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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der europäischen Patentschrift
EP 554766 B1 ist ein Verfahren
zur Stickoxidminderung in Abgasen durch gesteuerte NH3-Zugabe bekannt,
bei dem eine Dosiereinrichtung für einen SCR-Katalysator
gesteuert wird. Die hierzu erforderliche Kenntnis der Stickoxid-Rohemissionen
erfolgt durch die Heranziehung von Kennfeld-Daten, die die motorische
Emission in Abhängigkeit von motorischen Parametern vergleichsweise
ungenau beschreiben. Nachteilig ist, dass zur Vermeidung von Ammoniak-Durchbruch
nach Katalysator aufgrund der nur näherungsweise bekannten
Stickoxid-Rohemission große Sicherheitsabstände
eingebaut werden müssen, so dass eine niedrige Konvertierung
im Katalysator nur bis etwa 70% erzielt wird.
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Bei
einem aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 032 623 A1 bekannten
Verfahren zur Bestimmung der zylinderselektiven Ruß- und
NOx-Emissionen einer Dieselbrennkraftmaschine werden mithilfe einer
vorgegebenen Anzahl von den Verbrennungsprozess beschreibenden Parametern
die Ruß- und NOx-Emissonen der Dieselbrennkraftmaschine
berechnet. Dabei werden diese Parameter so gewählt, dass sie
die Heizrate und die Gemischzusammensetzung des Verbrennungsprozesses
wiedergeben. Aus den während eines Verbrennungsprozesses
bestimmten Parameterwerten werden die Ruß- und NOx-Emission
des Verbrennungsprozesses eines Zylinders mittels eines MISO-Modells
der Heizrate berechnet.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 19517168 B4 ist ein NOx-Modell bekannt,
welches die NOx-Rohemission einer Brennkraftmaschine für
einen jeweiligen Betriebspunkt anzeigt und bei welchem eine NOx-Menge,
ausgehend von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, ermittelt
wird. Hierzu werden entsprechende Kennfelder verwendet, die unter
anderem die Drehzahl, Zündzeitpunkte sowie den Lambda-Wert des
Abgases berücksichtigen.
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Ein ähnliches
NOx-Modell ist aus der europäischen Patentschrift
EP 597106 B1 bekannt,
welches die von der Brennkraftmaschine emittierte NOx-Rohemission
stromauf eines NOx-Speicherkatalysators in Abhängigkeit
von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine liefert und es ermöglicht,
die im NOx-Speicherkatalysator absorbierte Menge an NOx-Verbindungen
modellhaft zu berechnen.
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Derartige
NOx-Modelle nach dem Stand der Technik sind häufig aufgrund
der bei ihnen vorgenommenen Vereinfachungen ungenau, so dass große
Sicherheiten eingebaut werden müssen, was ungünstige
Auswirkungen auf die Effizienz und das Emissionsverhalten des Motors
hat. Hinzu kommt, dass diese bekannten (rechnerischen) NOx-Modelle
nur eingeschränkt oder überhaupt nicht in einem
Motorsteuergerät ausgeführt werden können,
da der Speicherbedarf oft zu groß bzw. keine Berechnung
in Echtzeit möglich ist.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 10043383 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung
des Stickoxidgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen bekannt.
Hierzu wird ein auf Kennfeldern oder neuronalen Netzen basierendes
NOx-Modell vorgeschlagen, bei dem die der Brennkraftmaschine zugeführte
Luftmasse erfasst wird und aus mindestens einem aktuellen Messwert
des Motorbetriebs eine Bestimmung des Schwerpunkts der Verbrennung
(50%-Umsatzpunkt, H
50) erfolgt. Aus dem
Wert für die Lage des Schwerpunkts der Verbrennung sowie
den Werten der erfassten Kraftstoffmenge und Luftmasse werden die
NOx-Rohemissionen berechnet.
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Nachteilig
hierbei ist, dass die parallele Bestimmung von Luftmasse, Kraftstoffmasse
und rückgeführte Abgasmasse mit erheblichem Aufwand
verbunden ist. Um die Auswirkungen der Abgasrückführungsrate
auf die Stickstoffbildung im Modell zu berücksichtigen,
wird zusätzlich ein AGR-Sensor benötigt, der weitere
Kosten verursacht. Desweiteren lässt das Verfahren keinen
direkten Schluss zu auf Sollgrößen von emissionsrelevanten
Stellgrößen.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10316112 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb
einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung bekannt. Während
einer Verbrennung wird im Brennraum eine mittlere Gastemperatur
bestimmt und daraus ein Gradient der mittleren Gastemperatur errechnet.
Danach wird ein Stickoxidmodell (NOx-Modell) erstellt.
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Nachteilig
ist, dass die absolute Temperatur im Brennraum nicht eindeutig mit
der NOx-Gasmenge korreliert und der Gradient nur schwierig mit notweniger
Genauigkeit zu bestimmen ist. Um auf die ausgewählte Regelgröße
Sauerstoffgehalt schließen zu können, wird ein
zusätzlicher Sensor benötigt, was kostenungünstig ist.
Die Wahl der Regelgröße Sauerstoffgehalt zur Emissionsoptimierung
erfordert zusätzliche Kennfelder und Umrechnungen im Motorsteuergerät,
da Sauerstoff keine direkte Stellgröße im Motor
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, basierend auf dem Stand der
Technik die Stickoxid-Rohemissionen mit Hilfe eines NOx-Modells
anzugeben, wobei das NOx-Modell problemlos in einem Motorsteuergerät
ausführbar sein und keine merklichen Einschränkungen
aufweisen soll, so dass Effizienz und Emissionsverhalten des Motors
verbessert werden.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit ausgewählten
Merkmalen des Anspruchs 1, wonach ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, vorgeschlagen
wird, bei welchem einem Modell zum Bestimmen einer Abgaszusammensetzung
(Rohemissionsmodell), insbesondere einem NOx-Modell, Angaben über
die Zusammensetzung eines Gasgemisches im Brennraum während
einer Verbrennung, die Verweildauer des Gasgemisches im Brennraum
und einen während einer Verbrennung im Brennraum indizierten
Brennraumdruck zugeführt werden, um Abgasbestandteile, insbesondere
eine Stickoxid-Rohemission, zu bestimmen.
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Das
in der Erfindung aufgezeigte zylinderindividuelle und echtzeitfähige
Rohemissionsmodell verbessert aufgrund der Berücksichtigung
von Brenndauer, Sauerstoffgehalt im Zylinder und AGR-Gasanteil die
Güte der Rohemissionsschätzung. Durch die Invertierbarkeit
des Modells lässt sich eine Abgasrückführungsrate (Quantität
oder Qualität oder beides) im voraus berechnen und als
Eingangsgröße für eine AGR- und Rohemissionsregelung
in einem geschlossen Regelkreis verwenden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen
NOx-Modells kann auf einen Rohemissions-NOx-Sensor verzichtet werden.
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Das
erfindungsgemäße NOx-Modell kann auch als reiner
Emissionsabschätzer dienen, beispielsweise zur Dosierung
bei einer SCR-Harnstoffregelung oder für eine Beladungsabschätzung
eines NOx-Speicherkatalysators im Abgasstrang.
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Das
hier beschriebene NOx-Modell benutzt Eingangsgrößen
für eine empirische Berechnung der NOx-Konzentration (es
ist daher kein physikalisches oder phänomenologisches Modell)
und benutzt die aus der chemischen NOx-Bildung bekannten Mechanismen
als Eingangsgrößen, also z. B. die Sauerstoffkonzentration
und eine charakteristische Brenndauer (und nicht z. B. Größen
wie AGR-Ventilstellung und Drehzahl).
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Die
Eingangsgrößen unterliegen vor der Modellbildung
mathamatischen Umformungen (z. B. einer Berechnung der AGR-Rate
aus einfachen Motorgrößen wie z. B. AGR-Steller
+ Ladedruck + Drehzahl etc.). Da diese Umformungen außerhalb
des Modells abgebildet werden, ergibt sich eine hervorragende Modellgüte.
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Da
das NOx-Model invertierbar ist, kann die NOx-Rohemission aktiv geregelt
werden. Haupteinflussgröße auf die NOx-Bildung
ist die AGR-Rate. D. h., das Modell liefert mit allen Eingangsgrößen
eine Vorhersage für die zu erwartende NOx-Entstehung. Gleichzeitig
kann aber auch ein NOx-Wunsch vorgegeben werden, in dem alle anderen
Parameter festgehalten werden und dann ermittelt wird, welche AGR-Rate
für diese gewünschte NOx-Konzentration notwendig
wäre.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen,
der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen
NOx-Modells mit Modelleingangs- und Modell ausgangsgrößen,
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2a eine
schematische Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen
invertierten NOx-Modells mit Modelleingangs- und Modellausgangsgrößen,
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2b die
im Motorsteuergerät aus einzelnen normierten Motorzustandsgrößen
erfolgende Berechnung der Abgasrückführungsrate
auf Basis des erfindungsgemäßen inversen NOx-Modells
und
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3 eine
schematische Prinzipdarstellung zur Realisierung des erfindungsgemäßen
inversen NOx-Modells zur Einstellung der Abgasrückführungsrate.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt
eine schematische Prinzipdarstellung 1 eines erfindungsgemäßen
NOx-Modells 6 mit Modelleingangsgrößen 2, 3, 4 und
einer Modellausgangsgröße 5. Bei den
Modelleingangsgrößen 2, 3, 4 handelt
es sich beispielsweise um eine Abgasrückführungsmenge 2 (AGR-Menge,
Volumen oder Masse pro Zeiteinheit), um eine oder mehrere Größen 3,
welche von einem (hier nicht dargestellten) Motorsteuergerät
bereitgestellt werden, wie beispielsweise der Zylindertemperatur
vor Verbrennung, und um eine brennraum- oder zylinderdruckbasierte
Größe 4, insbesondere um den Brennraum-
oder Zylinderinnendruck oder eine hiervon abgeleitete Größe,
wie zum Beispiel der mittlere indizierte Brennraumdruckverlauf (Pmi),
das indizierte Motormoment oder die Lage des Schwerpunktes der Verbrennung
(H50).
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Der
Schwerpunkt der Verbrennung beschreibt auf Basis des ersten Hauptsatzes
der Thermodynamik jenen Zustand im Brennraum, bei dem 50% der eingebrachten
Kraftstoffenergie umgewandelt wurde. Die Lage des Schwerpunkts ist
die zugehörige Kurbelwinkelposition, d. h. eine Kurbelwinkelposition
des Kolbens, bei der 50% der an der Verbrennung teilnehmenden Kraftstoffmenge
in Wärme umgesetzt wurde.
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Bei
der Modellausgangsgröße 5 handelt es
sich um die im Abgas des Motors enthaltene Stickoxidmenge (NOx-Menge,
Volumen oder Masse pro Zeiteinheit) oder um eine Größe,
von der aus auf die NOx-Menge im Abgas geschlossen werden kann.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen NOx-Modells 6,
beispielsweise symbolisiert durch eine Funktion f(AGR-Menge, H50), wobei zu den Größen
AGR-Menge und H50 noch weitere Größen
hinzukommen bzw. alternative andere Motorzustandsgrößen
verwendet werden können, kann demnach von den Motorzustandsgrößen
AGR-Menge und H50 auf die emittierte NOx-Menge 5 (NOx)
geschlossen werden.
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Es
gelten folgende Abkürzungen
- AGR:
- Abgasrückführungsrate
- Brd:
- Brenndauer
- H10:
- Lage des 10%-Energieumsatzpunktes
- H50:
- Lage des 50%-Energieumsatzschwerpunktes
- mAGR:
- extern rückgeführte
Gasmenge
- mAGRintern:
- intern rückgeführte
Gasmenge
- mO2:
- Masse an O2
- mZyl:
- Gasmenge im Zylinder
- Pmi:
- mittlerer indizierter
Brennraumdruckverlauf
- PZyl:
- Zylinderdruck
- TZyl:
- Zylindertemperatur.
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Die 2a zeigt
eine schematische Prinzipdarstellung 7 des erfindungsgemäßen
invertierten NOx-Modells 8 mit Modelleingangsgrößen 9, 10, 11 und
einer Modellausgangsgröße 12.
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Bei
den Modelleingangsgrößen 9, 10, 11 handelt
es sich beispielsweise um die im Abgas des Motors enthaltene Stickoxidmenge 9 (NOx-Menge,
Volumen oder Masse pro Zeiteinheit) oder um eine Größe,
von der aus auf die NOx-Menge im Abgas geschlossen werden kann,
um eine oder mehrere Größen 10, welche
von einem (hier nicht dargestellten) Motorsteuergerät bereitgestellt
werden, und um eine brennraum- oder zylinderdruckbasierte Größe 11,
insbesondere um den Brennraum- oder Zylinderinnendruck oder eine
hiervon abgeleitete Größe, wie zum Beispiel der
mittlere indizierte Brennraumdruckverlauf (Pmi), das indizierte
Motormoment oder den Schwerpunkt der Verbrennung (H50).
Bei der NOx-Menge kann es sich auch um eine gewünschte
NOx-Menge handeln, wie sie beispielsweise durch gesetzliche Vorgaben
bestimmt ist.
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Bei
der Modellausgangsgröße 12 handelt es
sich um eine Abgasrückführungsmenge (AGR-Menge, Volumen
oder Masse pro Zeiteinheit). Mit Hilfe des erfindungsgemäßen
NOx-Modells 8, beispielsweise symbolisiert durch eine Funktion
g(NOx-Menge, H50), wobei zu den Größen
NOx-Menge und H50 noch weitere Größen
hinzukommen bzw. alternative andere Motorzustandsgrößen
verwendet werden können, kann demnach auf Basis der Motorzustandsgrößen
NOx-Menge und H50 ein Sollwert (AGR-Soll)
für die AGR-Menge 12 berechnet werden.
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In 2b ist
die Berechnung der Abgasrückführungsrate auf Basis
des erfindungsgemäßen inversen NOx-Modells 8 nach 2a dargestellt.
In 2b in einem Funktionsblock 29 enthaltene
Motorzustandsgrößen entsprechen den Eingangsgrößen 9, 10 und 11 der 2a,
ein Funktionsblock 30 entspricht dem Funktionsblock 8 der 2a,
und eine Modellausgangsgröße 31 (AGR)
entspricht der Modellausgangsgröße 12 (AGR-Soll)
der 2a.
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An
Stelle der beispielhaften Modelleingangsgrößen 9, 10, 11 der 2a werden
nun im Funktionsblock 29 der 2b konkrete
Motorzustandsgrößen, wie mZyl,
Einspritz-Menge, Brd, H50 und der NOx-Massenanteil im Abgas, dem nachgeschalteten
Funktionsblock 30 zugeführt.
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Im
Funktionsblock
30 wird aus den Eingangsgrößen
des Funktionsblocks
29 die Modellausgangsgröße
31,
nämlich die einzustellende AGR-Rate berechnet, und zwar
nach der Berechnungsformel:
wobei die O
2-Menge
m
O2 und die AGR-Menge m
AGR nicht
unbedingt in einem quadratischen Zusammenhang zur Abgasrückführungsrate
AGR stehen müssen, d. h. also ein Bezug zum Quadrat der
Abgasrückführungsrate (AGR
2)
nicht unbedingt gegeben sein muss.
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Zur
Berechnung der Abgasrückführungsrate müssen
die AGR-abhängigen Größen, also die O2-Menge mO2 (Sauerstoffmasse)
und die AGR-Menge mAGR (AGR-Masse) definiert
und die Gleichung danach aufgelöst werden. Dies kann auf
unterschiedliche und bekannte Arten erfolgen.
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Als
Ergebnis der Berechnung im Funktionsblock 30 steht die
Abgasrückführungsrate bzw. ihr Sollwert als Modellausgangsgröße 31 (AGR)
zur Verfügung.
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3 zeigt
eine schematische Prinzipdarstellung
32 zur Realisierung
des erfindungsgemäßen inversen NOx-Modells zur
Einstellung der Abgasrückführungsrate. Beim Betrieb
eines Verbrennungsmotors
33 wird bei jedem der hier dargestellten
sechs Zylinder
34 der Brennraumdruck mittels Drucksensoren
35 gemessen und
die ermittelten Druckwerte beispielsweise mittels einer Daten-,
Signal- oder sonstigen Verbindungsleitung
36 an einen Funktionsblock
37 weitergeleitet.
Im Funktionsblock
37 wird eine Kenngrößenbestimmung
für Verbrennungskenngrößen jedes Zylinders
durchgeführt, zum Beispiel gemäß folgender
Berechnungsformeln:
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Beispielsweise
mittels weiterer Daten-, Signal- oder sonstigen Verbindungsleitungen 38, 39 bzw. 40 werden
Signale oder Daten aus der Kenngrößenbestimmung
des Funktionsblocks 37 an eine Steuerungs- oder Regeleinheit 41 eines
Abgasnachbehandlungssystems AGN und an weitere nachgeschaltete Funktionsblöcke 42 bzw. 43 weitergegeben.
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Der
Funktionsblock 42, der Teil eines Motorsteuergerätes
sein kann, beinhaltet beispielsweise ein Modell zum Bestimmen einer
Abgaszusammensetzung, insbesondere ein Rohemissionsmodell zur Berechnung von
Abgasbestandteilen wie NOx, und ein Modell zur Abschätzung
der internen Abgasrückführung mAGRintern. Ebenfalls
kann im Funktionsblock 42 auf Basis der Kenngrößenbestimmung
im Funktionsblock 37 die Verweildauer des Gases im Brennraum
und die Zusammensetzung des Gasgemisches im Brennraum während
einer Verbrennung bestimmt werden, beispielsweise modellbasiert.
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Zudem
können im Funktionsblock 42 auf Basis der Abgaszusammensetzung
die jeweiligen Anteile des noch zur Verfügung stehenden
Sauerstoffs und der rückgeführten Abgasmenge beispielsweise
modellbasiert bestimmt werden, außerdem aus dem indizierten
Brennraumdruck die Lage eines Umsetzungspunktes HXX,
insbesondere des 10%-Energieumsatzpunktes H10 und
des 50%-Energieumsatzpunktes bzw. Energieumsatzschwerpunktes H50.
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Vom
Funktionsblock 42 bereitgestellte Daten oder Signale werden
beispielsweise mittels einer Datenleitungen 44 an weitere
Funktionsblöcke 45, die Teil eines Motorsteuergerätes
MSG sein können, weitergeleitet.
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Weiterhin
können vom Funktionsblock 42 bereitgestellte Daten
oder Signale mittels einer Datenleitung 46 an den Funktionsblock 43 weitergeleitet
werden. Beim Funktionsblock 43 handelt es sich beispielsweise
um eine Verbrennungsregelung, welche weitere, untergeordnete Regelungen
oder Steuerungen beinhalten kann, zum Beispiel zur Zylinderbefüllung.
Insbesondere kann im Funktionsblock 43 die Berechnung eines
AGR-Sollwertes erfolgen. Mittels einer weiteren Daten-, Signal-
oder sonstigen Verbindungsleitung 44 werden Daten oder
Signale vom Funktionsblock 42 an nachgeschaltete Funktionsblöcke 45,
welche im Motorsteuergerät enthalten sein können,
weitergeleitet. Insbesondere kann in einem der Funktionsblöcke 45 die
Inversion des NOx-Modells vorgenommen, oder es können Zustandsgrößen
wie Brennraum- und Abgastemperatur oder weitere Abgasanteile bestimmt
werden.
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Vom
Funktionsblock 43 führt eine weitere Daten-, Signal-
oder sonstige Verbindungsleitung 47 zu einem Funktionsblock 49,
und eine weitere Daten-, Signal- oder sonstige Verbindungsleitung 48 kann
direkt zum Verbrennungsmotor 33 führen, um beispielsweise
die Verbindung zu Sensoren oder Aktoren herzustellen.
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Beim
Funktionsblock 49 kann es sich insbesondere um einen Mehrgrößenregler
handeln, der Sollwerte zum Betrieb des Verbrennungsmotors 33 bereitstellt
und hierzu mittels einer oder mehrerer Daten-, Signal- oder sonstiger
Verbindungsleitungen 50 mit dem Verbrennungsmotor 33 in
Verbindung steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 554766
B1 [0002]
- - DE 102005032623 A1 [0003]
- - DE 19517168 B4 [0004]
- - EP 597106 B1 [0005]
- - DE 10043383 C2 [0007]
- - DE 10316112 A1 [0009]