Heizrate und die Gemischzusammensetzung beschreibenden Parameter zur Berechnung der Ruß- und NOx-Emission eines Zylinders verwendet werden: der Zündverzug τzv, der Anstieg der Heizrate α1 der Abfall der Heizrate α2, der maximale Verbrennungsdruckanstieg dpmax oder die Schwerpunktlage der Verbrennung Ai50% der Sauerstoffgehalt im Abgas O2 oder das Verbrennungsluftverhältnis λ, und das Verhältnis der Luftmasse zur gesamten Gasmasse ml/mgA method according to claim 2, characterized in that the following parameters describing the heating rate and the mixture composition are used to calculate the soot and NOx emissions of a cylinder: the ignition delay τ zv , the increase of the heating rate α1, the decrease of the heating rate α2, maximum combustion pressure increase dpmax or the center of gravity of the combustion Ai50% of the oxygen content in the exhaust gas O2 or the combustion air ratio λ, and the ratio of the air mass to the total gas mass ml / mg Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als MISO-Modell ein Polynom oder ein neuronales Netz eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that as a MISO model a polynomial or a neural Network is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das MISO-Modell für die Ruß-Emission durch einen Potenzproduktansatz der Parameter gebildet wird, wobei jeder Parameter mit einem Exponenten e1 bis e6 versehen ist und der Potenzproduktansatz noch einen konstanten Term K1 aufweist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the MISO model for the soot emission is formed by a power product approach of the parameters, where each parameter is provided with an exponent e1 to e6 and the power product approach still has a constant term K1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das MISO-Modell für die NOx-Emission durch einen Potenzproduktansatz der Parameter gebildet wird, wobei jeder Parameter mit einem Exponenten f1 bis f6 versehen ist und der Potenzproduktansatz noch einen konstanten Term K2 aufweist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the MISO model for the NOx emission is formed by a power product approach of the parameters, where each parameter is provided with an exponent f1 to f6 and the power product approach still has a constant term K2. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Exponenten e1 bis e6 bzw. f1 bis f6 sowie die Konstanten K1 bzw. K2 nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus einer vorgegebenen Anzahl von Messungen ermittelt werden.Method according to claim 5 or 6, characterized that the exponents e1 to e6 and f1 to f6 and the constants K1 or K2 according to the least squares method from a predetermined number of measurements are determined. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Exponenten und der Konstanten Prüfstandsmessungen in verschiedenen Kennfeldpunkten durchgeführt werden.Method according to claim 7, characterized in that that to determine the exponents and the constants test bench measurements be performed in different map points. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Kennfeldpunkte mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung erfolgt.Method according to claim 8, characterized in that that the selection of the map points using the methods of statistical Experimental design is done. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Exponenten und die Konstante für die Ruß-Emission und die Exponenten und die Konstante für die NOx-Emission für eine mehrzylindrische Dieselbrennkraftmaschine als Mittelwerte der einzelnen Zylinder gebildet werden.Method according to one of claims 5 to 9, characterized that the exponents and the constant for the soot emission and the exponents and the constant for the NOx emission for a multi-cylinder diesel engine as averages of individual cylinders are formed. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einem Motorsteuergerät einer Dieselbrennkraftmaschine zur Echtzeitberechnung der Ruß- und/oder NOx-Emission.Use of the method according to one of the preceding claims in an engine control unit a Diesel engine for real-time calculation of soot and / or NOx emission. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Ruß- und NOx-Emissionen zur Regelung der Motors verwendet werden.Use according to claim 11, characterized that the calculated soot and NOx emissions are used to control the engine. Verwendung nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine On-board-Diagnose der Dieselbrennkraftmaschine aufgrund der ermittelten Ruß- und NOx-Emissionen durchgeführt wird.Use according to claim 1 or 12, characterized that an on-board diagnosis the diesel engine is performed based on the detected soot and NOx emissions. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Ruß- und NOx-Emissionen als Führungsgrößen zur Bestimmung des rückgeführten Abgases bei Abgasrückführsystemen verwendet werden.Use according to one of claims 11 to 13, characterized that the calculated soot and NOx emissions as a guide to Determination of recirculated exhaust gas in exhaust gas recirculation systems be used. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten NOx-Emissionen als Führungsgrößen für die Dosieranlagen von SCR-Katalysatoren verwendet werden.Use according to one of Claims 11 to 14, characterized that the calculated NOx emissions are used as a guide for the metering systems of SCR catalysts become. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Ruß-Emissionen als Führungsgrößen zur Bestimmung des Regenerationszeitpunktes bei Dieselpartikelfiltern verwendet werden.Use according to one of claims 11 to 15, characterized that the calculated soot emissions as a guide to Determination of the regeneration time used in diesel particulate filters become.
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