DE102006021302B3 - Method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO<SUB>x</SUB>) in der mindestens einenAbgasleitung (1) vorgesehen sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas und damit eine genauere Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht wird, insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine. Erreicht wird dies mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass - ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, - die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor (3) ermittelt wird, - die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren ...The invention relates to a method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine, which has at least one cylinder and at least one exhaust line (1) for discharging the exhaust gases from this at least one cylinder and in which a first exhaust gas aftertreatment system (2) for storing the in the exhaust gas soot particles and a sensor (3) for detecting the nitrogen oxide concentration (NO <SUB> x </SUB>) are provided in the at least one exhaust line (1). The invention also relates to a direct-injection internal combustion engine for carrying out such a method. The aim is to demonstrate a method with which a more accurate estimate of the soot concentration in the exhaust gas and thus a more accurate estimate of the soot loading of an exhaust gas aftertreatment system provided for storing the soot particles is possible compared to the prior art, especially at higher loads on the internal combustion engine. This is achieved with a method which is characterized in that - a set of characteristic maps comprising several characteristic maps is provided, which shows the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for various operating states of the internal combustion engine, - the current nitrogen oxide concentration in the exhaust gas by means of a sensor ( 3) is determined, - the current nitrogen oxide concentration determined in this way together with at least two other ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen sind.The invention relates to a method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine having at least one cylinder and at least one exhaust pipe for discharging the exhaust gases from said at least one cylinder and at a first exhaust aftertreatment system for storing the soot particles and a sensor for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) are provided in the at least one exhaust pipe.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) vorgesehen sind.Furthermore, the invention relates to a direct injection internal combustion engine for carrying out such a method, which has at least one cylinder and at least one exhaust pipe for discharging the exhaust gases from said at least one cylinder, wherein in the at least one exhaust pipe, a first exhaust aftertreatment system for storing the soot particles and upstream of the first Exhaust after-treatment system, a sensor for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) are provided.

Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.To The prior art are internal combustion engines for reduction Pollutant emissions with various exhaust aftertreatment systems fitted.

Bei Ottomotoren kommen häufig katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.at Gasoline engines come frequently catalytic reactors using catalytic Materials that increase the speed of certain reactions, one Ensure oxidation of HC and CO even at low temperatures. Should be additional Nitrogen oxides can be reduced, this can be achieved by using a three-way catalyst be achieved, but to a running within narrow limits stoichiometric Operation (λ ≈ 1) of the gasoline engine requires.

Dabei werden die Stickoxide NOx mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.In this case, the nitrogen oxides NO x are reduced by means of the existing unoxidized exhaust gas components, namely the carbon monoxides and the unburned hydrocarbons, wherein at the same time these exhaust gas components are oxidized.

Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren und auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt – d.h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel und eines Sauerstoffüberschusses – nicht reduziert werden.at Internal combustion engines, which are operated with an excess of air, so for example in Lean operating gasoline engines, but especially direct injection Diesel engines and direct injection gasoline engines, the In the exhaust gas located nitrogen oxides inherent - i. because of the missing Reducing agent and an excess of oxygen - not be reduced.

Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) wird ein Oxidationskatalysator im Abgassystem vorgesehen. Zur Reduzierung der Stickoxide werden unter anderem selektive Katalysatoren – sogenannte SCR-Katalysatoren – eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.to Oxidation of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), an oxidation catalyst is provided in the exhaust system. to Reduction of nitrogen oxides, among other things, selective catalysts - so-called SCR catalysts - used, in which reducing agent is introduced into the exhaust gas in a targeted manner, to selectively reduce the nitrogen oxides. Come as a reducing agent In addition to ammonia and urea also unburned hydrocarbons for use.

Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren (LNT – Lean NOx Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst – während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine – im Katalysator absorbiert d.h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase (deNOx) beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden. Auf einen unterstöchiometrischen Betrieb kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im wesentlichen in Stickstoffdioxid (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt.Basically, the nitrogen oxide emissions can also use so-called nitrogen oxide storage catalysts (LNT - Lean NOx Trap) are reduced. The nitrogen oxides are first - during a lean operation of the internal combustion engine - absorbed in the catalyst and collected and stored, then during a regeneration phase (deNO x ), for example, by means of a substoichiometric operation (for example, λ <0.95) of the engine to be reduced in oxygen deficiency , Sub-stoichiometric operation can be dispensed with if the reducing agent is introduced directly into the exhaust gas tract, for example by injecting additional fuel. During the regeneration phase, the nitrogen oxides are released and converted essentially into nitrogen dioxide (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O).

Die Beladung des Speicherkatalysators kann mit Hilfe von zwei NOx-Sensoren abgeschätzt werden, indem ein NOx-Sensor stromaufwärts des LNT und ein NOx-Sensor stromabwärts des LNT angeordnet wird. Die Stickoxidmenge, die im Speicherkatalysator gespeichert wird, ergibt sich dabei aus den unterschiedlichen Stickoxidkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des LNT. Alternativ kann ein Rechenmodell zur Abschätzung der Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine verwendet werden, das zusammen mit der Stickoxidkonzentration stromabwärts des LNT, die mittels NOx-Sensor erfaßt werden kann, zur Bestimmung der LNT-Beladung herangezogen wird. Das Modell ersetzt dabei den zweiten, stromaufwärts des LNT vorgesehenen NOx-Sensor in der zuvor beschriebenen Variante.The loading of the storage catalyst can be estimated by means of two NO x sensors by placing a NO x sensor upstream of the LNT and a NO x sensor downstream of the LNT. The amount of nitrogen oxide that is stored in the storage catalytic converter results from the different nitrogen oxide concentrations in the exhaust gas upstream and downstream of the LNT. Alternatively, a calculation model for estimating the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine can be used, which is used together with the nitrogen oxide concentration downstream of the LNT, which can be detected by means of NO x sensor, for determining the LNT loading. The model replaces the second, provided upstream of the LNT NO x sensor in the variant described above.

Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen einer Regeneration (deSoot) des Filters intermittierend verbrannt werden. Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes des Filters aufgrund der anwachsenden Beladung mit Rußpartikeln einstellt, mitbestimmt.to Minimizing the emission of soot particles According to the prior art so-called regenerative particle filters used the soot particles Filter out and store the exhaust, these soot particles in the context of a regeneration (deSoot) of the filter intermittently to be burned. The intervals of regeneration are under Another result is the exhaust backpressure, which has increased as a result of increasing flow resistance the filter due to the growing load of soot particles adjusts, determines.

Zwar können grundsätzlich auch innermotorische Maßnahmen – wie eine optimierte Verbrennung – zur Reduzierung der Schadstoffemissionen herangezogen werden. Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen sind aber innermotorische Maßnahmen im Hinblick auf eine gleichzeitige Reduzierung der Ruß- und Stickoxidemission in der Regel nicht zielführend, da die hierzu notwendigen innermotorischen Randbedingungen zur Verringerung der Rußbildung einerseits und der Stickoxidbildung andererseits in einem Zielkonflikt zueinander stehen, was auch als trade-off bezeichnet wird.In principle, internal engine measures - such as optimized combustion - can be used to reduce pollutant emissions. In direct injection internal combustion engine but are internal engine Measures with a view to a simultaneous reduction of soot and nitrogen oxide emissions usually not expedient, since the necessary internal engine boundary conditions for reducing soot formation on the one hand and the nitrogen oxide formation on the other hand are in conflict with each other, which is also referred to as trade-off.

D.h. die innermotorischen Maßnahmen, die zu einer Reduzierung der Stickoxidemission führen, bedingen in der Regel eine erhöhte Rußbildung bzw. Rußemission und umgekehrt.That the internal engine measures, which lead to a reduction in nitrogen oxide emissions, usually cause an increased soot formation or soot emission and vice versa.

1a zeigt diesen Zusammenhang, der charakteristisch ist für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen. Die Kreise stehen dabei für experimentell bestimmte Wertepaare umfassend eine gemessene spezifische Stickoxidemission und die dazu korrespondierende Rußemission der Brennkraftmaschine. Die Konzentrationen können beispielsweise als Massenkonzentration in Milligramm pro Gramm Abgas [mg/g] oder als Massenstrom in Gramm pro Stunde [g/hr] angegeben werden. Die Korrelation zwischen diesen beiden Emissionen wird durch die eingezeichnete Kurve wiedergegeben, die auch als Korrelations- oder Regressionskurve bzw. trade-off Kurve bezeichnet wird. 1a shows this relationship, which is characteristic of direct injection internal combustion engines. The circles represent experimentally determined value pairs comprising a measured specific nitrogen oxide emission and the corresponding soot emission of the internal combustion engine. The concentrations can be given, for example, as mass concentration in milligrams per gram of exhaust gas [mg / g] or as mass flow in grams per hour [g / hr]. The correlation between these two emissions is represented by the plotted curve, also referred to as the correlation or regression curve or trade-off curve.

Die Lage der trade-off Kurve einer Brennkraftmaschine kann durch konstruktive Merkmale der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch die Anzahl der Ventile (2-Ventiler, 4-Ventiler) und das Einspritzsystem (Pumpe-Düse), sowie durch das Brennverfahren, beispielsweise durch die Ladungsbewegung (Drall) im Brennraum, beeinflußt werden, was in 1b dargestellt ist. Durch eine entsprechend ausgelegte Turboaufladung (ATL) und/oder Abgasrückführung (AGR) lassen sich die Ruß- und Stickoxidemissionen ebenfalls – wenn auch in engen Grenzen – vermindern. Der Einfluß einer Abgasrückführung und einer Abgasturboaufladung auf die Emissionen ist aber vergleichsweise gering. Die sogenannte trade-off Kurve als solche d.h. ihr Verlauf bzw. ihre Gestalt bleibt bei den beispielhaft genannten und in 1b dargestellten Variationen aber nahezu unverändert.The position of the trade-off curve of an internal combustion engine can be determined by design features of the internal combustion engine, for example by the number of valves (2-valve, 4-valve) and the injection system (pump nozzle), as well as by the combustion process, for example by the charge movement ( Swirl) in the combustion chamber, which are influenced in 1b is shown. By means of a suitably designed turbocharging (ATL) and / or exhaust gas recirculation (EGR), the soot and nitrogen oxide emissions can also be reduced - albeit within narrow limits. However, the influence of exhaust gas recirculation and turbocharging on the emissions is comparatively low. The so-called trade-off curve as such, ie its course or its shape, remains in the examples mentioned and in FIG 1b but variations are almost unchanged.

Folglich ist die trade-off Kurve für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine bestimmte Brennkraftmaschine, die unter Verwendung eines konkreten Brennverfahrens betrieben wird, charakteristisch.consequently is the trade-off curve for an internal combustion engine, in particular a specific internal combustion engine, which is operated using a concrete combustion process, characteristic.

Aufgrund des trade-off kann insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen nicht auf den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen der eingangs beschriebenen Art verzichtet werden, wobei einige dieser Abgasnachbehandlungssysteme – wie weiter oben bereits ausgeführt wurde – von Zeit zu Zeit eine Regeneration (Partikelfilter) bzw. eine Reinigung (LNT) erfordern, um eine ausreichende und effektive Abgasnachbehandlung sicherzustellen.by virtue of The trade-off can be particularly useful in direct injection internal combustion engines not on the use of exhaust aftertreatment systems of the beginning be omitted type, with some of these exhaust aftertreatment systems - as further already explained above was - by Time to time a regeneration (particle filter) or a cleaning (LNT) require adequate and effective exhaust aftertreatment sure.

Da die Beladung eines Partikelfilters infolge Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel nach dem Stand der Technik nicht direkt meßbar ist, wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die momentane Beladung des Filters abzuschätzen. Die Beladung des Filters ist – gegebenenfalls zusammen mit weiteren Parametern – die maßgebliche Entscheidungsgrundlage zur Einleitung der Filterregeneration, weshalb die Kenntnis der Filterbeladung unerläßlich ist für eine Steuerung und Überwachung der Abgasnachbehandlung.There the loading of a particulate filter due to storage of the exhaust gas located soot particles after The prior art is not directly measurable, have been different approaches designed to estimate the instantaneous loading of the filter. The Loading of the filter is - if necessary together with other parameters - the decisive basis for decision-making to initiate the filter regeneration, which is why the knowledge of Filter loading is essential for one Control and monitoring the exhaust aftertreatment.

Ein Ansatz zur Bestimmung der Filterbeladung macht sich den Umstand zunutze, daß der Abgasgegendruck stromaufwärts des Filters mit anwachsender Beladung zunimmt und die Beladung des Filters mit der Druckdifferenz, die sich über den Filter in der Abgasleitung einstellt, in weiten Bereichen korreliert. Zur Ermittlung der Druckdifferenz wird stromaufwärts des Filters ein Drucksensor zur Erfassung des Abgasgegendrucks in der Abgasleitung vorgesehen und näherungsweise der Druck in der Abgasleitung stromabwärts des Filters dem Umgebungsdruck gleichgesetzt.One Approach to determining the filter load makes up the circumstance take advantage of that Exhaust back pressure upstream of the filter increases with increasing loading and the loading of the Filters with the pressure difference that extends across the filter in the exhaust pipe is correlated in many areas. To determine the pressure difference is upstream of the filter, a pressure sensor for detecting the exhaust back pressure in provided the exhaust pipe and approximately the pressure in the Exhaust pipe downstream of the filter equated to the ambient pressure.

Bei höheren Lasten korreliert die Druckdifferenz aber nicht mehr mit der Beladung des Filters. Verantwortlich hierfür ist eine passive Regeneration des Filters, bei der die im Abgas befindlichen Stickoxide den für die Verbrennung des Rußes erforderlichen Sauerstoff liefern. Die partielle d.h. lokal begrenzte Regeneration des Filters führt zu einer Absenkung des Abgasgegendrucks, wohingegen die Beladung des Filters kaum abnimmt. Wird ungeachtet dessen auch bei höheren Lasten von einer Korrelation ausgegangen, führt dies bei der Abschätzung der momentanen Filterbeladung zu zu niedrigen Werten für die Beladung.at higher However, loads no longer correlate with the pressure difference of the filter. Responsible for this is a passive regeneration of the Filters, in which the nitrogen oxides contained in the exhaust gas for combustion of soot provide required oxygen. The partial i. locally limited Regeneration of the filter leads to a reduction of the exhaust back pressure, whereas the load the filter hardly decreases. Regardless, even at higher loads from a correlation, this leads to the estimation of the current filter load too low load values.

Daher kommt nach dem Stand der Technik zusätzlich ein Modell zur rechnerischen Bestimmung der Filterbeladung zum Einsatz, um die Untauglichkeit der zuvor beschriebenen Vorgehensweise bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine zu kompensieren. Eine Messung der Rußkonzentration – beispielsweise mittels Sensor – ist nach dem Stand der Technik nicht möglich, weil sie im Hinblick auf den Serieneinsatz nicht ausgereift und unter Kostengesichtspunkten nicht akzeptabel ist.Therefore In addition, according to the state of the art, a model for computational Determination of filter loading used to disqualify the procedure described above at high loads of the internal combustion engine to compensate. A measurement of the soot concentration - for example by means of sensor - is not possible in the prior art because they are in terms of on the series use not mature and cost-related is not acceptable.

Mit dem Rechenmodell wird die Rußkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt d.h. rechnerisch abgeschätzt. Hierzu werden Kennfelder verwendet, die im stationären Betrieb auf dem Motorenprüfstand generiert werden und die Rußemissionen in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der beispielsweise durch die Drehzahl und die Last beschrieben wird, wiedergeben.With the calculation model, the soot concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine is determined, ie calculated by calculation. For this purpose maps are used, which are generated in stationary operation on the engine test bench and the soot emissions depending on the operating condition of the internal combustion engine, for example, by the Speed and the load is described, play.

Die aus diesen Kennfeldern ausgelesene Rußkonzentration wird anschließend korrigiert, um beispielsweise den Einfluß der Kühlertemperatur und der Umgebungsbedingungen, nämlich dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur, auf die Rußbildung zu erfassen. Auch die Abweichung des tatsächlichen Luftverhältnisses von einem vorgegebenen Sollwert für das Luftverhältnis wird berücksichtigt, was insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen erforderlich ist, um eine qualitativ gute d.h. möglichst genaue Abschätzung der Rußkonzentration zu gewährleisten. Des weiteren wird eine eventuelle Abgasrückführung mit in Betracht gezogen, da die Rückführung von heißen Abgasen in den Brennraum die Rußbildung – wenn auch nur in geringem Maße – mitbeeinflußt.The The soot concentration read from these maps is then corrected, for example, the influence of cooler temperature and the environmental conditions, namely the ambient pressure and the ambient temperature, on the soot formation capture. Also, the deviation of the actual air ratio from a predetermined set point for the air ratio considered, which is necessary in particular under transient operating conditions is to a good quality. as accurate as possible estimation of the soot concentration to ensure. Furthermore, a possible exhaust gas recirculation is considered, since the repatriation of be called Exhaust gases into the combustion chamber soot formation - albeit only to a limited extent - influenced.

Die mittels Rechenmodell abgeschätzte Rußkonzentration wird über die Zeit aufintegriert, wobei die auf diese Weise ermittelte Rußmasse der in der betrachteten Zeitspanne generierten Filterbeladung gleichgesetzt wird. Eine passive und/oder aktive Regeneration des Filters kann bei der Bestimmung der momentanen Filterbeladung ebenfalls berücksichtigt werden.The estimated by calculation model soot concentration will over integrates the time, with the soot mass determined in this way filter load generated in the considered period of time equated becomes. A passive and / or active regeneration of the filter can also taken into account in the determination of the instantaneous filter load become.

Die mittels dieses Rechenmodells vorhergesagte Filterbeladung kann prinzipbedingt nur als grober Anhaltswert betrachtet werden, da Abweichungen von den angenommenen Betriebsbedingungen nur unzureichend und näherungsweise – über einen Korrektur der ausgelesenen Werte – erfaßt werden. Die nach dem Stand der Technik eingesetzten Modelle führen häufig zu einer konservativen Abschätzung der Filterbeladung, wobei die vorhergesagte Filterbeladung höher ist als die tatsächlich vorliegende Filterbeladung. Folglich wird die Regeneration des Filters früher eingeleitet als eigentlich erforderlich, was als nachteilig anzusehen ist, da jede Filterregeneration mit einem Kraftstoffmehrverbrauch verbunden ist.The By this calculation model predicted filter loading may be inherent are to be considered as a rough guide, since deviations from the assumed operating conditions insufficient and approximate - about a correction the values read out. The Models used in the prior art often lead to a conservative estimate of Filter loading, where the predicted filter load is higher as the actual present filter loading. Consequently, the regeneration of the filter is initiated earlier as actually required, which is to be regarded as disadvantageous since Each filter regeneration associated with a fuel consumption is.

Ein Rechenmodell zur Bestimmung der von der Brennkraftmaschine emittierten Rußmasse offenbart beispielsweise die WO 2006/055 992 A2. In Abhängigkeit von maßgeblichen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine – wie etwa Drehzahl und Last – wird die momentane, von der Brennkraftmaschine emittierte Rußmasse ermittelt, welche mittels Integration über die Zeit zur absoluten, für den Filter relevanten Partikelmasse führt.One Computational model for determining the emitted from the internal combustion engine soot For example, WO 2006/055992 A2 discloses. Dependent on of authoritative Operating parameters of the internal combustion engine - such as speed and load - is the current, emitted by the internal combustion engine soot mass determined, which by means of integration over the time to absolute, for leads the filter relevant particle mass.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 30 633 A1 beschreibt ein Verfahren, um den Beladungsgrad eines Partikelfilters zu bestimmen, wobei anhand einer Rußbilanz ermittelt wird, ob mehr Ruß entsteht als im Filter abgebrannt wird. Hierzu wird einerseits mittels einer Referenzbrennkraftmaschine die Rußbildung in Abhängigkeit relevanter Betriebsparameter ermittelt und andererseits die Menge des im Filter abgebrannten Rußes in Abhängigkeit von Temperatur und NO-Gehalt bestimmt. Entsteht mehr Ruß als im Filter verbrannt wird, werden umgehend Maßnahmen ergriffen, mit denen die Rußbildung reduziert und der Rußabbrand erhöht d.h. die Regeneration verstärkt werden kann.The German patent application DE 101 30 633 A1 describes a method to determine the degree of loading of a particulate filter, which is determined by means of a soot balance, whether more soot is produced than is burned in the filter. For this purpose, the soot formation is determined on the one hand by means of a reference internal combustion engine as a function of relevant operating parameters and on the other hand determines the amount of soot burned in the filter as a function of temperature and NO content. If more soot is produced than is burned in the filter, measures are immediately taken to reduce soot formation and increase soot burn-up, ie regeneration can be intensified.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas und damit eine genauere Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht wird und dies insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine.In front In this context, it is the object of the present invention a method according to the preamble of claim 1 for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct injection Show internal combustion engine, with the one compared to the state the technique more accurate estimate the soot concentration in the exhaust and thus a more accurate estimate of the soot loading of a for storing the soot particles provided exhaust aftertreatment system is enabled and this particular at higher Loads of the internal combustion engine.

Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.A Another subtask of the present invention is a direct injection Internal combustion engine for implementation to provide such a method.

Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen sind, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß

  • – ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt,
  • – die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor ermittelt wird,
  • – die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für den Satz von Kennfeldern verwendet wird, um die aktuelle Rußkonzentration als Ausgangssignal auszulesen.
The first sub-task is solved by a method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine having at least one cylinder and at least one exhaust pipe for discharging the exhaust gases from this at least one cylinder and at a first exhaust aftertreatment system for storing the soot particles in the exhaust and a sensor for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) are provided in the at least one exhaust pipe, and which is characterized in that
  • Providing a set of characteristic maps comprising a plurality of characteristic maps, which represents the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for different operating states of the internal combustion engine,
  • The current nitrogen oxide concentration in the exhaust gas is determined by means of a sensor,
  • - The determined in this way current nitrogen oxide concentration is used together with at least two other parameters that describe the operating condition of the internal combustion engine as inputs to the set of maps to read the current soot concentration as an output signal.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich den Umstand zunutze, daß die Rußemission und die Stickoxidemission einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine miteinander korrelieren (siehe 1a) und die Stickoxidemission im Abgas – im Gegensatz zu der Rußkonzentration – mittels eines Sensors, nämlich eines stromaufwärts des ersten Abgasnachbehandlungssystems angeordneten NOx-Sensors, meßtechnisch erfaßt werden kann.The method according to the invention makes use of the fact that the soot emission and the nitrogen oxide emission of a direct-injection internal combustion engine correlate with one another (see 1a ) and the nitrogen oxide emission in the exhaust gas - in contrast to the soot concentration - by means of a Sen sors, namely an upstream of the first exhaust gas treatment system arranged NO x sensor can be detected by measurement.

Ausgehend von der gemessenen Stickoxidkonzentration kann unter Hinzunahme entsprechender Kennfelder, welche den Zusammenhang (trade-off) zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration wiedergeben, auf die Rußkonzentration im Abgas geschlossen werden.outgoing from the measured nitrogen oxide concentration can be added corresponding maps showing the relationship (trade-off) between the soot concentration and the nitric oxide concentration reflect the soot concentration be closed in the exhaust.

Vorteilhaft ist dabei, daß die trade-off Kurve (siehe 1a) für eine konkrete Brennkraftmaschine, die mittels eines konkreten Brennverfahrens betrieben wird, charakteristisch ist d.h. in engen Grenzen allgemeingültigen Charakter hat und nur unwesentlich d.h. in einem vertretbaren Rahmen durch Änderungen im Luftverhältnis, in der Kühltemperatur, durch Änderungen der Abgasrückführrate und dergleichen beeinflußt wird.It is advantageous that the trade-off curve (see 1a ) is characteristic for a specific internal combustion engine which is operated by means of a concrete combustion process, ie has a general character within narrow limits and is only insignificantly influenced by changes in the air ratio, in the cooling temperature, by changes in the exhaust gas recirculation rate and the like.

Grundsätzlich besteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Möglichkeit im Rahmen der Generierung eines Kennfeld für einen konkreten Betriebspunkt – konstante Drehzahl und konstante Last – bewußt Variationen in einigen sekundären Betriebsparametern, beispielsweise im Lufverhältnis und/oder in der Abgasrückführrate, durchzuführen. Zwingend erforderlich ist dies aber nicht. Als sekundäre Betriebsparameter werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Betriebsparameter bezeichnet mit Ausnahme der Drehzahl und der Last.Basically exists in the method according to the invention also the possibility in the context of generating a map for a specific operating point - constant Speed and constant load - deliberately variations in some secondary Operating parameters, for example in the air ratio and / or in the exhaust gas recirculation rate, perform. compellingly but this is not necessary. As secondary operating parameters In the context of the present invention, all operating parameters are designated except for the speed and the load.

Wird beispielsweise ein Kennfeld, das den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration wiedergibt, für einen konkreten Betriebszustand, der beispielsweise durch die Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschine definiert wird, erstellt, können gezielt Variationen im Luftverhältnis und der Abgasrückführung bei unveränderter Drehzahl und unveränderter Last durchgeführt werden. Die ausgehend von den gemessenen Konzentrationen ermittelte trade-off Kurve beinhaltet und berücksichtigt dann folglich die vorgenommen Variationen bzw. die durch die Variationen verursachten Änderungen im Emissionsverhalten.Becomes For example, a map that shows the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration represents, for a specific operating condition, for example, by the speed and the load of the internal combustion engine defined, created, can targeted variations in the air ratio and the exhaust gas recirculation at unchanged Speed and unchanged load carried out become. The determined from the measured concentrations Trade-off curve then includes and then takes into account the made Variations or the changes caused by the variations in emission behavior.

Eine Korrektur der aus dem jeweiligen Kennfeld ausgelesenen Rußkonzentration – wie bei herkömmlichen Verfahren bzw. Rechenmodellen üblich und weiter oben beschrieben – ist nicht mehr erforderlich. Mit der Korrektur entfallen auch die durch die Korrektur hervorgerufenen Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Rußkonzentration.A Correction of the selected from the respective map soot concentration - as in usual Method or calculation models usual and described above - is not necessary anymore. With the correction also eliminated by the correction caused inaccuracies in the determination the soot concentration.

Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist des weiteren, daß bei modernen direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen häufig bereits ein NOx-Sensor vorhanden ist, da die Beladung eines in der Abgasleitung angeordneten Speicherkatalysators ebenfalls im Rahmen der Steuerung der Abgasnachbehandlung zu überwachen ist, was einen NOx-Sensor zur meßtechnischen Erfassung der Stickoxidkonzentration im Abgas erforderlichen machen kann.An advantage of the method according to the invention is further that in modern direct-injection internal combustion engines often already a NO x sensor is present, since the loading of an arranged in the exhaust pipe storage catalyst is also to monitor in the context of controlling the exhaust aftertreatment, which is a NO x sensor make necessary for metrological detection of the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas.

Daher entstehen durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzlichen Kosten für die Bereitstellung bzw. Anschaffung von Sensoren.Therefore incurred by the application of the method according to the invention no additional costs for the Provision or purchase of sensors.

Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas ermöglicht wird, insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine.Thereby is the first of the invention underlying subtask solved, namely a Method according to the preamble of claim 1 show, with the one compared to the state the technique more accurate estimate the soot concentration allowed in the exhaust is, especially at higher Loads of the internal combustion engine.

Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Unteransprüchen werden im folgenden erläutert.Further advantageous variants of the method according to the subclaims explained below.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens zwei weiteren Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine die Drehzahl n und die Last, beispielsweise das indizierte Drehmoment Tind, umfassen.Embodiments of the method in which the at least two further parameters for describing the operating state of the internal combustion engine include the rotational speed n and the load, for example the indicated torque T ind , are advantageous.

Vorteile bietet diese Ausführungsform, da die beiden Betriebsparameter – Drehzahl und indiziertes Drehmoment – in der Regel bereits vorliegen d.h. bekannt sind und nicht erst in einem zusätzlichen Verfahrenschritt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt bzw. gemessen werden müssen. So ist die Bestimmung der Drehzahl n bereits für die Synchronisierung von Zündung und Einspritzung erforderlich. Das indizierte Drehmoment Tind wird häufig aus dem im Zylinder vorliegenden und gemessenen Druck ermittelt und beispielsweise im Rahmen der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung verwendet.This embodiment offers advantages, since the two operating parameters-speed and indicated torque-usually already exist, ie, are known and need not be determined or measured in an additional method step in the context of the method according to the invention. Thus, the determination of the speed n is already required for the synchronization of ignition and injection. The indicated torque T ind is often determined from the pressure present and measured in the cylinder and used, for example, in the context of fuel injection control.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das aktuelle Luftverhältnis λ der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird, indem unterschiedliche Kennfelder für den unterstöchiometrischen (λ < 1) und den überstöchiometrischen (λ > 1) Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.Advantageous are also embodiments of the method in which takes into account the current air ratio λ of the internal combustion engine is characterized by different maps for the stoichiometric (λ <1) and the superstoichiometric (λ> 1) Operation of the internal combustion engine to be provided.

Zwar ist der bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte trade-off von Stickoxidemission und Rußemission – wie oben ausgeführt – vergleichsweise unempfindlich gegenüber Änderungen im Luftverhältnis. Das Bereitstellen von unterschiedlichen Kennfeldern für den mageren und fetten Betrieb der Brennkraftmaschine kann aber dennoch sinnvoll sein. Zum einen falls das Luftverhältnis in weiten Bereichen variiert wird und es sich nicht um lediglich geringfügige Variationen handelt, sondern um größere Änderungen. Zum anderen werden nach dem Stand der Technik häufig innermotorische Maßnahmen eingesetzt, um beispielsweise die Abgastemperatur zum Zwecke einer Filterregeneration zu erhöhen oder aber das Abgas zur Reinigung eines Speicherkatalysators mit Kraftstoff anzureichern, was auch durch den Übergang von einem mageren zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen kann und häufig auch erfolgt.Although the trade-off of nitrogen oxide emission and soot emission used in the application of the method according to the invention - as stated above - comparatively insensitive to changes in the air ratio. The provision of different maps for the lean and rich operation of the internal combustion engine but can still be useful. First, if the air ratio is varied widely and not just minor variations, but major changes. On the other hand internal engine measures are often used according to the prior art, for example, to increase the exhaust gas temperature for the purpose of filter regeneration or to enrich the exhaust gas for cleaning a storage catalytic converter with fuel, which is done by the transition from lean to a rich operation of the internal combustion engine can and often does.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die aktuellen Rußkonzentrationen über die Zeit aufintegriert d.h. aufsummiert werden, um eine durch die im Abgas befindlichen Rußpartikel verursachte Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystemsinfolge der Speicherung dieser Rußpartikel zu bestimmen.Advantageous are embodiments of the procedure, where the current soot concentrations exceed the Time integrated i.e.. be summed up to one by the im Exhausted soot particles caused Loading the first exhaust aftertreatment system as a result of storage this soot particle to determine.

Diese spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient damit nicht nur zur Bestimmung der momentanen Rußkonzentration im Abgas, sondern darüber hinaus zur Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen ersten Abgasnachbehandlungssystems.These special embodiment the method according to the invention thus not only serves to determine the instantaneous soot concentration in the exhaust, but above out to the estimate the soot loading one intended for storing the soot particles first exhaust aftertreatment system.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine passive und/oder aktive Regeneration des ersten Abgasnachbehandlungssystems bei der Bestimmung der Beladung berücksichtigt wird.Advantageous are embodiments of the Procedure in which a passive and / or active regeneration of the first exhaust aftertreatment system in determining the load considered becomes.

Im Rahmen einer Regeneration und zwar sowohl im Rahmen einer aktiven Regeneration als auch im Rahmen einer passiven Regeneration wird zumindest ein Teil der im Filter gespeicherten Rußpartikel verbrannt bzw. oxidiert, so daß die Beladung des Filters mehr oder weniger umfangreich abgebaut wird. Auf die beiden unterschiedlichen Regenerationsarten wird im folgenden kurz eingegangen.in the Framework of regeneration, both under an active Regeneration as well as in the context of a passive regeneration at least a part of the soot particles stored in the filter burned or oxidized, so that the Loading the filter is reduced more or less extensive. On the two different types of regeneration will be discussed below shortly received.

Die zur aktiven Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen – etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung – werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muß auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.The for active regeneration of the particulate filter high temperatures - about 550 ° C at not existing catalytic support - are only included in the operation high loads and high speeds achieved. Therefore must on additional activities resorted be a regeneration of the filter under all operating conditions to ensure.

Die Verbrennung der Partikel kann dabei durch im Abgastrakt vorgesehene Zusatzbrenner erfolgen oder aber durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so daß die Abgastemperatur der in den Abgastrakt ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird.The Combustion of the particles can thereby by provided in the exhaust system Additional burner done or by a post-injection of additional Fuel in the combustion chamber, with the nacheingespritzte fuel already ignited in the combustion chamber What is caused by the expiring main combustion or the against End of combustion in the combustion chamber present high temperatures can happen, so that the Exhaust gas temperature of the expelled into the exhaust gas exhaust gas engine is raised.

Der nacheingespritzte Kraftstoff kann auch unverbrannt und gegebenenfalls schon aufbereitet in den Abgastrakt ausgeschoben werden und dann gezielt lokal dort im Abgassystem oxidiert werden, wo hohe Abgastemperaturen notwendig sind, nämlich im Partikelfilter bzw. in seiner unmittelbaren Nachbarschaft.Of the Post-injected fuel may also be unburned and possibly already prepared to be pushed out into the exhaust tract and then targeted locally oxidized there in the exhaust system, where high exhaust gas temperatures necessary, namely in the particle filter or in its immediate vicinity.

Jedoch findet auch bei niedrigeren Temperaturen eine Regeneration, nämlich eine sogenannte passive Regeneration, des Filters statt, bei der im Abgas befindliche Stickoxide (NOx) den Sauerstoff für die Oxidation d.h. die Verbrennung der im Filter gespeicherten Rußpartikel liefern und dabei gleichzeitig selbst zu Stickstoffdioxid (N2) konvertiert werden.However, even at lower temperatures a regeneration, namely a so-called passive regeneration of the filter takes place, in the exhaust gas located in the exhaust oxides (NO x ) provide the oxygen for the oxidation, ie the combustion of the soot particles stored in the filter and at the same time even to nitrogen dioxide ( N 2 ).

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen alternativ oder zusätzlich

  • – die sich – infolge der Speicherung von Rußpartikeln – über das erste Abgasnachbehandlungssystem einstellende Druckdifferenz ermittelt wird, und
  • – ausgehend von dieser Druckdifferenz die Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems mit Rußpartikeln infolge Speicherung von Rußpartikeln ermittelt wird, wozu die Korrelation zwischen Differenzdruck und Beladung herangezogen wird.
Also advantageous are embodiments of the method, in which alternatively or additionally
  • - Is determined - due to the storage of soot particles - over the first exhaust aftertreatment system adjusting pressure difference, and
  • - Based on this pressure difference, the loading of the first exhaust aftertreatment system is determined with soot particles due to storage of soot particles, including the correlation between differential pressure and load is used.

Diese Ausführungsform eröffnet die Möglichkeit, in den Fällen, in denen die Druckdifferenz und die Beladung zufriedenstellend miteinander korrelieren d.h. bei niedriger Last, die sich über das erste Abgasnachbehandlungssystem einstellende Druckdifferenz zur Bestimmung der Filterbeladung heranzuziehen und bei höheren Lasten, bei denen sich diese Vorgehensweise als ungeeignet erwiesen hat, die Filterbeladung mittels der über die Zeit aufintegrierten Rußkonzentrationen im Abgas zu bestimmen, wobei die momentane Rußkonzentration durch Messung der Stickoxidkonzentration unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes (trade-off) ermittelt wird.These embodiment open the possibility, in the cases in which the pressure difference and the loading satisfactorily with each other correlate i.e.. at low load, over the first exhaust aftertreatment system adjusting pressure difference to determine the filter loading and at higher Loads where this approach proved unsuitable has, the filter loading by means of integrated over the time soot concentrations In the exhaust gas to determine, with the current soot concentration by measuring the Nitrogen oxide concentration using a corresponding map (trade-off) is determined.

Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) vorgesehen sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Motorsteuerung vorgesehen ist, die dazu angepaßt ist, einen mehrere Kennfelder umfassenden Satz von Kennfeldern, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, in der Art zu verwenden, daß mittels der aktuellen, vom Sensor erfaßten Stickoxidkonzentration und mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, die aktuelle Rußkonzentration aus dem Satz von Kennfeldern bestimmbar ist.The second sub-problem underlying the invention is achieved by a direct injection internal combustion engine having at least one cylinder and at least one exhaust pipe for discharging the exhaust gases from the at least one cylinder, wherein in the at least one exhaust pipe, a first exhaust aftertreatment system for storing the soot particles and upstream of the first Exhaust after-treatment system, a sensor for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) are provided, and which is characterized in that a motor control is provided, the adapted to use a set of characteristic maps comprising a plurality of characteristic maps, which reproduces the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for different operating states of the internal combustion engine, such that by means of the current sensor-detected nitrogen oxide concentration and at least two further parameters, describe the operating condition of the internal combustion engine, the current soot concentration from the set of maps is determinable.

Das für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt in analoger Weise auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.The for the inventive method applies analogously for the internal combustion engine according to the invention, why reference is made to the corresponding statements.

Die Motorsteuerung der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine muß in einer Art angepaßt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. D.h. die Motorsteuerung muß fähig sein, anhand einer im Abgas gemessenen NOx-Konzentration und weiterer Parameter, die als Eingangssignale bereitgestellt werden, unter Verwendung verschiedener Kennfelder die korrespondierende Rußkonzentration als Ausgangssignal zu liefern.The engine control of the direct injection internal combustion engine must be adapted in a way that the inventive method can be performed. That is, the motor control must be capable of x in the exhaust gas on the basis of a measured NO concentration and other parameters, which are provided as input signals to supply using different maps the corresponding concentration of carbon black as an output signal.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das erste Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel ein Partikelfilter ist.Advantageous are embodiments of the direct injection internal combustion engine, in which the first exhaust aftertreatment system for storing the soot particles a particle filter is.

Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, bei denen ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion der im Abgas befindlichen Stickoxide in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) stromaufwärts dieses weiteren Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist.In the case of direct-injection internal combustion engines in which a further exhaust aftertreatment system is provided for reducing the nitrogen oxides present in the exhaust gas in the at least one exhaust pipe, embodiments are advantageous in which the sensor for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) is arranged upstream of this further exhaust aftertreatment system.

Der weiter oben bereits mehrfach erwähnte trade-off bezieht sich auf die Rußemissionen und Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine im nicht nachbehandelten Abgas d.h. auf den funktionalen Zusammenhang der Emissionen bevor die heißen Abgase einer Abgasnachbehandlung zugeführt werden. Aus diesem Grund sollte der NOx-Sensor an einer Stelle in der Abgasleitung vorgesehen werden, die stromaufwärts der Abgasnachbehandlungssysteme liegt.The trade-off, which has already been mentioned several times above, relates to the soot emissions and nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine in the untreated exhaust gas, ie to the functional relationship of the emissions before the hot exhaust gases are fed to exhaust gas aftertreatment. For this reason, the NO x sensor should be provided at a location in the exhaust pipe that is upstream of the exhaust aftertreatment systems.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein Speicherkatalysator (LNT) oder ein SCR-Katalysator ist. Diese beiden Systeme haben sich als geeignet erwiesen für die Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas einer Brennkraftmaschine und werden bereits bei der Serienfertigung eingesetzt.Embodiments of the direct injection internal combustion engine in which the further exhaust aftertreatment system is a storage catalytic converter (LNT) or an SCR catalytic converter are advantageous. These two systems have proven to be suitable for the reduction of nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas of an internal combustion engine and are already used in mass production.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gemäß den 1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:In the following the invention with reference to an embodiment of the direct-injection internal combustion engine according to the 1a . 1b and 2 described in more detail. Hereby shows:

1a schematisch und beispielhaft den funktionalen Zusammenhang (trade-off) zwischen den Stickoxidemissionen und den Rußemissionen für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, 1a schematically and exemplarily the trade-off between the nitrogen oxide emissions and the soot emissions for a direct injection internal combustion engine,

1b schematisch und beispielhaft den Einfluß konstruktiver Merkmale der Brennkraftmaschine und des Brennverfahrens auf den in 1a dargestellten funktionalen Zusammenhang (trade-off), und 1b schematically and exemplarily the influence of constructive features of the internal combustion engine and the combustion process on the in 1a illustrated functional relationship (trade-off), and

2 schematisch einen Teil einer ersten Ausführungsform einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine. 2 schematically a part of a first embodiment of a direct-injection internal combustion engine.

Die 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Standes der Technik erörtert.The 1a and 1b have already been discussed in connection with the explanation of the prior art.

2 zeigt schematisch den Abgastrakt einer ersten Ausführungsform einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mitsamt Motorsteuerung 4. 2 schematically shows the exhaust system of a first embodiment of a direct injection internal combustion engine together with engine control 4 ,

Die Abgasleitung 1 dient dem Abführen der Abgase aus den Zylindern der Brennkraftmaschine. In der Abgasleitung 1 ist ein erstes Abgasnachbehandlungssystem 2 zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel vorgesehen, wobei als Abgasnachbehandlungssystem 2 ein Partikelfilter 5 zum Einsatz kommt.The exhaust pipe 1 serves to discharge the exhaust gases from the cylinders of the internal combustion engine. In the exhaust pipe 1 is a first exhaust aftertreatment system 2 provided for storing the soot particles located in the exhaust gas, wherein as exhaust aftertreatment system 2 a particle filter 5 is used.

In der Abgasleitung 1 ist stromaufwärts des Partikelfilters 5 ein Sensor 3 zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) im Abgas angeordnet. Dieser NOx-Sensor 3 liefert die momentane Stickoxidkonzentration als Eingangssignal an eine Motorsteuerung 4, welche die Stickoxidkonzentration zusammen mit weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für einen Satz von Kennfeldern verwendet und die aktuelle Rußkonzentration ausliest und als Ausgangssignal bereitstellt.In the exhaust pipe 1 is upstream of the particulate filter 5 a sensor 3 arranged to detect the nitrogen oxide concentration (NO x ) in the exhaust gas. This NO x sensor 3 provides the instantaneous nitrogen oxide concentration as an input to a motor controller 4 , which uses the nitrogen oxide concentration, together with other parameters that describe the operating condition of the internal combustion engine, as inputs to a set of maps and reads out the current soot concentration and provides as an output signal.

Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform dienen die Drehzahl n der Brennkraftmaschine, das indizierte Drehmoment Tind und das momentane Luftverhältnis λ als weitere Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine.When in the 2 illustrated embodiment, the rotational speed n of the internal combustion engine, the indicated torque T ind and the instantaneous air ratio λ serve as further parameters for the description of the operating state of the internal combustion engine.

In der Motorsteuerung 4 sind mehrere Kennfelder d.h. ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern abgelegt d.h. gespeichert. Diese Kennfelder geben den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wieder. Gegebenenfalls beinhalten diese Kennfelder Variationen in der Abgasrückführung und dem Luftverhältnis.In the engine control 4 are multiple maps, ie a set of multiple maps sentence stored by maps, ie stored. These maps represent the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for different operating states of the internal combustion engine. Optionally, these maps include variations in exhaust gas recirculation and air ratio.

11
Abgasleitungexhaust pipe
22
erstes Abgasnachbehandlungssystemfirst aftertreatment system
33
Sensor, NOx-SensorSensor, NO x sensor
44
Motorsteuerungmotor control
55
Partikelfilterparticulate Filter
AGRAGR
AbgasrückführungExhaust gas recirculation
COCO
KohlenmonoxidCarbon monoxide
CO2 CO 2
Kohlendioxidcarbon dioxide
deNOx deNO x
Reinigung des Speicherkatalysatorscleaning of the storage catalyst
deSootdeSoot
Regeneration des Partikelfiltersregeneration of the particulate filter
HCHC
unverbrannte Kohlenwasserstoffeunburned hydrocarbons
H2OH 2 O
Wasserwater
nn
Drehzahlrotation speed
N2 N 2
Stickstoffdioxidnitrogen dioxide
NOx NO x
StickoxideNitrogen oxides
LNTLNT
Lean NOx TrapLean NO x trap
SCRSCR
Selective Catalytic ReductionSelective Catalytic Reduction
Sootsoot
Ruß, RußpartikelkonzenrationSoot, soot particle concentration
Tind T ind
indiziertes Drehmomentindexed torque
λλ
Luftverhältnisair ratio

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) in der mindestens einen Abgasleitung (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß – ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, – die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor (3) ermittelt wird, – die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für den Satz von Kennfeldern verwendet wird, um die aktuelle Rußkonzentration als Ausgangssignal auszulesen.Method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine that has at least one cylinder and at least one exhaust gas line ( 1 ) for discharging the exhaust gases from this at least one cylinder and in which a first exhaust aftertreatment system ( 2 ) for storing the soot particles in the exhaust gas and a sensor ( 3 ) for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) in the at least one exhaust gas line ( 1 ), characterized in that - a set of characteristic maps comprising a plurality of characteristic diagrams is provided which reflects the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for different operating states of the internal combustion engine, - the current nitrogen oxide concentration in the exhaust gas by means of sensor ( 3 ) is determined, - the current nitrogen oxide concentration determined in this way, together with at least two further parameters which describe the operating state of the internal combustion engine, is used as input signals for the set of characteristic diagrams in order to read out the current soot concentration as output signal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei weiteren Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine die Drehzahl n und das indizierte Drehmoment Tind umfassen.Method according to Claim 1, characterized in that the at least two further parameters for describing the operating state of the internal combustion engine include the rotational speed n and the indicated torque T ind . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktuelle Luftverhältnis λ der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird, indem unterschiedliche Kennfelder für den unterstöchiometrischen (λ < 1) und den überstöchiometrischen (λ > 1) Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.Method according to claim 1 or 2, characterized that this current air ratio λ of the internal combustion engine considered is characterized by different maps for the stoichiometric (λ <1) and the superstoichiometric (λ> 1) Operation of the internal combustion engine to be provided. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuellen Rußkonzentrationen über die Zeit aufintegriert werden, um eine durch die im Abgas befindlichen Rußpartikel verursachte Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) infolge der Speicherung dieser Rußpartikel zu bestimmen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the current soot concentrations are integrated over time in order to prevent a loading of the first exhaust gas aftertreatment system caused by the soot particles located in the exhaust gas ( 2 ) due to the storage of these soot particles. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine passive und/oder aktive Regeneration des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) bei der Bestimmung der Beladung berücksichtigt wird.Method according to Claim 4, characterized in that a passive and / or active regeneration of the first exhaust aftertreatment system ( 2 ) is taken into account when determining the load. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich – die sich – infolge der Speicherung von Rußpartikeln – über das erste Abgasnachbehandlungssystem (2) einstellende Druckdifferenz ermittelt wird, und – ausgehend von dieser Druckdifferenz die Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) mit Rußpartikeln infolge Speicherung von Rußpartikeln ermittelt wird, wozu die Korrelation zwischen Differenzdruck und Beladung herangezogen wird.A method according to claim 4 or 5, characterized in that additionally - the - as a result of the storage of soot particles - on the first exhaust aftertreatment system ( 2 ) adjusting pressure difference is determined, and - starting from this pressure difference, the loading of the first exhaust aftertreatment system ( 2 ) is determined with soot particles as a result of storage of soot particles, to which the correlation between differential pressure and load is used. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung (1) ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Motorsteuerung (4) vorgesehen ist, die dazu angepaßt ist, einen mehrere Kennfelder umfassenden Satz von Kennfeldern, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, in der Art zu verwenden, daß mittels der aktuellen, vom Sensor (3) erfaßten Stickoxidkonzentration und mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, die aktuelle Rußkonzentration aus dem Satz von Kennfeldern bestimmbar ist.Direct injection internal combustion engine for carrying out a method according to one of the preceding claims, the at least one cylinder and at least one exhaust pipe ( 1 ) for discharging the exhaust gases from this at least one cylinder, wherein in the at least one exhaust pipe ( 1 ) a first exhaust aftertreatment system ( 2 ) for storing the soot particles and upstream of this first exhaust aftertreatment system ( 2 ) a sensor ( 3 ) are provided for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ), characterized in that a motor control ( 4 ) adapted to use a set of characteristic maps comprising a plurality of characteristic diagrams, which represents the functional relationship between the soot concentration and the nitrogen oxide concentration for different operating states of the internal combustion engine, in such a way that by means of the current, from the sensor ( 3 ) detected nitrogen oxide concentration and at least two other parameters that be the operating condition of the internal combustion engine be write, the current carbon black concentration from the set of maps is determinable. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der Rußpartikel ein Partikelfilter (5) ist.Direct injection internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the first exhaust aftertreatment system ( 2 ) for storing the soot particles a particulate filter ( 5 ). Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, bei der ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion der im Abgas befindlichen Stickoxide in der mindestens einen Abgasleitung (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NOx) stromaufwärts dieses weiteren Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist.Direct injection internal combustion engine according to claim 7 or 8, wherein a further exhaust gas aftertreatment system for reducing the nitrogen oxides in the exhaust gas in the at least one exhaust pipe ( 1 ), characterized in that the sensor ( 3 ) is arranged for detecting the nitrogen oxide concentration (NO x ) upstream of this further exhaust aftertreatment system. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein Speicherkatalysator (LNT) ist.Direct injection internal combustion engine after a the claims 7 to 9, characterized in that the further exhaust aftertreatment system a storage catalyst (LNT) is. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein SCR-Katalysator ist.Direct injection internal combustion engine after a the claims 7 to 9, characterized in that the further exhaust aftertreatment system an SCR catalyst.
DE200610021302 2006-05-08 2006-05-08 Method for determining the soot concentration in the exhaust gas of a direct-injection internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method Active DE102006021302B3 (en)

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