DE102009026556A1

DE102009026556A1 - Verfahren zur Begrenzung der Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors sowie Steuerung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009026556A1
Application number: DE102009026556A
Authority: DE
Inventors: Simon Petrovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden können, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Motorsteuerung. Gemäß der Erfindung wird der aktuelle Stickoxidgehalt im Abgas überwacht. Wenn eine Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von einem gespeicherten Sollwert um mehr als einen voreingestellten Wert festgestellt wird, wird mindestens ein Grund-Einstellpunkt des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert modifiziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden, sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Motorsteuerung.
Der zulässige Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren wird aufgrund von Emissionsvorschriften immer schärfer begrenzt, z. B. nach den Standards Euro 6 in Europa oder Tier 2, Bin 5 oder LEV in den USA. Um derartige neue Standards einzuhalten, benutzen manche Hersteller entweder verschiedene Verbrennungsstrategien wie z. B. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) oder aktive Abgasnachbehandlungsvorrichtungen wie z. B. Stickoxidfallen oder SCR (Selective Catalytic Reduction). Diese Technologien erfordern einen erheblichen Forschungs- und Entwicklungsaufwand, erhöhen die Systemkomplexität und belasten auch den Endverbraucher, nicht nur aufgrund der technologischen Zusatzkosten, sondern letztlich auch aufgrund erhöhten Kraftstoffverbrauchs.
Um gegenwärtigen und zukünftigen Emissionsvorschriften zu genügen, müssen unter anderem die Stickoxidemissionen reduziert werden. Gegenwärtig wird hierzu ein Teil des Abgases in den Ansaugkrümmer rückgeführt. Dies wird u. a. dazu eingesetzt, die Spitzentemperaturen im Zylinder zu reduzieren oder zu kontrollieren, wodurch wiederum die Bildung von Stickoxiden (NOx) reduziert wird.
Üblicherweise werden Verbrennungsmotoren auf einem Prüfstand im stationären Betrieb kalibriert. Dies geschieht unter ergänzender Berücksichtigung potentieller Übergangszustände, zum Beispiel Überaufladung, bei der kurzzeitig ein höherer Ladedruck toleriert wird.
Während des Kalibrierungsprozesses wird die Motorleistung optimiert, was bedeutet, dass u. a. ein Kompromiß zwischen Emissionen (Feinstaub, NOx, CO/HC) einerseits und Kraftstoffverbrauch und Drehmoment/Leistung andererseits eingestellt wird.
Toleranzbedingte Abweichungen von Motor zu Motor, Störfaktoren wie z. B. Sensor- oder Aktuatorabweichungen (z. B. kann die Turboladerschaufelposition von Motor zu Motor verschieden sein) sowie Drift- und Alterungseffekte bei Langzeitgebrauch können dazu führen, dass die tatsächlichen NOx-Emissionen letztlich aus dem Rahmen der Spezifikation fallen.
In vielen Fällen beinhalten Emissionsziele – wie z. B. die Euro-Enormen – so enge Stickoxid-Ziele, dass diese nur durch eine NOx-Nachbehandlung – z. B. mit Stickoxidfallen oder SCR-Systemen – erreichbar sind. Aber auch bei Vorhandensein entsprechender Abgasbachbehandlungssysteme besteht ein Interesse, den Stickoxid-Rohrausstoß des Verbrennungsmotors innerhalb gewisser Grenzen zu halten, da dies die Auslegung und den Regenerationsbedarf entsprechender Abgasnachbehandlungssysteme beeinflußt.
In jedem Fall – ob mit oder ohne NOx-Nachbehandlung – besteht somit ein Bedürfnis nach einem einfachen Verfahren, die Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Motorsteuerung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Motorsteuerung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Um die erfindungsgemäße Steuerung während des Betriebs des Verbrennungsmotors durchführen zu können, werden im Rahmen von Kalibrierungsmessungen stationär durchgeführte, innerhalb der zulässigen Grenzen bleibende NOx-Messungen in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Drehmomentbedarf in einer Tabelle oder Karte integriert, wobei auch zulässige Toleranzen in Form von oberen und unteren Grenzwerten eingeschlossen werden. Diese NOx-Messungen können für jeden Verbrennungsmotortyp individuell durchgeführt werden.
Im späteren Betrieb des Verbrennungsmotors wird der Stickoxidgehalt im Abgas z. B. durch Messung mittels eines NOx-Sensors überwacht. Alternativ kann der Stickoxidgehalt im Abgas auch anhand der Meßwerte anderer Sensoren am Verbrennungsmotor bzw. im Abgasstrang geschätzt werden, indem man den Umstand ausnutzt, dass es gewisse Korrelationen zwischen dem Stickoxidgehalt und anderen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors gibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein gefilterter Sollwertfehler als ein gespeicherter NOx-Sollwert minus der Schätzung oder Messung des Stickoxidgehaltes definiert. Wenn der gefilterte Sollwertfehler im regulären Betrieb des Verbrennungsmotors voreingestellte untere und obere Grenzwerte unterschreitet bzw. übersteigt, wird dieser in einen oder mehrere Modifizierer (Modifizierungstabellen oder -karten) eingegeben. Ein derartiger Modifizierer fügt einem aktuellen Grund-Einstellpunkt des Verbrennungsmotors – wie z. B. Einspritzbeginn, Kraftstoffleistendruck, Kraftstoffmenge, Ladedruck und Stellung eines Abgasrückführungsventils – ein Offset hinzu, welches geeignet ist, die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten, wie man aus den vorhergegangenen stationären Messungen oder aus Modellrechnungen weiß.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens hat zur Folge, dass die Stickoxidemissionen gegenüber den anfänglichen Kalibrierungspunkten des Verbrennungsmotors im Wesentlichen gleich bleiben, weshalb die Stickoxidemissionen innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben, und zwar unabhängig von Abweichungen von Motor zu Motor, von Störfaktoren wie z. B. Sensor- oder Aktuatorabweichungen, von Effekten durch Leistungsverschlechterung – wie z. B. durch Verrußung von Abgasventilen – sowie von Alterungseffekten.
Weil im Rahmen der Erfindung der Stickoxidgehalt bewußt nicht in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird, sondern nur eine Steuerung durchgeführt wird, bei der lediglich gewisse Grund-Einstellpunkte des Verbrennungsmotors geeignet modifiziert werden, wenn eine nennenswerte Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes festgestellt wird, lassen sich das Verfahren der Erfindung und die zu dessen Durchführung eingerichtete Motorsteuerung besonders einfach in einem Verbrennungsmotor realisieren. Hierdurch werden insbesondere Regelschwingungen und Rückkopplungseffekte vermieden. Eine Rückkopplungs-Regelung ist generell deshalb schwierig, da die zu kompensierenden Abweichungen hinsichtlich der NOx-Emissionen auf langfristigen Drifteffekten beruhen und die NOx-Messungen bzw. Schätzungen schon ebenfalls relativ träge auf Veränderungen reagieren. Eine Rückkopplungsregelung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 die Entwicklung der Emissionsvorschriften der EU,
2 eine Prinzipskizze der Art und Weise, wie Einstellpunkte eines Verbrennungsmotors üblicherweise festgelegt werden, und
3 ein Beispiel, wie ein Einstellpunkt eines Verbrennungsmotors festgelegt wird, um dessen Stickoxidemissionen innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.
1 zeigt die Entwicklung der Emissionsvorschriften für Verbrennungsmotoren in der Europäischen Union, nämlich die Obergrenzen für Ausstoß von CO2, NOx und Feinstaub für die Standards Euro 3 bis Euro 6 im Prüfzyklus NEDC (neuer europäischer Fahrzyklus), wobei die älteren CO2-Grenzwerte der freiwilligen Selbstbeschränkung des europäischen Automobilherstellerverbands ACEA entsprechen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nachfolgend beschrieben, wie ein Verbrennungsmotor im regulären Betrieb auf eine drehmomentbasierte Art und Weise angesteuert wird, nachdem dieser im stationären Betrieb kalibriert worden ist, wobei ein Kompromiß zwischen Schadstoffemissionen einerseits und Kraftstoffverbrauch und Motorleistung andererseits eingestellt worden ist.
Insbesondere wird in einem Block 2 eine Drehmomentanforderung an der Kupplung als Funktion der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl N festgelegt, wobei diese Funktion normalerweise ein herstellertypisches Attribut beinhaltet, nämlich das Fahrbarkeitsgefühl. Die Abhängigkeit der Drehmomentanforderung von der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl N ist eine motorspezifische Funktion, die z. B. in Form einer mehrdimensionalen Karte oder Tabelle in dem elektronischen Steuergerät (ECU) des Verbrennungsmotors gespeichert ist.
Die in Block 2 und einigen anderen Blöcken schematisch eingezeichneten mehreren Kennlinien zeigen an, dass das Ausgangssignal des jeweiligen Blocks von mehreren Eingangsparametern abhängt, im Falle des Blocks 2 von der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl N.
In einem Block 4 wird aus der Motordrehzahl N außerdem ein Drehmomentverlust aufgrund der von Hilfsaggregaten ausgeübten Lasten ermittelt, einschließlich des Drehmomentverlustes durch die Lichtmaschine, der Motorreibungs- und -pumpverluste, der Kühlmittelpumpenverluste, der Hochdruckkraftstoffpumpenverluste, der Kraftstoffeinspritzanlage usw. Die Abhängigkeit des Drehmomentverlustes von der Motordrehzahl N ist eine motorspezifische Funktion, die z. B. in Form einer Karte oder Tabelle in dem elektronischen Steuergerät des Verbrennungsmotors gespeichert ist.
Die in Block 2 festgelegte Drehmomentanforderung und der im Block 4 ermittelte Drehmomentverlust werden bei 6 zu einem indizierten Drehmoment-Sollwert TQISP addiert. Der Ausdruck ”indizierter Drehmoment-Sollwert” bezeichnet in diesem Zusammenhang die Anforderung des durch Verbrennung erzeugten Drehmoments vor der Kupplung. Dieser Drehmoment-Sollwert wird zusammen mit der Motordrehzahl N verwendet, um Grund-Einstellpunkte des Verbrennungsmotors zu berechnen, so in Block 8 den Einspritzbeginn SOI (Start of Injection), in Block 10 den Kraftstoffleistendruck, in Block 12 die Kraftstoffmenge sowie in weiteren, nicht gezeigten Blöcken weitere Einstellpunkte des Verbrennungsmotors, z. B. einen Ladedruck, die Stellung eines Abgasrückführungsventils (EGR-Ventils) usw. Falls erforderlich, können die auf diese Weise berechneten Einstellpunkte anschließend noch in Bezug auf Umgebungsbedingungen korrigiert werden und/oder es können Korrekturterme für transiente oder Übergangszustände hinzugefügt werden.
Varianten dieses Prinzips können umfassen, in Block 2 statt einer kupplungsbezogenen Drehmomentanforderung eine auf die Fahrzeugräder bezogene Drehmomentanforderung festzulegen, welche die Drehmoment- und Transmissionsverluste hinter der Kupplung einschließt.
Durch die Kalibrierung im stationären Betrieb ist an sich dafür gesorgt, dass die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben. Dies gilt jedoch prinzipiell nur für den Auslieferungszustand des Verbrennungsmotors und bei Einhaltung bestimmter Fertigungstoleranzen. Alterung und andere Prozesse können dazu führen, dass sich die Stickoxidemissionen mit der Zeit ändern. Dem wird mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren entgegengewirkt:
Wenn der Verbrennungsmotor kalibriert ist, kann der NOx-Ausstoß als Sollwert NOxSP mit oberen und unteren akzeptablen Toleranzen formuliert werden: NOxSP = f(N, TQISP) NOxSP– ≤ (NOxmeas oder NOxest) ≤ NOxSP+worin N die Motordrehzahl ist, TQISP der indizierte Drehmoment-Sollwert ist, NOxmeas ein gemessener Stickoxidgehalt ist (alternativ kann ein geschätzter Stickoxidgehalt NOxest verwendet werden) sowie NOxSP– und NOxSP+ obere und untere Grenzwerte für den NOx-Sollwert darstellen.
Mit einer aktuellen Messung oder Schätzung des Stickoxidgehaltes kann ein gefilterter, d. h. zeitlich gemittelter NOx-Sollwertfehler δNOxfilt wie folgt berechnet werden: δNOxfilt = filter(NOxSP – (NOxmeas oder NOxest), TC)worin ”filter” eine Tiefpaßfilterung zur Eliminierung von kurzzeitigen Abweichungen und TC die Zeitkonstante der Filterung darstellt.
Dementsprechend sind zwei Fälle zu unterscheiden: wenn der gefilterte NOx-Sollwertfehler δNOxfilt innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, sind die NOx-Emissionen in Ordnung, und wenn der gefilterte Sollwertfehler außerhalb der zulässigen Grenzen liegt, werden Grund-Motoreinstellpunkte als Funktion des gefilterten NOx-Sollwertfehlers modifiziert. Diese Situation kann wie folgt zusammengefaßt werden: NOxSP– ≤ (NOxmeas oder NOxest) ≤ NOxSP+ → Keine Einstellpunkt-Modifizierung (NOxmeas oder NOxest) < NOxSP– oder > NOxSP+ → Modifiziere Einstellpunkte
In 3 ist ein Beispiel für eine Modifizierung des Einspritzbeginns SOI als einen Grund-Motoreinstellpunkt dargestellt, worin der Block 8 dem Block 8 von 2 entspricht. Zu dem im Block 8 berechneten Einspritzbeginn SOIBasis wird bei 14 ein Timing-Offset δSOI addiert, um einen korrigierten Einspritzbeginn SOIkorrigiert zu ergeben, mit dem der Verbrennungsmotor angesteuert wird. Das Timing-Offset δSOI wird im Block 16 aus dem gefilterten NOx-Sollwertfehler δNOxfilt berechnet, wobei die durch den Block 16 verkörperte Abhängigkeit des Timing-Offsets δSOI vom gefilterten NOx-Sollwertfehler δNOxfilt eine motorspezifische Funktion ist, die z. B. in Form einer Tabelle, einer Karte oder Tabelle in dem elektronischen Steuergerät des Verbrennungsmotors gespeichert ist.
Das Timing-Offset δSOI ist begrenzt oder kann begrenzt werden, um in Fahrbarkeitsgefühl nicht zu sehr zu beinträchtigen bzw. zu vermindern. Für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug bedeutet das, daß einer OBD Einheit (On Board Diagnosis, Fahrzeugdiagnoseeinheit) eine Funktion hinzugefügt wird, die anzeigt, wenn eine NOx Emissionsgrenze überschritten wird.
Auf ähnliche Weise werden der Kraftstoffleistendruck und die Kraftstoffmenge korrigiert, indem die Blöcke 10 und 12 von 2 auf die in 3 gezeigte Weise ergänzt werden, und ggf. werden weitere Einstellpunkte des Verbrennungsmotors wie z. B. Ladedruck, EGR-Ventilstellung usw. korrigiert.

Claims

Verfahren zum Halten der Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors innerhalb zulässiger Grenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Stickoxidgehalt im Abgas überwacht wird und, wenn eine Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von einem gespeicherten Sollwert (NOxSP) um mehr als einen voreingestellten Wert festgestellt wird, mindestens ein Grund-Einstellpunkt des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidgehalt im Abgas gemessen oder geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Grund-Einstellpunkt des Verbrennungsmotors der Einspritzbeginn, der Kraftstoffleistendruck, die Kraftstoffmenge, der Ladedruck und/oder die Stellung eines Abgasrückführungsventils ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des mindestens einen Grund-Einstellpunktes von der Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert im Voraus in dem elektronischen Steuergerät des Verbrennungsmotors gespeichert wird, und zwar in Form einer Karte oder Tabelle.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Karte oder Tabelle auf vorher stationär durchgeführten Stickoxidmessungen in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Drehmomentbedarf basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert fortlaufend gemessen und tiefpaßgefiltert wird, dass die tiefpaßgefilterte Abweichung (δNOxfilt) des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert mit einem unteren und einem oberen voreingestellten Grenzwert verglichen wird und dass der mindestens eine Grund-Einstellpunkt des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der tiefpaßgefilterten Abweichung des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert modifiziert wird, wenn die tiefpaßgefilterte Abweichung (δNOxfilt) des überwachten Stickoxidgehaltes von dem gespeicherten Sollwert den unteren Grenzwert unterschreitet oder den oberen Grenzwert übersteigt.
Motorsteuerung für einen Verbrennungsmotor, mit einer Einrichtung zum Messen oder Schätzen des aktuellen Stickoxidgehaltes im Abgas des Verbrennungsmotors, einer Einrichtung (2) zum Festlegen einer Drehmomentanforderung als Funktion der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl, einer Einrichtung (4) zum Ermitteln eines Drehmomentverlusts aufgrund der von Hilfsaggregaten des Verbrennungsmotors ausgeübten Lasten und mindestens einer Einrichtung (8, 10, 12) zum Festlegen eines Grund-Einstellpunktes des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der festgelegten Drehmomentanforderung und dem ermittelten Drehmomentverlust, gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung (14, 16) zum Modifizieren eines Grund-Einstellpunktes des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einer eventu ellen Abweichung des aktuellen Stickoxidgehaltes von einem gespeicherten Sollwert (NOxSP), um die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.
Motorsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 eingerichtet ist.