DE102009021793A1

DE102009021793A1 - Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE102009021793A1
Application number: DE102009021793A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Brauer; Matthias Diezemann
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: DE102009021793B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors zu schaffen, mit dem mit einfachen Mitteln und ohne Messung des Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine die im Brennraum entstehenden Stickoxidemissionen zeitgenau und gegenüber dem Stand der Technik genauer ermittelt werden können. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Stickoxidemissionen im Brennraum eines Dieselmotors dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung anhand der berechneten mittleren Brennraumtemperatur und der eingestellten Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn die adiabate Flammentemperatur in dem Bereich des brennenden Einspritzstrahles berechnet wird, in dem die maßgebliche Stickoxidbildung unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen abläuft und daraus mittels einer in der Motorsteuereinrichtung hinterlegten Transferfunktion des Zusammenhangs der spezifischen Stickoxidemissionen und der adiabaten Flammentemperatur bei einem Lambda-Wert von nahezu eins die im Brennraum entstehende Stickoxidemission ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Bei der Weiterentwicklung von Dieselmotoren besteht unter anderem die Aufgabe darin, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren sowie die Stickoxidationsbildung im Brennraum zu verringern. Bei einem Betrieb des Motors mit verschiedenen Betriebszuständen, wie beispielsweise Änderung des dem Brennraum zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches und/oder der Abgasrückführmenge, ändert sich auch die Stickoxidationsbildung im Brennraum. Die tatsächliche während des Brennvorganges entstehende Menge an Stickoxidationen ist somit schwer bestimmbar.
Aus der DE 60 2005 005 849 T2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der im Brennraum eines Dieselmotors entstehenden Stickoxidmenge bekannt. Dabei wird die Stickoxidmenge ermittelt durch

– Bestimmen der Flammenfront-Temperatur bei der Verbrennung des dem Zylinder zugeführten Gemisches,
– Bestimmen der Masse des im Zylinder verbrannten Kraftstoffes und
– Berechnen der Stickoxidmenge, die durch die Verbrennung des Gemisches im Zylinder emittiert wird, in Abhängigkeit vom erfassten Druck, dem erfassten Massenanteil von Sauerstoff im Gemisch, der Flammenfront-Temperatur und der Masse des verbrannten Kraftstoffes, die bestimmt worden sind.

Aus der Temperatur des nicht verbrannten zugeführten Gemisches zu einem Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung des Gemisches im Zylinder wird die theoretische adiabatische Temperatur der sich im Inneren der Verbrennungskammer des Zylinders ausbreitenden Flammenfront ermittelt.
Nachteilig bei dieser Methode zur Bestimmung der Stickoxidmenge im Brennraum eines Dieselmotors ist, dass der Zylinderinnendruck mittels eines Sensors ermittelt werden muss. Die Druckermittlung ist schwierig und bei geringfügig abweichenden Werten wird das Ergebnis der bestimmten Stickoxidmenge verfälscht. Ein weiterer Nachteil ist, dass aufgrund des Verbrennungsverlaufs des Einspritzstrahls in dem Brennraum und der damit verbundenen unterschiedlichen Temperatur entlang des Einspritzstrahles die adiabatische Temperatur im Brennraum auch unterschiedliche Werte annimmt. Eine genaue Bestimmung der sich im Brennraum bildenden Stickoxide ist somit nicht möglich.
Aus der DE 103 16 112 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem während der Verbrennung im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, aus der ein Gradient der mittleren Gastemperatur errechnet wird. Aus dem Wert des Gradienten der mittleren Gastemperatur und/oder aus dem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Zylinder wird eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt. Die Motorparameter werden dabei so eingestellt, dass die entstehenden Stickoxidemissionen reduziert werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass der Gradient der mittleren Gastemperatur und der Maximalwert der mittleren Gastemperatur keine exakten Führungsgrößen für die Ermittlung der Stickoxidemissionen im Brennraum darstellen. Durch einzelne Temperaturspitzen, die durch die mittleren Werte nicht erfasst werden, kann die Stickoxidbildung erheblich vergrößert werden, so dass das Endergebnis fehlerbelastet ist.
Aus der DE 101 48 663 A1 und der DE 100 43 383 C2 sind beispielsweise Verfahren zur Ermittlung des Stickoxidgehaltes in Abgasen von Brennkraftmaschinen insbesondere von direkteinspritzenden Ottomotoren bekannt. Diese Verfahren sind nicht geeignet für dieselmotorisch betriebene Verbrennungskraftmaschinen, da infolge der unterschiedlichen Zündungen des Gemisches im Brennraum sich unterschiedliche Brennverläufe einstellen, die eine unterschiedliche Bildung des Stickoxidgehaltes zur Folge haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors zu schaffen, mit dem mit einfachen Mitteln und ohne Messung des Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine die im Brennraum entstehenden Stickoxidemissionen zeitgenau und gegenüber dem Stand der Technik genauer ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Stickoxidemissionen im Brennraum eines Dieselmotors dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung anhand der berechneten mittleren Brennraumtemperatur und der eingestellten Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn die adiabate Flammentemperatur in dem Bereich des brennenden Einspritzstrahles berechnet wird, in dem die maßgebliche Stickoxidbildung unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen abläuft und daraus mittels einer in der Motorsteuereinrichtung hinterlegten Transferfunktion des Zusammenhangs der spezifischen Stickoxidemissionen und der adiabaten Flammentemperatur bei einem Lambda-Wert von nahezu eins die im Brennraum entstehende Stickoxidemission ermittelt wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass anhand der adiabaten Flammentemperatur des Einspritzstrahles bei einer stöchiometrischen Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Einspritzstrahl die Bildung der Stickoxidemissionen im Brennraum ermittelt und mittels der Transferfunktion temperaturbezogen die entstehende Stickoxidmenge in ihrer Größe und hinsichtlich ihres Entstehungszeitpunkts sehr genau berechnet werden kann. Die Ermittlung der Stickoxide erfolgt dabei ohne eine Messung des Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die ermittelten Stickoxidemissionen über die Motorsteuereinrichtung die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine derart eingestellt werden, dass im Brennraum ein Grenzwert der Bildung der Stickoxidemission nicht überschritten wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. In der dazugehörigen Zeichnung ist der funktionale Zusammenhang zwischen der Bildung der spezifischen Stickoxidemissionen im Brennraum eines Dieselmotors und der adiabaten Flammentemperatur des Einspritzstrahles des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff-Luftgemisches dargestellt.
Es wurde erkannt, dass die Bildung der Stickoxidemissionen im Brennraum eines Dieselmotors zum Brennbeginn im Brennraum in Abhängigkeit vom Temperaturniveau entlang des aus dem Kraftstoff-Luftgemisch bestehenden Einspritzstrahles erfolgt. Bedingt durch die unterschiedlichen Verbrennungsverhältnisse des Kraftstoff-Luftgemisches im Einspritzstrahl entsteht entlang des Brennstoffstrahles ein unterschiedliches Temperaturniveau. Außerdem ist bekannt, dass sich bei stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen ein Temperaturmaximum ausbildet. Somit ergibt sich, dass zur Bestimmung der Bildung der Stickoxidemissionen im Brennraum die adiabatische Flammentemperatur des Einspritzstrahles bei stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen zugrunde gelegt wird.
Die adiabatische Flammentemperatur kennzeichnet dabei die Temperatur, die sich nach dem vollständigen Ablauf der Verbrennung, bei der das Kraftstoff-Luftgemisch keinerlei Wärme mit der Umgebung mehr austauscht, ergibt. Unter stöchiometrischer Verbrennung ist ein optimales Kraftstoff-Luftgemisch zu verstehen, bei der eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes mit der eingestellten Luftmenge erfolgt.
Die Bestimmung der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors erfolgt erfindungsgemäß mittels einer online-Berechnung in einer im Kraftfahrzeug vorhandenen Motorsteuereinrichtung. Mit der an sich bekannten Motorsteuereinrichtung werden anhand des vom Fahrer geforderten Fahrerwunschmomentes die Parameter des Betriebes der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise der Lambda-Wert des dem Brennraum zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches, die dem Brennraum zugeführte Ladungsmasse und die Drehzahl des Motors, eingestellt. Die dem Brennraum zugeführte Ladungsmasse kann aus Frischluft und Abgasrückführungsgas bestehen. Neben der Regelung der Betriebsverhältnisse des Motors werden durch die Motorsteuereinrichtung auch die aktuellen Betriebswerte des Motors, wie Temperatur, Drehzahl usw., erfasst und angezeigt. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Stickoxidemissionen im Brennraum eines Dieselmotors dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung anhand der berechneten mittleren Brennraumtemperatur und der eingestellten Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn die adiabate Flammentemperatur in dem Bereich des brennenden Einspritzstrahles berechnet wird, in dem die maßgebliche Stickoxidbildung unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen abläuft. Aus der im Einspritzstrahl bei der stöchiometrischen Verbrennung ermittelten adiabaten Flammentemperatur wird mittels einer in der Motorsteuereinrichtung hinterlegten Transferfunktion des Zusammenhangs der spezifischen Stickoxidemissionen und der adiabaten Flammentemperatur bei einem Lambda-Wert von nahezu eins die im Brennraum entstehende Stickoxidemission ermittelt.
In der Zeichnung ist der funktionale Zusammenhang zwischen der im Brennraum entstehenden spezifischen Stickoxidemission und der adiabaten Flammentemperatur bei der Verbrennung des aus Kraftstoff-Luftgemisch bestehenden Einspritzstrahles bei einem Lambda-Wert von eins dargestellt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass bei stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen unterhalb von 2200 K keine nennenswerten Stickoxide gebildet werden. Mit größer werdender adiabatischer Flammentemperatur steigt die Bildung der Stickoxidemissionen im Brennraum stark entsprechend der dargestellten Transferfunktion an. Die Bildung der Stickoxidemission bei stöchiometrischer Verbrennung in Abhängigkeit von der adiabaten Flammentemperatur wird durch die Transferfunktion f(x) = (a·(b·e^(c·x)) + d·e^(f + g/x + h·ln(x))))/(a + d)

f(x): = berechnete spezifische Stickoxidemissionen
x: = adiabate Flammentemperatur in der Stickoxidbildungszone bei Lambda = 1
a, b, c, d, f, g und h: motorkonzeptabhängige Parameter

Die mittlere Brennraumtemperatur wird in der Motorsteuereinrichtung mittels eines Modells ermittelt. Als Ausgangswerte für die Modellberechnung werden das bekannte Verdichtungsverhältnis des Zylindervolumens, die Zusammensetzung und Größe der Ladungsmasse bei einem eingestellten Lambda-Wert, die Ladungstemperatur und der zugeführte Ladungsdruck zugrunde gelegt. Aus den bekannten und gemessenen oder ermittelten Parametern wird somit durch die Motorsteuereinrichtung die mittlere Brennraumtemperatur zum Zeitpunkt des Brennbeginns ermittelt. Es ist natürlich selbstverständlich, dass auch andere Methoden zur Ermittlung der mittleren Brennraumtemperatur zum Zeitpunkt des Brennbeginns erfindungsgemäß zum Einsatz kommen können.
Der Brennbeginn wird durch den Bestromungsbeginn der Einspritzventile und den Zündverzug bestimmt.
Der Zündverzug kann durch eine Kennfeldstruktur hinterlegt sein oder durch einen funktionalen Zusammenhang wie unten beispielhaft beschrieben sein.
Die Zündverzugszeit
Der Zündverzugswinkel

φz = ω·tz

Dabei sind:

t₀: = 0,5·10^–3 s
t₁: = 5,3·10^–6 s
p₁: = 10 MPa
ω: Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
E: Aktivierungsenergie
R: Gaskonstante
T: Gastemperatur

Die Bestimmung der Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn erfolgt ebenfalls in der Motorsteuereinrichtung mittels eines an sich bekannten Modells eines Luftpfades, hierbei wird der Sauerstoffanteil der Frischluft, der Sauerstoffanteil der Abgasrückführrate und der Sauerstoffanteil des verbliebenen Restgases im Zylinder berücksichtigt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der im Brennraum ermittelten Stickoxidemission die dem Brennraum zugeführte Zusammensetzung und Größe der Ladungsmasse derart eingestellt, dass ein festgelegter Grenzwert der Bildung der Stickoxidemission im Brennraum der Brennkraftmaschine nicht überschritten wird.
Dadurch wird es möglich, die Brennkraftmaschine bei einer Verringerung des Kraftstoffbedarfs und einer Reduzierung der Stickoxidemission optimaler zu betreiben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der im Brennraum ermittelten Stickoxidemission die dem Brennraum zugeführte Zusammensetzung und Größe der Ladungsmasse derart eingestellt, dass eine prädiktive Vorsteuerung der für die Stickoxidbildung verantwortlichen Motorstellgrößen in der Art ermöglicht wird, dass eine transiente Motorbetriebspunktänderung erfolgen kann, ohne dass auf dem Weg zur neuen Fahrerwunschgeschwindigkeit für die Stickoxidbildung ungünstige Motorsteuerungsparameter eingestellt 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 602005005849 T2 [0003]
- DE 10316112 A1 [0006]
- DE 10148663 A1 [0008]
- DE 10043383 C2 [0008]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Stickoxidemission im Brennraum eines Dieselmotors, dessen Betriebsparameter durch eine Motorsteuereinrichtung eingestellt und die Stickoxidemission in Abhängigkeit einer ermittelten adiabaten Flammentemperatur im Brennraum bestimmt wird, gekennzeichnet dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung anhand der ermittelten mittleren Brennraumtemperatur und der eingestellten Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn die adiabate Flammentemperatur im Bereich des brennenden Einspritzstrahles, in dem die maßgebliche Stickoxidbildung unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen abläuft, berechnet wird und daraus mittels einer in der Motorsteuereinrichtung hinterlegten Transferfunktion des Zusammenhangs der spezifischen Stickoxidemissionen und der adiabaten Flammentemperatur bei einem Lambda-Wert von nahezu 1 die im Brennraum entstehende Stickoxidemission ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung die mittlere Brennraumtemperatur mittels eines Modells anhand des Verdichtungsverhältnisses des Zylindervolumens, der Zusammensetzung und Größe der Ladungsmasse, der Ladungstemperatur und des Ladungsdruckes zum Zeitpunkt „Einlassventil schließt” ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass in der Motorsteuereinrichtung die Bestimmung der Sauerstoffrate im Brennraum zu Brennbeginn mittels eines in der Motorsteuereinrichtung hinterlegten modellierten Luftpfades erfolgt, bei dem der Sauerstoffanteil der Frischluft, der Sauerstoffanteil der Abgasrückführrate und der Sauerstoffanteil des verbliebenen Restgases im Zylinder als Eingangsgrößen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfunktion zur Ermittlung der Stickstoffemissionen aus dem Zusammenhang zwischen spezifischer Stickoxidemission und der lokalen adiabaten Flammentemperatur des Einspritzstrahles gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfunktion durch die Funktion f(x) = (a·(b·e^(c·x)) + d·e^(f + g/x + h·ln(x))))/(a + d)dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfunktion durch eine einen e-Funktionsanteil beinhaltende Funktion dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennbeginn durch den Bestromungsbeginn der Einspritzventile und den Zündverzug bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der im Brennraum ermittelten Stickoxidemission die dem Brennraum zugeführte Zusammensetzung und Größe der Ladungsmasse derart eingestellt wird, dass ein festgelegter Grenzwert der Bildung der Stickoxidemission im Brennraum der Brennkraftmaschine nicht überschritten wird.