DE102009032659A1

DE102009032659A1 - Kombinierte Rauchbegrenzung

Info

Publication number: DE102009032659A1
Application number: DE102009032659A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schnorbus
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens während eines transienten Betriebs einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer NOx-Begrenzung wie auch einer Rußbegrenzung unter Berücksichtigung einer Abgasrückführung, wobei auf Basis einer Drehmomentanforderung eine erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt wird, auf Basis der erforderlichen Kraftstoffmenge ein erforderlicher Luftmassen- und Abgasrückführungsstrom ermittelt wird und ein jeweiliger NOx- wie auch O2-Sollwert an die erforderliche Kraftstoffmenge zur Vermeidung eines unerwünschten Drehmomentgradienten angepasst wird, und daraus eine einzuspritzende Kraftstoffmenge und eine Einspritzform bestimmt wird. Des Weiteren wird eine Verbrennungskraftmaschine mit einem entsprechenden Verfahren vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuergerät zur Umsetzung des Verfahrens.
Aus der JP 2006083735 A2 geht eine Motorsteuerung für eine Dieselmaschine hervor, bei der einerseits NOx-Emissionen, andererseits eine Partikelemission durch Nutzung einer Abgasrückführungsrate als Parameter und Erstellung eines Abschätzungsmodells, welches die NOx-Generierung auf Basis eines Einlasssauerstoffgehaltes und einer Abschätzung von Partikeln auf Basis einer Überschuss-Luftrate berechnet. Dieses modellhafte Vorgehen soll in der Lage sein, vorgebbare Grenzwerte insbesondere hinsichtlich einer NOx- wie auch einer Partikelemission einhalten zu können, wobei eine Abgasrückführungsrate hierzu als Zielparameter mit genutzt wird. Aus der DE 10 2007 019 649 A1 geht eine Regelung basierend auf einem Rohemissionsmodell hervor. Das Rohemissionsmodell kann insbesondere ein NOx-Modell umfassen. Durch eine Invertierbarkeit des Modells soll eine Abgasrückführungsrate quantitäts- wie auch qualitätsmäßig im Voraus berechnet werden können und darüber eine Eingangsgröße für eine Abgasrückführung und Rohemissionsregelung in einem geschlossenen Regelkreis aufgefunden werden. Als ein Vorteil einer Invertierbarkeit des NOx-Modells wird angegeben, dass die NOx-Rohemissionen aktiv geregelt werden können. Als Eingangsgrößen für das Modell werden zum Beispiel die Sauerstoffkonzentrationen eingestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens für eine Dieselverbrennungskraftmaschine zu schaffen, welches insbesondere in allen Betriebspunkten einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen und Merkmale gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor. Die dort hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Unteransprüche beschränkt, sondern können mit anderen Merkmalen aus anderen Unteransprüchen wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung zu Weiterbildungen verknüpft werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens während eines transienten Betriebs einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine mit einer NOx-Begrenzung wie auch einer Rußbegrenzung unter Berücksichtigung einer Abgasrückführung vorgeschlagen, wobei auf Basis einer Drehmomentanforderung eine erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt wird, auf Basis der erforderlichen Kraftstoffmenge ein erforderlicher Luftmassen- und Abgasrückführungsstrom ermittelt wird und ein jeweiliger NOx-Sollwert angepasst wird an eine Rußbegrenzungsänderung hervorgerufen durch die Drehmomentenanforderung, wie auch ein O2-Sollwert zur Vermeidung eines unerwünschten, insbesondere negativen Drehmomentgradienten angepasst wird, wobei eine Abwägung erfolgt zwischen Rußbegrenzungsänderung und damit gekoppelt, in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung tatsächlich zur Verfügung zu stellendem Drehmoment, woraus eine einzuspritzende Kraftstoffmenge, der daran angepasste O2-Sollwert und eine einzuspritzende Einspritzform der Kraftstoffmenge bestimmt wird.
Alternativ wie auch ergänzend kann auf Basis der Drehmomentanforderung auch eine erforderliche Luftmenge bestimmt werden und daraus abgeleitet auf die erforderliche Kraftstoffmenge geschlossen und der erforderliche Abgasrückführungsstrom ermittelt werden. Erfolgt eine Koppelung der Bestimmung von Luft- und Kraftstoffmenge auf Basis der Drehmomentanforderung, kann dieses zum Beispiel aus einem einzelnen Kennfeld entnommen werden.
Eine derartige Vorgehensweise ist nicht nur in der Lage, eine Rauchbegrenzung im transienten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine sicherzustellen, wie dieses beispielsweise bei Lastsprüngen auftreten kann. Hierbei wurde bisher immer nur die Einspritzmenge auf eine der aktuellen Luftmasse angepasste Größe zurückgenommen. Dieses wiederum ist jedoch nur bedingt geeignet, da eine Lambda-Regelung entsprechende Luftmassenwerte ebenfalls vorgibt, andererseits aber relativ träge ist. Hier greift das vorgeschlagene Verfahren ein, da damit die Abgasrückführungsrate wie aber auch ein Ansprechverhalten der Verbrennungsmaschine über die inverse Berechnung eines benötigten Luft- und Abgasrückführungsstroms mit berücksichtigt werden, angepasst an eine gewünschte Kraftstoffmenge, die sich wiederum aus der Drehmomentanforderung des Nutzers der Verbrennungskraftmaschine ergibt. Damit wird insbesondere vermieden, dass bei einer NOx- bzw. Sauerstoff-basierten Regelung des Luftsystems ein derart fettes Gemisch angefordert werden würde, dass darüber eine Reduktion der Einspritzmenge seitens einer Rauchbegrenzung gefordert würde. Das nämlich hätte zum Nachteil, dass es zu einem negativen Drehmomentgradienten käme. Die vorgeschlagene Vorgehensweise gemäß dem Verfahren hingegen vermeidet gerade dieses durch Anheben entsprechender Soll-Werte unter Berücksichtigung der Rußbegrenzung. Auf diese Weise kann die erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt und in Abgleich gebracht werden, um damit die tatsächlich einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmen zu können.
Als unerwünschter Drehmomentgradient ist zu verstehen, dass in dem transienten Betriebsbereich die Drehmomentänderung in eine Richtung gerät, die genau entgegengesetzt zu der Anforderung in diesem instationären Betriebsbereich ist. Wird beispielsweise im transienten Betriebsbereich eine Beschleunigung von der Verbrennungskraftmaschine verlangt, der sich durch das Steuergerät unter Berücksichtigung der verschiedenartigen Regelungen von Kraftstoff und Luftmengen sich einstellende Drehmomentgradient hingegen negativ ist, d. h. der absolute Wert des Drehmoments nimmt ab, handelt es sich hierbei um ein im Rahmen der Begrenzung des Emissionsverhaltens unerwünschten Drehmomentgradienten. Damit ist nicht zu verwechseln, dass im Verlauf einer Beschleunigung und damit eines instationären Betriebsbereiches der Verbrennungskraftmaschine die Beschleunigung stärker wie auch geringer ausfallen kann. Vielmehr ist als unerwünscht einzustufen, wenn sich insgesamt anstatt einer Beschleunigung ein Abbremsen einstellen würde. Umgekehrt ist das Verfahren ebenfalls für einen Schubbetrieb einsetzbar. Beim Übergang in den Schubtrieb kann es bei einer Regelung dazu kommen, dass beispielsweise eine Rußbegrenzung durchbrochen wird. Das hier vorliegende Verfahren hingegen ist in der Lage, durch entsprechende Abgleiche und Anpassungen der jeweiligen Sollwerte auch hier darauf zu achten, dass eine vorgegebene NOx-Begrenzung wie auch Rußbegrenzung eingehalten werden, insbesondere unter Berücksichtigung einer Abgasrückführungsmenge.
Die NOx-Begrenzung wie auch die Rußbegrenzung können beispielsweise über ein Kennfeld ermittelt werden, so dass an jedem Betriebspunkt festgelegt ist, welche Grenze jeweils vorliegt. Die jeweiligen Grenzwerte sind jedoch gemäß einer Ausgestaltung nicht absolut festgelegt, sondern können sich gemäß einer Weiterbildung auch ändern. Eine Änderung kann beispielsweise durch eine Berücksichtigung einer Abgasrückführung erfolgen. Auch kann eine Änderung dadurch herbeigeführt werden, dass sich ein oder mehrere Grenzwerte durch einen adaptiven Algorithmus anpassen. Beispielsweise kann eine übergeordnete Regelung vorgesehen sein, die in Abstimmung mit regulatorischen Vorgaben eine Anpassung der jeweiligen Grenzwerte vornimmt, zum Beispiel in Anpassung an ein Fahrverhalten eines Nutzers der Verbrennungskraftmaschine.
Des Weiteren sieht das Verfahren vor, dass auf Basis einer Drehmomentanforderung eine erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt wird. Diese erforderliche Kraftstoffmenge entspricht derjenigen, die aufgrund der Drehmomentanforderung gewünscht wäre. Damit zu dieser entsprechenden Kraftstoffmenge jedoch unter Berücksichtigung von Luftmassen- und Abgasrückführungsstrom sich auch tatsächlich ein entsprechend zur Drehmomentanforderung zugehöriges Drehmoment einstellen kann, dient die erforderliche Kraftstoffmenge als Basis, den jeweiligen Luftmassenstrom bzw. Abgasrückführungsstrom ermitteln zu können. Der Abgasrückführungsstrom geht hierbei beispielsweise auf die momentane Ist-Situation ein. Je nach Einstellung eines Abgasrückführungsventils kann dessen Position wie auch eine Auswirkung der Änderung der Position und damit eine Änderung des Abgasrückführungsstromes bei der Ermittlung des erforderlichen Abgasrückführungsstromes mit eingehen. Insbesondere ist es möglich, dass in einem transienten Bereich mit sehr hohen Abgasrückführungsraten und auch geringen Verbrennungsluftverhältnissen das Verfahren so ausgeführt werden kann, dass eine NOx-Begrenzung wie auch eine Rußbegrenzung trotzdem ohne unerwünschtem Drehmomentgradienten aufrecht erhalten werden können. Ein NOx- wie auch ein O2-Sollwert, der an die erforderliche Kraftstoffmenge angepasst wird, ermöglicht, dass bei einer vorliegenden NOx- oder aber sauerstoffbasierten Regelung des Luftsystems auch im transienten Betrieb die geforderte Rußbegrenzung einhalten zu können. Eine Einstellung der Sollwerte kann beispielsweise über eine inverse Rechnung benötigter Luft- und Abgasrückführungsmassen aus der erforderlichen Kraftstoffmenge bzw. aus der gewünschten Kraftstoffmenge erfolgen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer Erhöhung der Drehmomentanforderung im transienten Bereich ebenfalls ein NOx- bzw. O2-Sollwert angehoben werden. Dadurch wird zum einen ein geforderter Drehmomentenaufbau erreicht, zum anderen aber auch ein gewünschtes NOx-Niveau nicht überschritten. Gleichzeitig kann eine Rußbegrenzung, insbesondere eine mengenbasierte Rußbegrenzung weiterhin ausgeführt werden.
Die Sollwerte für NOx bzw. für den Sauerstoff können Verwendung finden in einer Lambda-Regelung wie auch in einer NOx-Regelung. So kann es zu einer Verschränkung des vorgeschlagenen Verfahrens mit ein oder mehreren Regelungen geben, die bei der Verbrennungskraftmaschine ebenfalls implementiert sind, zum Beispiel zum Einhalten weiterer Emissionsbeschränkungen oder aber zum Aufrechterhalten eines Betriebes beispielsweise einer Abgaseinrichtung, insbesondere eines Partikelfilters, eines Katalysators oder dergleichen.
Des Weiteren sieht das Verfahren vor, dass die einzuspritzende Kraftstoffmenge hinsichtlich ihrer Einspritzform angepasst wird. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass eine Ein- oder Mehrfacheinspritzung über einen Arbeitstakt erfolgt. Neben einer Hauptspritzung kann daher eine Vor- und/oder Nacheinspritzung erfolgen. Bevorzugt ist, wenn die Haupteinspritzung über 50% der einzuspritzenden Kraftstoffmenge dem Zylinder zuführt. Die Vor- bzw. Nacheinspritzung verteilt sodann die übrige Kraftstoffmenge. Des Weiteren kann im Rahmen der Anpassung der Einspritzform über das Verfahren vorgesehen sein, dass sich ein Kraftstoffstrom während der Einspritzung ändert, zum Beispiel ansteigt oder schlagartig abfällt. Auch kann eine getaktete Einspritzung im Rahmen der Einstellung der Einspritzform der Kraftstoffmenge vorliegen.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die erforderliche Kraftstoffmenge aus der Drehmomentanforderung berechnet wird und auf Basis eines gerechneten Sauerstoffmassenstroms mittels eines vorzugsweise minimal erlaubten Luftverhältnisses eine maximal zulässige Kraftstoffmenge bestimmt wird. Diese maximal zulässige Kraftstoffmenge wird bei einer Ausgestaltung als einzuspritzende Kraftstoffmenge verwendet. Bei einer anderen Anwendung des Verfahrens wird die maximal zulässige Kraftstoffmenge mittels einer oder mehrerer weiterer Größen zu der einzuspritzenden Kraftstoffmenge umgeformt. Auch kann je nach Betriebsbereich die Verbrennungskraftmaschine verschiedene Umsetzungen des Verfahrens aufweisen.
Bevorzugt wird zylinderselektiv eine Sauerstoffmenge berechnet, auf deren Basis die maximal zulässige Kraftstoffmenge bestimmt wird. Gemäß einer Ausgestaltung wird eine Luftmasse gemessen oder berechnet, die in ein Motorfüllungsmodell eingeht, woraus eine Abgasrückführungsrate bestimmt wird. Mittels des berechneten oder ermittelten Luftverhältnisses kann sodann eine Sauerstoffkonzentration bzw. eine Sauerstoffmasse oder auch eine Sauerstoffmenge in einem Zylinder berechnet werden. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Abgasrückführungsmassenstrom gemessen wird, der in ein Motorfüllungsmodell eingeht. Daraus kann eine Frischluftmasse bestimmt werden, mit dessen Hilfe sodann eine Sauerstoffmasse bestimmt wird. Diese kann für eine zylinderselektive Betrachtung genutzt werden. Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die einzuspritzende Kraftstoffmenge zylinderselektiv bestimmt wird. Für die Bestimmung der Luftmasse und/oder eines Abgasrückführungsmassenstroms kann jeweils zum Beispiel ein Sensor, insbesondere ein Strömungsmassensensor eingesetzt werden. Auch kann eine Abgasrückführungsrate oder ein sonstiger Massenstrom mittels eines Modells ermittelt werden, zum Beispiel mittels eines Modells, wie es aus der WO2008/131789 und/oder der DE 10 2005 007 057 hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung diesbezüglich verwiesen wird.
Das Verfahren ist bevorzugt in der Lage, einen Ausgleich zwischen der Drehmomentanforderung und damit insbesondere einer Beschleunigung, der Rußbegrenzung und daran angepasst einer NOx-Emission zuschaffen. In Abwägung des tatsächlich ermöglichbaren Drehmoments unter Heranziehung der Auswirkungen auf die Rußemission und das NOx-Verhalten erfolgt die Einstellung der hierfür notwendigen Parameter, wie zum Beispiel des einzuspritzenden Kraftstoffmassenstroms, des NOx-Sollwerts, des O2-Sollwerts wie auch einer eventuellen Anhebung oder sogar Absenkung einer Rußbegrenzung. So kann zum Beispiel eine Drehmomentanforderung ein Drehmoment von 200 Nm vorsehen. Aufgrund der Betriebssituation unter Berücksichtigung von Rußbegrenzung und NOx-Emission wären aber nur 140 Nm möglich. Durch das Verfahren können nun zum Beispiel eine Rußbegrenzungsänderung, eine NOx-Sollwertänderung und/oder eine O2-Sollwertänderung eintreten, so dass dann schließlich 180 Nm zur Verfügung gestellt werden. Das Verfahren passt damit ein Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs unter Berücksichtung von NOx und Ruß an und erlaubt eine Änderung letzterer. Somit wird eine kombinierte Rußbegrenzung mittels gleichzeitiger Beeinflussung von Luftmassenstrom, Rußgrenze und NOx-Mengen erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Anpassung eines NOx- und/oder O2-Sollwertes unter Beachtung einer NOx-Grenze erfolgt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Verfahren im ersten Anlauf eine Sollwertänderung vornimmt, die in Konsequenz jedoch dazu führen würde, dass eine vorgegebene NOx-Begrenzung überschritten wird. Das Verfahren sieht hierbei vor, dass beispielsweise sodann ein Maximalwert hinsichtlich des NOx-Sollwertes genommen wird und daran angepasst ausgerichtet ein ebenfalls entsprechender O2-Sollwert. An diese Sollwerte angepasst wiederum kann die erforderliche Kraftstoffmenge überprüft und gegebenenfalls erhöht oder aber reduziert werden, um damit wiederum eine tatsächlich einzuspritzende Kraftstoffmenge zu erhalten. Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass eine Überschreitung der NOx-Begrenzung vorgesehen wird und das Verfahren dieses auch zulässt. Gleichzeitig wird aber festgehalten, wie hoch die Überschreitung ist und im weiteren Verlauf des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine nur noch ein derartiger Betrieb zugelassen wird, dass die zuviel emitierten Emissionen wieder eingespart werden. Entsprechend kann auch eine Einstellung des NOx- bzw. O2-Sollwertes in Abhängigkeit von der Russbegrenzung vorgenommen werden. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Gewichtung zwischen einem Parameter kennzeichnend ein Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und einer NOx-Emission eingestellt wird, die im transienten Betrieb Beachtung findet. Die Gewichtung kann sich hierbei beispielsweise betriebspunktabhängig ändern. Auch besteht die Möglichkeit, dass sich die Gewichtung in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung, vorzugsweise einem Gradienten einer Drehmomentanforderung, ändert.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Gewichtung zwischen einem Parameter kennzeichnend ein Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und einer Rußemission eingestellt wird, die im transienten Betrieb Beachtung findet. Wiederum eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Gewichtung zwischen einer NOx-Emission und einer Rußemission eingestellt wird, die im transienten Betrieb Beachtung findet. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Gewichtung zwischen Ansprechverhalten, NOx-Emission und Russemission wechselseitig vorhanden ist. Eine derartige Gewichtung ist veränderbar, insbesondere in Bezug auf den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise angepasst an die Drehmomentanforderung und deren Änderung. Dieses ermöglicht beispielsweise, dass eine Gewichtung in Abhängigkeit von einem Lastpunkt eingestellt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein unerwünschter Drehmomentgradient noch besser vermieden wird. Eine Gewichtung kann hierbei in Bezug auf feste NOx- und Partikelbegrenzung vorliegen. Eine Gewichtung kann auch Teilgewichtungen aufweisen, bei denen verschiedene Parameter untereinander nochmals zueinander eine Untergewichtung aufweisen.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine nach dem Dieselprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschine aufweisend ein Steuergerät vorgeschlagen, die das Verfahren implementiert aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst bevorzugt zumindest einen NOx-Sensor, eine Lambda-Sonde und ein Abgasrückführungsventil. Die darüber ermittelten Parameter können dem vorgeschlagenen Verfahren, bevorzugt aber zumindest zum Teil auch einer Lambda-Regelung zur Verfügung gestellt werden. Eine Weiterbildung des implementierten Verfahrens sieht vor, dass in das Modell einer Rückberechnung eines erforderlichen Luft- und Abgasmassenrückstaus aus einem erforderlichen Kraftstoffmassenstrom eine katalytisch selektive Reduktion mittels eines SCR-Katalysators eingeht.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen sind, wobei das Verfahren beide berücksichtigt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zylinderselektiv ausgelegt ist. Hierbei kann ermöglicht werden, dass eine einzuspritzende Kraftstoffmenge beziehungsweise eine Einspritzform zwischen den Zylindern abweicht
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Aus den Figuren gehen jeweils einzelne Merkmale und Ausgestaltungen hervor, die jedoch nicht auf die jeweilige Figur beschränkt sind. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren verschiedenen Figuren wie auch aus der obigen Beschreibung und/oder der zugehörigen Figurenbeschreibung zu weiteren, nicht weiter ausgeführten Ausgestaltungen verknüpft werden. Es zeigen:
1: eine schematische Übersicht über eine Verbrennungskraftmaschine mit vorgeschlagenem integriertem Verfahren,
2: verschiedene Parameter, die ein Steuergerät nutzen bzw. beeinflussen, um das vorgeschlagene Verfahren umzusetzen,
3: eine schematische Ansicht eines Ablaufes einer Gewichtung verschiedener Parameter und
4: eine sehr stark vereinfachende Darstellung eines vorgeschlagenen Verfahrensablaufes.
1 zeigt in schematischer Ansicht eine Verbrennungskraftmaschine 1, die einen Luftpfad 2 und einen Abgaspfad 3 aufweist. Im Luftpfad 2 bzw. Abgaspfad 3 ist eine Aufladung 4 angeordnet, die in diesem Falle durch eine Abgasturbine und einem Verdichter 6, die miteinander gekoppelt sind, gebildet wird. Abgasturbine 5 und Verdichter 6 können beispielsweise selbst über jeweilige Stellmechanismen verfügen, insbesondere verstellbare Leit- wie auch Laufschaufeln, Bypassleitungen oder Ähnliches. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist in Verbindung mit einem Steuergerät 7. Das Steuergerät 7 kann, so wie dargestellt, ein einzelnes sein. Bevorzugt aber sind eine Mehrzahl an Steuergeräten an einem Fahrzeug, welches die Verbrennungskraftmaschine 1 aufweist, implementiert. Hierbei sind den verschiedenen Steuergeräten verschiedene Aufgaben zugeordnet. Ein Austausch von Datenparametern und sonstigen Werten kann beispielsweise über eine Datenaustauschleitung erfolgen, die sämtliche Steuergeräte miteinander verbindet. Auch können Steuergerätekreise vorhanden sein, die eine Redundanz der System zueinander ermöglicht. Mit dem Steuergerät 7 gekoppelt ist ein Gaspedal 8, über das eine Drehmomentenanforderung m_ANF an das Steuergerät 7 weitergegeben wird bzw. aus einer Stellung des Gaspedals bzw. einer zeitlichen Änderung der Stellung des Gaspedals über das Steuergerät 7 eine entsprechende Drehmomentanforderung m_ANF ermittelt wird. Das Steuergerät 7 ist des Weiteren beispielsweise mit einem ersten Abgasrückführungsventil 9 und einem zweiten Abgasrückführungsventil 10 verbunden. Bevorzugt wird hierbei eine Position des Abgasrückführungsventil an das Steuergerät 7 übertragen. Auf Basis dieser Information kann das Steuergerät unter Hinzunahme weiterer Parameter einen Rückschluss auf einen momentanen Abgasrückführungsstrom m_AGR1, m_AGR2 ermitteln. Beispielsweise kann hierzu eine Luftmassensensor 11 eingesetzt werden, ebenso wie ein zweiter Luftmassensensor 12. Das Steuergerät kann nun beispielsweise durch hinterlegte Kennfelder für einen gewünschten Betriebspunkt eine einzuspritzende Kraftstoffmenge m_K wie auch eine jeweilige Abgasrückführung aus einem Hochdruckabgasrückführungsstrang 13 und einem Niederdruckabgasrückführungsstrang 14 so einstellen, dass eine NOx-Begrenzung bzw. eine Rußbegrenzung eingehalten wird. Hierzu ist im Abgaspfad 3 beispielsweise ein System aus Abgasnachbehandlungseinrichtungen 15 beispielhaft und schematisch angedeutet vorgesehen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 15 umfassen zum Beispiel eine Partikelfilterung, eine Katalysatorfunktion. Auf diese Weise können die notwendigen Grenzwerte eingehalten werden. So ist beispielsweise auch eine Harnstoffzuführung 16 vorhanden, so dass ein SCR-Katalysator ebenfalls eingesetzt werden kann. Zur Überwachung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 15 sind beispielsweise eine erste Lambda-Sonde 17 und eine zweite Lambda-Sonde vorgesehen, ein NOx-Sensor 19 wie auch ein Drucksensor 20. Die darüber festgestellten Parameter werden an das Steuergerät 7 übertragen und können somit in eine Regelung der Verbrennungskraftmaschine 1 und insbesondere bei einem instationären Betrieb in das vorgeschlagene Verfahren mit eingehen. Insbesondere ist hierüber auch die Möglichkeit einer OBD-Überwachung gegeben. Eine Diagnose kann dabei über das Steuergerät 7 selbst erstellt werden oder aber über ein speziell dafür vorgesehenes Steuergerät. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass die zweite Lambda-Sonde 18 als Monitorsonde funktioniert, insbesondere damit auch sicher gestellt wird, dass die von der ersten Lambda-Sonde 17 übertragenen Informationen unter Berücksichtigung der Wirkung der nachfolgenden Abgasnachbehandlungseinrichtung zutreffend sind. Wird nun über das Gaspedal 8 eine Drehmomentenänderung vorgegeben, weist das Steuergerät 7 die aktuellen Parameter der einzelnen Sonden, die Positionen der jeweiligen Abgasrückführungsventile wie auch die jeweiligen Massenströme auf. Um der geforderten Drehmomentenänderung genügen zu können, insbesondere im Fall einer Beschleunigung, weist das Steuergerät 7 darüber hinaus die jeweilige NOx- bzw. Rußbegrenzung auf und kann auf Basis dessen für die erforderliche Erzeugung des angeforderten Drehmoments die erforderliche Kraftstoffmenge ermitteln. Dieses wird nachfolgend näher erläutert.
2 zeigt das Steuergerät 7 aus 1 in vereinfachter schematischer Darstellung. Das Steuergerät 7 erhält neben den Informationen hinsichtlich einer Drehmomentänderung, eines Abgasmassenrückstromes oder hinsichtlich Sollwerten nicht nur Informationen. Vielmehr ist das Steuergerät auch in der Lage, diese Parameter beeinflussen zu können. Darüber hinaus sind zum Beispiel Kennfelder hinterlegt, die zum einen in Bezug auf den Betriebspunkt Aussagen erlauben, zum anderen hinsichtlich der Zusammenhänge von Rußpartikelentstehung und NOx-Entstehung einerseits bzw. zum Beispiel Partikelentstehung und Lambda-Werten andererseits Angaben ermöglichen. So ist schematisch ein Betriebspunkt B dargestellt. Wird eine Abgasrückführungsrate bzw. eine Drosselung der Ansaugluft oder eine Erhöhung einer Kraftstoffeinspritzmenge ausgeführt, kann damit der Betriebspunkt nach oben gleiten, was wiederum zu einer Erhöhung der Partikelmenge und gleichzeitig auch einer Reduzierung der NOx-Emissionen führen kann. Eine Verringerung der Abgasrückführungsrate bzw. eine Verringerung einer Ansaugluftdrosselung bzw. eine Verringerung einer Einspritzmenge oder auch eine Verringerung des Ladedrucks wiederum führt dazu, dass eine verringerte Partikelemission einhergeht mit einer Erhöhung der NOx-Emission. Da sich der jeweilige Betriebspunkt zusätzlich durch Parameter wie Drehzahl, Temperatur und Sonstige ergibt, ist über die entsprechenden Zusammenhänge die Möglichkeit gegeben, auf die jeweiligen Drehmomentanforderungen entsprechend an die vorgegebenen Emissionsgrenzwerte reagieren zu können. Hierbei können die entsprechenden Sollwerte für eine Regelung eingestellt werden. Eine Besonderheit hierbei ist, dass Gewichtungsfaktoren G1, G2, G3 zusätzlich genutzt werden können. Diese Gewichtungsfaktoren sind in der Lage, im transienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine so eingesetzt zu werden, dass ein unerwünschter Drehmomentgradient bzw. ein unerwünschter Emissionsanstieg verhindert werden kann. Die Gewichtungsfaktoren sind in der Lage, beispielsweise ein Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und eine NOx-Emission untereinander zu gewichten, wobei diese Gewichtung nur im Falle des transienten Betriebes genutzt wird. Hierbei kann ein Gewichtungsfaktor davon abhängig genutzt werden, ob das Fahrzeug beschleunigt wird oder ob es sich im Schleppbetrieb befindet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass für ein oder mehrere Gewichtungsfaktoren ein oder mehrere Kennfelder oder sonstige mathematische Zusammenhänge zur Verfügung stehen, die angepasst an eine Drehmomentforderung die Auswahl des notwendigen Gewichtungsfaktors ermöglicht. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Schwellwert vorhanden ist. Wird dieser Schwellwert zum Beispiel in Bezug auf eine geforderte Drehmomentänderung überschritten, wird ein Gewichtungsfaktor auch erst genutzt. Hierbei kann beispielsweise angenommen werden, dass erst mit Eintreten von speziellen Drehmomentwünschen auch die Gefahr eines unerwünschten Drehmomentes auftritt, wohingegen bei anderen üblichen Drehmomentänderungen ein Eingriff über Gewichtungsfaktoren in die Regelungen nicht notwendig wäre. Durch entsprechende Sollwerte, beispielhaft dargestellt als gestrichelte Linie L, kann das Steuergerät somit unter Berücksichtigung der verschiedenen Parameter und insbesondere der unterschiedlichen Gewichtungen einerseits ein gefordertes Drehmoment befriedigen, zum anderen die Einhaltung der Abgasemissionsbegrenzung ermöglichen, indem sie auf verschiedene Parameter einwirkt.
3 zeigt das Zusammenspiel der unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren G1, G2, G3 auf verschiedene Parameter. So wird eine erlaubte Lambda-Grenze Lambda_G bzw. eine erlaubte Rußgrenze P_G ebenso in Verhältnis gebracht, wie eine gewünschte Einspritzmenge an Kraftstoff m_kw oder aber ein Sauerstoff- bzw. Luftmassensollwert mO2_soll bzw. mLuft_Soll. Zusätzlich kann ein NOx-Sollwert wie auch Werte eines NOx-Modells in eine Gewichtung von Emissionen und Drehmomentverhalten eingehen, wobei das NOx-Modell in seiner Nutzung wie auch der NOx-Sollwert beispielsweise als optionale Größe genutzt werden. Über die Gewichtung von Emissionen und Drehmomentverhalten kann sodann ein Grenzwert einer Kraftstoffeinspritzmenge m_kg bestimmt werden bzw. eine Stellung des jeweiligen Abgasrückführungsventils S_AGR1 bzw. S_AGR2 und damit ein jeweils zurückzuführender Abgasmassenstrom.
Zur Veranschaulichung des Verfahrens dient 4. So wird eine Drehmomentanforderung M genutzt, um daraus den erforderlichen einzuspritzenden Kraftstoffstrom m_kerv zu ermitteln. Aus diesem wird rekursiv ermittelt, welcher erforderliche Luftmassenstrom m_l bzw. Abgasrückführungsstrom m_AGR für diesen erforderlichen Kraftstoffmassenstrom m_K notwendig wäre. Die Ermittlung des erforderlichen Luftmassenstromes bzw. des notwendigen Abgasrückführungsmassenstrom kann dazu führen, dass dabei die notwendigen Sollwerte für NOx-Emissionen NOx-Soll bzw. erforderlichen Sauerstoff Sollwerte für eine Lambda-Regelung O2_Soll nicht angepasst sind und insbesondere nach oben korrigiert werden müssen. Dieses kann sodann im Rahmen des Verfahrens erfolgen, wobei für eine derartige Änderung der Sollwerte zum einen eine Begrenzung der NOx-Emissionen NOx G bzw. eine Begrenzung der Partikelemissionen PG einfließt. Daraus ergibt sich sodann für einen geforderten Betriebspunkt auf Basis des angeforderten Drehmoments ein tatsächlich einzuspritzender Kraftstoffstrom m_K ein, an den angepasst sodann auch der Luftmassenstrom bzw. der Abgasmassenstrom angepasst wird unter Heranziehung der jeweiligen Emissionsgrenzen und Sollwerte.
Durch dieses Verfahren wird verhindert, dass einerseits unerwünschte Emissionen und andererseits ein gefordertes Drehmoment im transienten Betrieb nicht abgegeben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006083735 A2 [0002]
- DE 102007019649 A1 [0002]
- WO 2008/131789 [0014]
- DE 102005007057 [0014]

Claims

Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens während eines transienten Betriebs einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer NOx-Begrenzung wie auch einer Rußbegrenzung unter Berücksichtigung einer Abgasrückführung, wobei auf Basis einer Drehmomentanforderung eine erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt wird, auf Basis der erforderlichen Kraftstoffmenge ein erforderlicher Luftmassen- und Abgasrückführungsstrom ermittelt wird und ein jeweiliger NOx-Sollwert angepasst wird an eine Rußbegrenzungsänderung hervorgerufen durch die Drehmomentanforderung, wie auch ein O2-Sollwert zur Vermeidung eines unerwünschten Drehmomentgradienten angepasst wird, wobei eine Abwägung erfolgt zwischen Rußbegrenzungsänderung und damit gekoppelt, in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung tatsächlich zur Verfügung zu stellendem Drehmoment, woraus eine einzuspritzende Kraftstoffmenge, der daran angepasste O2-Sollwert und eine Einspritzform bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung des NOx- und/oder O2-Sollwerts unter Beachtung einer NOx-Grenze erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx- und der O2-Sollwert für eine Beschleunigung angehoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Kraftstoffmenge aus der Drehmomentanforderung berechnet wird und auf Basis eines gerechneten Sauerstoffmassenstroms mittels eines vorzugsweise minimal erlaubten Luftverhältnisses eine maximal zulässige Kraftstoffmenge bestimmt wird, die als einzuspritzende Kraftstoffmenge verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zylinderselektiv eine Sauerstoffmenge berechnet wird, auf deren Basis die maximal zulässige Kraftstoffmenge bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftmasse gemessen oder berechnet wird, die in ein Motorfüllungsmodell eingeht, woraus eine Abgasrückführungsrate bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführungsmassenstrom gemessen wird, der in ein Motorfüllungsmodell eingeht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Motorfüllungsmodells ein zylinderspezifischer Sauerstoffmassenstrom bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzuspritzende Kraftstoffmenge zylinderselektiv bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführungsventil zur Einstellung des erforderlichen Abgasrückführungsstroms verstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung zwischen einem Parameter kennzeichnend ein Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und einer NOx-Emission eingestellt wird, die im transienten Betrieb beachtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung zwischen einem Parameter kennzeichnend ein Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und einer Rußemission eingestellt wird, die im transienten Betrieb beachtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung zwischen einer NOx-Emission und einer Rußemission eingestellt wird, die im transienten Betrieb beachtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung in Abhängigkeit von einer Drehzahl, bevorzugt einem Lastpunkt eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Schubbetrieb verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parameteraustausch mit einer Lambda-Regelung erfolgt.
Nach dem Dieselprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisend ein Steuergerät (7), das ein Verfahren zur Begrenzung eines Emissionsverhaltens während eines transienten Betriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert hat.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein NOx-Sensor (19), eine Lambda-Sonde (17, 18) und ein Abgasrückführungsventil vorgesehen sind, die jeweils ermittelte Parameter dem Verfahren wie auch einer Lambda-Regelung zur Verfügung stellen.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Modell zur Rückberechnung eines erforderlichen Luft- und Abgasmassenrückstroms aus einem erforderlichen Kraftstoffmassenstrom aufweist, wobei eine katalytisch selektive Reduktion mittels eines SCR-Katalysators in das Modell miteingeht.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen sind, wobei das Verfahren beide berücksichtigt.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Lambdasonden (17, 18) in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sind.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Lambdasonden als Monitorsonde angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine OBD-Diagnose des Verfahrens vorgesehen ist.