DE102008005701A1

DE102008005701A1 - Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008005701A1
Application number: DE200810005701
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmerbeck; Peter Alberti
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Betiebszustandes und/oder zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aus den Messwerten des Schadstoffausstoßes eines Schadstoffes oder einer Schadstoffgruppe und einem für den jeweiligen Schadstoff oder für die Schadstoffgruppe vorbestimmten, insbesondere gesetzlichen Grenzwert jeweils ein Schadstoffverhältnis ermittelt wird. Um eine Reduzierung des Schadstoffausstoßs Messgröße erfassen zu können, wird aus der Summe der ermittelten Schadstoffverhältnisse unter Berücksichtigung eines zugeordneten Wichtungsfaktors des Schadstoffes eine dimensionslose Emissionszahl bestimmt. Erfindungsgemäß können so verschiedene an sich bekannte Schadstoffe und die Grenzwerte in einer gemeinsamen Emissionszahl berücksichtigt werde, die somit eine Aussage hinsichtlich der Einhaltung aller zu berücksichtigenden Grenzwerte der erfassten Schadstoffe gestattet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine und/oder zur Steuerung der Brennkraftmaschine.
Ein solches Verfahren dient insbesondere in Verbindung mit einem Fahrzeugkatalysator der Reduzierung der im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgase. Die Wirkungsweise des Fahrzeugkatalysators beruht auf katalytischen Reaktionen und dient der chemischen Umsetzung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (HmCn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) durch Oxidation beziehungsweise Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei optimalen Betriebsbedingungen können Konvertierungsraten nahe 100% erreicht werden.
Beispielsweise sind durch die DE 44 00 260 A1 Steuerungs- und Regelungssysteme bekannt, mit denen Einstellungen von Verbrennungsmotoren so geregelt werden können, dass sich ein umweltschonender Betrieb ergibt.
Die DE 100 61 645 A1 offenbart auch bereits ein Verfahren zum Betreiben eines magerlauffähigen Ottomotors, bei dem die Katalysatortemperatur in einem Betriebsbereich, in dem infolge der hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen herkömmlicherweise lediglich ein homogenstöchiometrischer Betrieb mit relativ ungünstigen Verbrauchswerten möglich ist, durch Kühlung der dem NOx-Speicherkatalysator zugeführten Abgase und/oder des NO_x-Speicherkatalysators selbst gezielt abgesenkt und stattdessen ein deutlich verbrauchsgünstigerer homogenmagerer Betriebsmodus eingestellt wird. Zur präzisen Regelung des Mager- und NO_x-Regenerationsbetriebes wird vorzugsweise die NO_x-Konzentration im Abgas mittels eines hinter dem NO_x-Speicherkatalysator angeordneten NO_x-Sensors gemessen, dessen Messsignale ebenfalls an der Motorsteuerungseinrichtung anliegen.
Die DE 103 38 775 A1 beschreibt ferner ein Verfahren, bei dem mittels einer Diagnoseeinrichtung überprüft werden soll, ob sich der Verbrennungsmotor in einem Zustand befindet, in dem zwar ein Regelungsziel noch erreicht werden kann, in der jedoch die Maßnahmen zum Erreichen des Regelungsziels derart gravierend sind, dass sich anderweitige Nachteile ergeben. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Ergebnisse können häufig bereits in einem frühen Zustand zukünftig auftretende Abweichungen und Beschädigungen vorhergesagt werden.
Als nachteilig erweist sich bei allen Verfahren, dass die durch die Gesetzgebung für Kraftfahrzeuge limitierten Schadstoffausstöße für verschiedene Schadstoffe nicht umfassend Berücksichtigung finden. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass eine Variation bestimmter Parameter mit dem Ziel, den Ausstoß bestimmter Schadstoffe zu senken, zugleich zu einer Zunahme anderer Schadstoffe führt. Insbesondere führt dieser Umstand oftmals dazu, dass nicht Messwerte, sondern Erfahrungswerte zugrunde gelegt werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes und/oder zur Steuerung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, durch welches eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes im Hinblick auf unterschiedliche Schadstoffe als Messgröße erfassbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes und/oder zur Steuerung einer Brennkraftmaschine vorgesehen, bei dem in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aus den Messwerten des Schadstoffausstoßes eines Schadstoffes oder einer Schadstoffgruppe und einem für den jeweiligen Schadstoff oder für die Schadstoffgruppe vorbestimmten, insbesondere gesetzlichen Grenzwert jeweils ein Schadstoffverhältnis ermittelt wird, wobei aus der Summe der so ermittelten Schadstoffverhältnisse unter Berücksichtigung eines zugeordneten Wichtungsfaktors des Schadstoffes eine dimensionslose Emissionszahl bestimmt wird. Erfindungsgemäß können so verschiedene an sich bekannte Schadstoffe und die Grenzwerte in einer gemeinsamen Emissionszahl berücksichtigt werden, die somit eine Aussage hinsichtlich der Einhaltung aller zu berücksichtigenden Grenzwerte der erfassten Schadstoffe gestattet. Aufgrund ihrer Dimensionslosigkeit gestattet die Emissionszahl eine allgemeingültige Aussage, durch welche die Einhal tung vorgegebener Grenzwerte sowohl im Labor als auch im Fahrbetrieb eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeuges erreicht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass der Schadstoffausstoß als Schadstoffmenge in Bezug auf eine Zeiteinheit bestimmt wird. Hierdurch kann die so ermittelte Emissionszahl unabhängig von einem die Brennkraftmaschine aufnehmenden Kraftfahrzeug unter Labor- oder Versuchsbedingungen genutzt werden. Insbesondere können so die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine unter ständiger Beachtung der die limitierten Schadstoffkomponenten repräsentierenden Emissionszahl als Randbedingung eingestellt werden. Außerdem kann die Emissionszahl auch für die Versuchsauswertung mittels mathematischer Modelle eingesetzt werden.
Hierzu erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Grenzwerte aufgrund vorhandener, auf eine Wegstrecke eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeuges bezogener Grenzwerte unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges in eine Schadstoffmenge je Zeiteinheit umgerechnet wird, sodass nicht etwa zunächst der Einbau der zu untersuchenden Brennkraftmaschine in ein Kraftfahrzeug erforderlich ist, sondern vielmehr von einer Fahrstrecke unabhängige Werte herangezogen werden können.
Die Umrechnung erfolgt dabei aufgrund der gemessenen Geschwindigkeit oder vorzugsweise durch Umrechnung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, der Drehzahl der Brennkraftmaschine, des Drehmomentes der Brennkraftmaschine und/oder der Getriebeübersetzung, bei der jeder Arbeitspunkt einer bestimmten Geschwindigkeit entspricht. Diese umgerechneten Grenzwerte können dann dem Verfahren zur Bestimmung der Emissionszahl unmittelbar zugrunde gelegt werden.
Bei der Anwendung des Verfahrens erweist sich eine Abwandlung als besonders Erfolg versprechend, bei der die jeweiligen Schadstoffverhältnisse zunächst potenziert und/oder mit einem Faktor belegt werden und anschließend die Summe der so ermittelten Schadstoffverhältnisse unter Berücksichtigung eines entsprechenden Wichtungsfaktors gebildet wird.
Selbstverständlich können nahezu beliebige Schadstoffe oder Schadstoffgruppen in die Durchführung des Verfahrens einbezogen werden. Besonders zielführend ist es hingegen, wenn der Schadstoffausstoß für zumindest einzelne der Schadstoffe Ruß, NO_x, HC und/oder CO bestimmt wird, um so die für die Einhaltung der Emissionsstandards wesentlichen Schadstoffe berücksichtigen zu können.
Darüber hinaus können entsprechend einer weiteren, besonders zweckmäßigen Abwandlung der Erfindung auch zusätzliche Parameter und/oder weitere Messwerte in die Bestimmung der Emissionszahl einbezogen werden. Auf diese Weise können beispielsweise auch Geräuschemissionen in dem Verfahren Berücksichtigung finden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips wird diese nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Für eine Brennkraftmaschine existieren eine Vielzahl von Betriebsgrößen und Prozessparametern, beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis oder der Einspritzdruck, die der Steuerung der Brennkraftmaschine dienen. Ziel ist es, für eine oder mehrere dieser Betriebsgrößen den Wertebereich zu bestimmen, der hinsichtlich der Emissionen optimal ist, um vorbestimmte, insbesondere gesetzliche Grenzwerte zuverlässig einhalten zu können.
Die in der Praxis aufgrund von Testzyklen unterschiedlicher Kraftfahrzeuge in Bezug auf eine Wegstrecke definierten Grenzwerte werden zunächst in die zeitbezogene Schadstoffmasse umgerechnet. Dies erfolgt alternativ zu der Messung der Durchschnittsgeschwindigkeit im Testzyklus vorzugsweise über eine Zuordnung, bei der jeder Arbeitspunkt aus der Drehzahl, dem Drehmoment und der Getriebeübersetzung ermittelt wird. Diese umgerechneten Grenzwerte werden dann in die folgende Formel zu Berechnung der Emissionszahl eingesetzt:
Mit den Randbedingungen:
wobei:

C_i(p_k): = Messwert des Schadstoffausstoßes eines Schadstoffes in Abhängigkeit der Eingangsparameter [g/h]
g_i: = Grenzwert des Schadstoffes [g/h]
g_ges: = Summe der Schadstoffgrenzwerte [g/h]
p: = Parameter

Indizes:

i

= Schadstoff oder Schadstoffgruppe

k, l

= Parametervariationen

Die Funktion der Emissionszahl kann in Abhängigkeit der Eingangsparameter mit den zuordbaren aktuellen Emissionswerten berechnet werden. Durch die Minimierung der Emissionszahl in Abhängigkeit der Eingangsparameter können die optimalen Einstellungen im Hinblick auf einen minimalen Schadstoffausstoß und die Erfüllung der jeweiligen Grenzwerte gefunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4400260 A1 [0003]
- DE 10061645 A1 [0004]
- DE 10338775 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes und/oder zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aus den Messwerten des Schadstoffausstoßes eines Schadstoffes oder einer Schadstoffgruppe und einem für den jeweiligen Schadstoff oder für die Schadstoffgruppe vorbestimmten, insbesondere gesetzlichen Grenzwert jeweils ein Schadstoffverhältnis ermittelt wird, wobei aus der Summe der so ermittelten Schadstoffverhältnisse unter Berücksichtigung eines zugeordneten Wichtungsfaktors des Schadstoffes eine dimensionslose Emissionszahl bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadstoffausstoß als Schadstoffmenge in Bezug auf eine Zeiteinheit bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte aufgrund vorhandener, auf eine Wegstrecke eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeuges bezogener Grenzwerte unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges in eine Schadstoffmenge je Zeiteinheit umgerechnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umrechnung der auf die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges bezogenen Grenzwerte die Drehzahl der Brennkraftmaschine, das Drehmoment der Brennkraftmaschine und/oder eine Getriebeübersetzung ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Schadstoffverhältnisse zunächst potenziert und/oder mit einem Faktor belegt werden und anschließend die Summe der so ermittelten Schadstoffverhältnisse unter Berücksichtigung eines entsprechenden Wichtungsfaktors gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadstoffausstoß für zumindest einzelne der Schadstoffe Ruß, NO_x, HC und/oder CO bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Parameter und/oder weitere Messwerte in die Bestimmung der Emissionszahl einbezogen werden.