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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer NOx-Rohemission
eines mit AGR betreibbaren Kraftfahrzeugverbrennungsmotors.
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Bei
Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren ist es insbesondere für
den Betrieb einer angeschlossenen Abgasreinigungseinrichtung mit
Stickoxid-(NOx-)Minderungsfunktion von Vorteil, einen Schätzwert
für die NOx-Rohemission verfügbar zu haben.
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Aus
der
DE 103 16 062
A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer NOx-Rohemission
eines mit Abgasrückführung (AGR) betreibbaren
Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bekannt, bei welchem aus einer Abgastemperatur
und einer AGR-Rate eine bezüglich der Kraftstoffrate normierte
massebezogene NOx-Rohemission ermittelt wird. Aus dieser wird ein volumenbezogener
NOx-Gehalt im Abgas unter Berücksichtigung der Massenströme
von Frischluft und Kraftstoff berechnet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein robustes Verfahren zur Ermittlung einer
NOx-Rohemission eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit Abgasrückführung
(AGR) anzugeben, welches beim Betrieb des Motors in Echtzeit einen
möglichst zuverlässigen Schätzwert für
eine NOx-Rohemission am jeweiligen Betriebspunkt bereitstellt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aus einer
Menge von Motorbetriebsparametern, deren Werte einen jeweiligen
Motorbetriebspunkt kennzeichnen, eine Mehrzahl von Motorbetriebsparametern
ausgewählt. An einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten
im Last-Drehzahl-Kennfeld werden Werte für die ausgewählten Motorbetriebsparameter
sowie jeweils eine zugeordnete AGR-Rate und eine zugeordnete NOx-Rohemission
ermittelt. Durch Verknüpfung der AGR-Rate und der NOx-Rohemission
für die Vielzahl der Betriebspunkte werden weiter NOx-Rohemissionskennwerte
für die ausgewählten Motorbetriebsparameter gebildet.
Die NOx-Rohemissionskennwerte werden bevorzugt vorab, d. h. vor
einer Auslieferung des entsprechenden Fahrzeugs für einen
jeweiligen Motor oder für einen fertigungschargenspezifischen
Referenzmotor ermittelt und, bevorzugt normiert und in Kennlinienform,
in einem elektronischen Speicher abgespeichert. Beim Betrieb des
Verbrennungsmotors wird unter Rückgriff auf die NOx-Rohemissionskennwerte
ein Schätzwert für die NOx-Rohemission an einem
jeweiligen Betriebspunkt rechnerisch gewonnen.
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Die
Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise die Erkenntnis, dass die
NOx-Rohemission insbesondere von Dieselmotoren in weiten Kennfeldbereichen
in starkem Maße von der AGR-Rate bestimmt ist. Die vorzugsweise
motorspezifische bzw. motorindividuelle Ermittlung von mit der AGR-Rate
verknüpften NOx-Rohemissionskennwerten ermöglicht
es daher, beim Betrieb des Motors auf einfache Weise unter Berücksichtigung
der AGR-Rate und Rückgriff auf die abgespeicherten NOx-Rohemissionskennwerte
die aktuelle NOx-Rohemission rechnerisch zu ermitteln. Auf diese
Weise kann auf die Verwendung von sensorbasierten Messwerten weitgehend
oder ganz verzichtet werden. Dadurch werden häufig anzutreffende
Probleme, welche durch Empfindlichkeitsdrift, Querempfindlichkeit,
Trägheit usw. von Sensoren verursacht sind, vermieden.
Wird dennoch ein NOx-Sensor verwendet, so können dessen
Sensorwerte anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens auf
Plausibilität überprüft werden. Gleichfalls
von Vorteil ist eine Adaption der Sensordaten zum Abgleich von Drift
oder von Empfindlichkeitsänderung oder allgemein zu dessen Überwachung.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Ermittlung einer NOx-Reduktionsmittel-Dosiermenge
unter Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gewonnenen Schätzwerten für die NOx-Rohemission.
Weitere Anwendungen können Verändern oder Anpassen
von Kennfeldwerten für die Verbrennungssteuerung des Verbrennungsmotors
betreffen, beispielsweise um vorgegebene oder vorgebbare NOx-Rohemissionsgrenzwerte
einzuhalten oder den Motorbetrieb allgemein zu überwachen.
Werden die grundlegenden Informationen zur Ermittlung der aktuellen
NOx-Rohemission vorab gewonnen, ist der Rechenaufwand beim Fahrbetrieb
gering und die aktuelle NOx-Rohemission am Betriebspunkt kann aus
den abgespeicherten NOx-Rohemissionskennwerten rasch errechnet werden.
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Vorzugsweise
werden vorab, verteilt über das gesamte Last-Drehzahl-Kennfeld
des Motors, für jeden ausgewählten Motorbetriebsparameter
zugeordnete NOx-Rohemissionskennwerte ermittelt. Die NOx-Rohemissionskennwerte
werden dabei bevorzugt auf einem Prüfstand ermittelt, was
automatisiert geschehen kann. Bevorzugt wird der Motor hierzu an einer
Vielzahl von Betriebspunkten stationär betrieben. Dies
ermöglicht eine sehr zuverlässige messtechnische
Ermittlung der NOx-Rohemission und/oder der AGR-Rate am jeweiligen
Betriebspunkt. Entsprechend zuverlässig sind die ermittelten NOx-Rohemissionskennwerte.
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Bevorzugt
werden aus der Menge der einen Motorbetriebspunkt kennzeichnenden
Motorbetriebsparameter diejenigen ausgewählt, welchen einen nicht
vernachlässigbaren Einfluss auf die NOx-Rohemission des
Motors haben. Bevorzugt sind hiervon neben Last und Drehzahl Kraftstoffeinspritzparameter,
wie Einspritzbeginn, Einspritzmenge und Einspritzdruck umfasst.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn von den ausgewählten Motorbetriebsparametern
ein Aufladedruck, eine Ansauglufttemperatur und eine Sauerstoffkonzentration
einer dem Motor zugeführten Verbrennungsluft bzw. eines
Luft-Abgasgemisches als Verbrennungsgas umfasst sind. Als AGR-Rate
wird hier wie üblich der Anteil des rückgeführten
Abgases am gesamten, dem Motor zugeführten Verbrennungsgas
verstanden. Unter der NOx-Rohemission ist hier ein NOx-Volumen-
oder Massenstrom des vom Motor unmittelbar abgegebenen, d. h. unbehandelten
Abgas zu verstehen. Der NOx-Volumen- oder Massenstrom kann auch
auf den gesamten Abgas-Volumen- oder Massenstrom bezogen sein, wodurch
NOx-Volumen- oder Massengehalte im Abgas erhalten werden. Bevorzugt
wird die NOx-Rohemission auf Stickstoffmonoxid (NO) bezogen.
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In
Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Verknüpfung der
AGR-Rate und der NOx-Rohemission zur Bildung der NOx-Rohemissionskennwerte durch
Quotientenbildung von jeweiligen Werten der NOx-Rohemission und
zugeordneten Komplementwerten der AGR-Rate. Unter einem Komplementwert der
AGR-Rate wird dabei die Ergänzung der AGR-Rate zu eins
verstanden. Der Komplementwert ist somit durch den Ausdruck 1 – AGR-Rate
gegeben. Bei einer AGR-Rate von 0,6, entsprechend einem 60% Anteil
rückgeführten Abgases an dem gesamten, dem Verbrennungsmotor
zugeführten Verbrennungsgas, beträgt somit der
Komplementwert 1 – 0,6 = 0,4. Bei der Quotientenbildung
zur Bildung eines NOx-Rohemissionskennwertes entspricht dieser Wert
dem Divisor. Der Wert der NOx-Rohemission stellt den Dividenden
dar. Wie von den Erfindern festgestellt wurde, ermöglicht
diese Art der Verknüpfung von AGR-Rate und NOx-Rohemission
eine besonders vorteilhafte und aussagekräftige Bildung
von NOx-Rohemissionskennwerten für einen jeweiligen Betriebspunkt.
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Unter
einem Rückgriff auf die NOx-Rohemissionskennwerte ist nicht
notwendigerweise eine unmittelbare und direkte Verwendung dieser
Kennwerte zu verstehen. Vielmehr ist es in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, eine Kennlinie aus ermittelten NOx-Rohemissionskennwerten
zu bilden. Dadurch wird eine gute Interpolations- und Extrapolationsgenauigkeit
erzielt. Genauer gesagt ist vorgesehen, dass eine paarweise Zuordnung
von normierten NOx-Rohemissionskennwerten und normierten Werten
der ausgewählten Motorbetriebsparameter erfolgt und NOx-Rohemissionskennlinien
für die ausgewählten Motorbetriebsparameter konstruiert
werden, welche eine Korrelation der normierten NOx-Rohemissionskennwerte
mit normierten Werten eines jeweiligen ausgewählten Motorbetriebsparameters angeben.
Beim Rückgriff auf die NOx-Rohemissionskennwerte zur rechnerischen
Ermittlung eines Schätzwerts für die NOx-Rohemission
werden dann Kennlinienwerte verwendet. Die Kennlinien bilden eine
Abhängigkeit der NOx-Rohemission vom Wert des Motorbetriebsparameters
ab. Bevorzugt ist vorgesehen, für alle ausgewählten
Motorbetriebsparameter jeweils eine derartige Kennlinie zu erstellen Auf
diese Weise werden Kennlinien erzeugt, von denen jede hauptsächlich
die Abhängigkeit der NOx-Rohemission nur vom jeweiligen
Motorbetriebsparameter charakterisiert. Auf diese Weise können Querbeeinflussungen
weitgehend ausgeblendet werden und der Einfluss eines einzelnen
Motorbetriebsparameters auf die NOx-Rohemission ist im Wesentlichen
durch eine einzige Kennlinie festgehalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es
vorgesehen, dass die Normierung der NOx-Rohemissionskennwerte und
der Werte der ausgewählten Motorbetriebsparameter durch Bezug
auf einen Referenzwert für die NOx-Rohemissionskennwerte
und für die Werte eines jeweiligen ausgewählten
Motorbetriebsparameter erfolgt. Somit werden relative, vorzugsweise
dimensionslose Größen geschaffen, bei welchen
die NOx-Rohemissionskennwerte und die Werte der ausgewählten
Motorbetriebsparameter in Relation zu dem jeweiligen Referenzwert
gesetzt sind. Beispielsweise sind die erfindungsgemäß normierten
NOx-Rohemissionskennwerte Werte, welche angeben, um welchen Faktor eine
mit der AGR-Rate verknüpfte NOx-Rohemission am jeweiligen
Betriebspunkt größer bzw. niedriger ist als der
Referenzwert. infolge der erfindungsgemäßen Normierung
wird eine verbesserte Vergleichbarkeit der NOx-Rohemissionskennwerte
erreicht. Dies ermöglicht eine Loslösung von einem
individuellen Motorenbaumuster, wodurch das Verfahren leicht auf unterschiedliche
Motoren übertragbar ist.
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Der
Referenzwert kann einem auswählbaren Betriebspunkt im Last-Drehzahlkennfeld
des Verbrennungsmotors entsprechen. Hierbei kann der Referenzbetriebspunkt
durch eine mittlere Last und durch eine mittlere Drehzahl gekennzeichnet
sein und stellt somit einen im realen Fahrbetrieb besonders häufig
angenommenen oder einen besonders typischen Betriebspunkt dar. In
einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden
als Referenzwerte Mittelwerte über wenigstens annähernd
alle NOx-Rohemissionskennwerte und wenigstens annähernd
alle Werte eines jeweiligen ausgewählten Motorbetriebparameters
verwendet. Somit ist durch die Normierung gleichzeitig ein Maß für
die Streuung der Werte bzw. für deren Abweichung vom jeweiligen
Mittelwert gegeben. Dies verbessert weiter die Vergleichbarkeit
der Werte. Vorzugsweise werden alle ermittelten Werte zur Mittelwertbildung
herangezogen. Es kann jedoch auch beispielsweise eine Ausreißererkennung
vorgesehen sein. Werte mit ungewöhnlicher Abweichung können so
von der Mittelwertbildung ausgeschlossen werden, was die Zuverlässigkeit
und Genauigkeit verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden die NOx-Rohemissionskennlinien
durch streng monotone Funktionen derart gebildet, dass ein wenigstens
annähernd maximaler Regressionskoeffizient resultiert.
Dies kann beispielsweise durch ein so genanntes curvefitting erreicht
werden. Dabei wird beispielsweise eine Minimierung des Fehlers nach
der Methode der kleinsten Quadrate vorgenommen. Andere Verfahren
zur bestmöglichen Anpassung einer Kennlinie an die vorhandenen
Wertepaare im Sinne einer Fehlerminimierung sind natürlich ebenfalls
möglich.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die streng monotonen Funktionen
als Potenzfunktionen mit einer insbesondere positiven Potenz ausgebildet.
Dies ermöglicht eine verbesserte Extrapolationsgenauigkeit
und eine besondere Robustheit des Verfahrens im Vergleich zu anderen
Kennlinienkonstruktionen, wie beispielsweise einem Polynomansatz.
Die erfindungsgemäß gebildete Kennlinie mit bevorzugt
bestmöglicher Anpassung an die Wertepaare ist somit von
der allgemeinen Form y = f(x) = a + xn.
Dabei ist es bevorzugt, die additive Konstante a auf Null zu setzen.
Der Exponent n bzw. die Potenz n kann prinzipiell eine beliebige
reelle Zahl sein. Bevorzugt wird jedoch eine Anpassung der Kennlinie
an die Wertpaare durch Wahl eines geeigneten insbesondere positiven
Wertes für n vorgenommen. Dadurch werden streng monoton
verlaufende Kennlinien mit einem Durchgang durch den Ursprung des
entsprechenden Diagramms erhalten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schätzwert
für die NOx-Rohemission an einem Betriebspunkt durch multiplikative
Verknüpfung von Kennlinienwerten für die ausgewählten
Motorbetriebsparameter entsprechend des Betriebspunkts und einem
Komplementwert der AGR-Rate am Betriebspunkt als weiteren Faktor
gewonnen. Durch die multiplikative Verknüpfung der NOx-Rohemissionskennlinienwerte
der ausgewählten Motorbetriebsparameter werden die Einflüsse
der einzelnen Motorbetriebsparameter auf die NOx-Rohemission berücksichtigt. Die
Multiplikation mit dem Komplementwert der AGR-Rate am Betriebspunkt
als weiteren Faktor berücksichtigt den starken Einfluss
der AGR-Rate auf die NOx-Rohemission. Gleichzeitig wird eine Normierung
der Werte aufgelöst. Besonders vorteilhaft ist es, bei
der multiplikativen Verknüpfung als weiteren Multiplikator
einen Korrekturfaktor einzuführen. Dieser wird bevorzugt
empirisch ermittelt. Dies ermöglicht eine weitere Anpassung
der errechneten NOx-Rohemissionswerte an die tatsächlichen
Verhältnisse und damit eine weitere Verbesserung der Genauigkeit.
Im realen Anwendungsfall kann zusätzlich eine Tiefpassfilterung
der vorzugsweise laufend errechneten NOx-Rohemissionswerte erfolgen.
Auf diese Weise können statistische Schwankungen geglättet
werden. Die Zeitkonstante des entsprechenden Filters wird dabei
geeignet beispielsweise in Abhängigkeit von der Ermittlungsfrequenz
oder in Abhängigkeit von einer Trägheit eines
gegebenenfalls verwendeten NOx-Sensors gewählt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen
oder in der Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Die Figuren zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführung
eines Verbrennungsmotors zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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2 eine
schematische Blockbilddarstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise zur Ermittlung von NOx-Rohemissions-Schätzwerten.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführung
eines Verbrennungsmotors bei welchem das weiter unten näher
erläuterte Verfahren anwendbar ist. Der Verbrennungsmotor ist
hier beispielhaft als luftverdichtenden Brennkraftmaschine 1 mit
zweistufiger Aufladung und zweistufiger Abgasrückführung
ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen
Motorblock 2 mit Arbeitszylindern 3 mit nicht
näher gekennzeichneten Brennräumen, wobei den
Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum mittels
einer Hochdruckpumpe 4 Kraftstoff zuführbar ist.
Die Hochdruckpumpe 4 ist vorliegend Teil eines so genannten
common-rail Einspritzsystems mit einstellbarem Raildruck. Über
an die Hochdruckrail angeschlossene Kraftstoffinjektoren (nicht
dargestellt) kann Kraftstoff den Brennräumen mit einstellbaren
Kraftstoffeinspritzparametern, wie Einspritzmenge, -dauer, -beginn
und Anzahl der Einspritzungen zugeführt werden. Eine Frischluftanlage 5 führt
den Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum
gegebenenfalls mit rückgeführtem Abgas vermischte
Frischluft als Verbrennungsgas zu und ein Abgastrakt 6 führt
Abgas aus den Arbeitszylindern 3 ab. In der Frischluftanlage 5 sind
in Strömungsrichtung der Frischluft gesehen ein Luftfilter 7, ein
erster Verdichter 8 eines Niederdruck-Abgasturboladers 9,
ein zweiter Verdichter 10 eines Hochdruck-Abgasturboladers 11,
ein Ladeluftkühler 12 und eine Drosselklappe 13 angeordnet.
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Im
Abgastrakt 6 sind ausgehend vom Motorblock 2 in
Strömungsrichtung des Abgases eine erste Turbine 14 des
Hochdruck-Abgasturboladers 11, eine zweite Turbine 15 des
Niederdruck-Abgasturboladers 9, eine Abgasreinigungseinheit 16 und
eine nachgeschaltete Abgasaufstauklappe 17 angeordnet.
Die Abgasreinigungseinheit 16 kann als Partikelfilter in
Sintermetallausführung oder als wanddurchströmte
Filtereinheit in Wabenkörperbauweise oder auch als Stickoxid-Speicherkatalysator
oder auch als Kombination von beiden ausgebildet sein. Stromauf und/oder
stromab der Abgasreinigungseinheit 16 können ein
oder mehrere weitere reinigungswirksame Abgasnachbehandlungseinheiten,
wie beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein SCR-Katalysator
und/oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator im Abgastrakt 6 angeordnet
sein, was nicht gesondert dargestellt ist. Derartige Abgasreinigungseinheiten
sind dem Fachmann bekannt, weshalb hier nicht näher darauf
eingegangen wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit
wird nachfolgend davon ausgegangen, dass die Abgasreinigungseinheit 16 einen
Partikelfilter mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator umfasst.
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Stromauf
des zweiten Verdichters 10 zweigt ein den Hochdruck-Abgasturbolader 11 umgehender Verdichterbypass 18 ab,
in welchem ein Verdichterbypassventil 19 angeordnet ist,
so dass mittels des ersten Verdichters 8 komprimierte Frischluft
bzw. ein Frischluft-Abgasgemisch als Verbrennungsgas, abhängig
von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 und
einer daraus resultierenden Stellung des Verdichterbypassventils 19,
beispielsweise bei vollständig geschlossenem Verdichterbypassventil 19 den
zweiten Verdichter 10 passieren kann und dadurch weiter
komprimierbar ist, oder bei vollständig geöffnetem
Verdichterbypassventil 19 den zweiten Verdichter 10 über
den Verdichterbypass 18 umströmt oder bei teilweise
geöffnetem Verdichterbypassventil 19 ein Teil
des Frischluft-Abgasgemisches komprimierbar ist. Auf diese Weise
ist ein Ladedruck der Brennkraftmaschine 1 regelbar bzw.
bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1, bei
welchen der Hochdruck-Abgasturbolader 11 aufgrund eines
zu geringen Abgasdrucks noch nicht betreibbar ist, der zweite Verdichter 10 über
den Verdichterbypass 18 umgehbar.
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Im
Abgastrakt 6 sind ebenfalls Bypässe 20, 21 angeordnet,
welche jeweils eine Turbine 14, 15 umgehen, ein
erster Turbinenbypass 20, in welchem ein erstes Turbinenbypassventil 22 angeordnet
ist und ein zweiter Turbinenbypass 21, in welchem ein zweites
Turbinenbypassventil 23 angeordnet ist. Bei niedrigen Drehzahlen
der Brennkraftmaschine 1 und daraus folgend einem niedrigen
Abgasdruck ist der Hochdruck-Abgasturbolader 11 noch nicht
betreibbar, daher ist in diesem Betriebszustand das erste Turbinenbypassventil 22 derart
ansteuerbar, dass ein Abgasmassenstrom über den ersten
Turbinenbypass 20 an der ersten Turbine 14 vorbei
leitbar ist und so vollständig zum Antrieb der zweiten
Turbine 15 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 nutzbar
ist.
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Bei
sehr hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 ist der
auf die Turbinen 14, 15 der Abgasturbolader 9, 11 einwirkende
Abgasdruck sehr hoch, wodurch diese sehr hohe Drehzahlen erreichen.
Daraus folgt eine sehr hohe Verdichterleistung der Verdichter 8, 10 der
Abgasturbolader 9, 11 und dadurch ein sehr hoher
Ladedruck des Frischluft-Abgasgemisches. Dieser darf jedoch einen
vorgegebenen Wert nicht überschreiten, so dass bei Erreichen
dieses vorgegebenen Wertes ein oder beide Turbinenbypässe 20, 21 als
so genanntes Wastegate nutzbar sind. Dabei sind die Turbinenbypassventile 22, 23 derart
ansteuerbar, dass sie beispielsweise teilweise öffnen,
wodurch ein Teil des Abgasmassenstroms an den Turbinen 14, 15 vorbei
leitbar und dadurch der auf die Turbinen 14, 15 einwirkende
und diese antreibende Abgasdruck verringerbar ist. Daraus resultiert eine
geringere Kompression des durch die Verdichter 8, 10 der
Abgasturbolader 9, 11 verdichteten Gases, d. h.
ein geringerer Ladedruck.
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Mittels
dieser Anordnung des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und
des Hochdruck-Abgasturboladers 11 ist eine Leistung der
Brennkraftmaschine 1 in unterschiedlichen Drehzahlbereichen optimierbar
und ein jeweils optimaler Ladedruck bereitstellbar. Dadurch ist
insbesondere ein so genanntes Turboloch, d. h. ein fehlender oder
sehr geringer Ladedruck und daraus resultierend eine geringe Leistung
einer derartigen Brennkraftmaschine 1 in niedrigen Drehzahlbereichen
verhinderbar oder dieses Problem zumindest deutlich reduzierbar
und damit beispielsweise ein Fahrverhalten und ein Treibstoffverbrauch
eines durch diese Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Fahrzeugs
optimierbar.
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Stromab
der Abgasreinigungseinheit 16, d. h. auf einer Niederdruckseite
des Abgastrakts 6, zweigt vom Abgastrakt 6 eine
Niederdruck-Abgasrückführungs-(AGR)-Leitung 24 ab,
die stromauf des ersten Verdichters 8 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und
stromab des Luftfilters 7 wieder in die Frischluftanlage 5 mündet.
In der Niederdruck-AGR-Leitung 24 ist ausgehend von der
Abzweigung vom Abgastrakt 6 in Strömungsrichtung
eines Niederdruck-AGR-Massenstroms gesehen ein Niederdruck-AGR-Kühler 25 und
ein Niederdruck-AGR-Ventil 26 angeordnet. Optional kann
die Kühlung des Niederdruck-AGR-Massenstroms unter Entfall
des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 über die verwendeten
Rohrlängen oder Rohrgestaltungen erfolgen. Die Kühlung
des Niederdruck-AGR-Massenstroms stellt sicher, dass an den Verdichtern 8, 10 im Abgasrückführungsbetrieb
keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.
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Stromauf
der ersten Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11,
d. h. auf einer Hochdruckseite der Abgasanlage 6, zweigt
von einem Abgaskrümmer 33 des Abgastrakts 6 eine
Hochdruck-AGR-Leitung 27 ab, die stromab der Drosselklappe 13 in
die Frischluftanlage 5 mündet. Mittels dieser
Hochdruck-AGR-Leitung 27 ist ein Hochdruck-AGR-Massenstrom über
ein Hochdruck-AGR-Ventil 28 in die Frischluftanlage 5 leitbar. In
der dargestellten Ausführungsform ist in der Hochdruck-AGR-Leitung 27 ein
Hochdruck-AGR-Kühler 29 angeordnet, welcher gegebenenfalls
mit dem Niederdruck-AGR-Kühler 25 baulich und/oder
funktionell vereinigt sein kann. Optional kann jedoch eine Kühlung
des Hochdruck-AGR-Massenstroms beispielsweise auch über
eine Rohrlänge der Hochdruck-AGR-Leitung 27 erfolgen.
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Die
dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist somit eine Abgasrückführung
auf, bei der Abgas stromauf der ersten Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11 über
einen entsprechenden Hochdruckpfad sowie stromab der Abgasreinigungseinheit 16 über
einen entsprechenden Niederdruckpfad dem Abgastrakt 6 entnehmbar
ist und nach Abkühlung stromauf des ersten Verdichters 8 des
Niederdruck-Abgasturboladers 9 sowie stromab der Drosselklappe 13 der
Frischluftanlage 5 und damit den Brennräumen der
Brennkraft maschine zuführbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist
dabei wahlweise ohne Abgasrückführung, mit Hochdruck-Abgasrückführung
oder Niederdruck-Abgasrückführung oder gleichzeitig
mit Hochdruck-Abgasrückführung und Niederdruck-Abgasrückführung
betreibbar. Somit ist den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 ein
Verbrennungsgas mit einer in weiten Grenzen veränderbaren
Abgasrückführrate zuführbar. Eine Einstellung einer
Abgasrückführungsmenge, d. h. des rückgeführten
Abgasmassenstromes und damit der AGR-Rate, erfolgt mittels der Abgasaufstauklappe 17 und/oder
des Niederdruck-AGR-Ventils 26 sowie mittels des Hochdruck-AGR-Ventils 28,
womit der Niederdruckanteil sowie der Hochdruckanteil des insgesamt
rückgeführten Abgases ebenfalls in weiten Grenzen
einstellbar sind. Dies erzielt insgesamt saubere Abgasrückführungsmassenströme,
eine bessere Abkühlung der Abgasrückführungsmassenströme, keine
Versottung der Abgasrückführungskühler 25, 29 und
eine gute Durchmischung der Abgasrückführungsmassenströme
mit Frischluft in der Frischluftanlage 5. Es sind hohe
Abgasrückführungsraten möglich und es
ist ein homogener oder zumindest teilhomogener Betrieb der Brennkraftmaschine 1 möglich.
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Die
Abgasaufstauklappe 17 und das Niederdruck-AGR-Ventil 26 sind
vorliegend Stellglieder einer als Vorsteuerregelung ausgeführten
Abgasrückführungsregelung. Sowohl das Niederdruck-AGR-Ventil 26 wie
die Abgasaufstauklappe 17 sind vorzugsweise kontinuierlich
verstellbar. Mit Hilfe der Abgasaufstauklappe 17 und des
Niederdruck-AGR-Ventils 26 vor dem ersten Verdichter 8 ist der
Niederdruckanteil am gesamten Abgasrückführungsmassenstrom
einstellbar und letzterer somit ebenfalls beeinflussbar. Solange
ein ausreichendes Druckgefälle zur Förderung des
Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms vorhanden
ist, ist dieser zunächst ausschließlich über
das Niederdruck-AGR-Ventil 26 einstellbar. Ist dies nicht
mehr der Fall, ist zusätzlich die Abgasaufstauklappe 17 etwas
anstellbar, um das Druckgefälle über das Niederdruck-AGR-Ventil 26 zu
erhöhen. Dabei ist eine sehr gute Durchmischung des Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms
mit der Frischluft sichergestellt. Ein weiterer Vorteil besteht
unter anderem darin, dass das über den Niederdruckpfad
rückgeführte Abgas sauber und nahezu pulsationsfrei
ist. Zusätzlich steht eine erhöhte Verdichterleistung
zur Verfügung, da bei einem hohen Niederdruckanteil rückgeführten
Abgases ein vergleichsweise hoher Abgasmassenstrom durch die Turbinen 14, 15 leitbar
ist. Da das rückgeführte Abgas nach den Verdichtern 8, 10 durch
den leistungsfähigen Ladeluftkühler 12 leitbar ist,
kann die Temperatur des Frischluft und Abgas umfassenden Verbrennungsgases
auch relativ kalt gehalten werden. Die Brennkraftmaschine 1 ist
je nach Bedarf sowohl mit der Hochdruck-Abgasrückführung
als auch mit der Niederdruck-Abgasrückführung
oder mit beiden betreibbar.
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Mittels
eines vorzugsweise vorgesehenen, den Ladeluftkühler 12 umgehenden
Ladeluftkühlerbypasses 30 in der Frischluftanlage 5,
ist eine Versottung des Ladeluftkühlers 12 vermeidbar.
Die Gefahr einer so genannten Versottung besteht beispielsweise,
wenn ein Wasserdampf und gegebenenfalls Partikel enthaltendes Gasgemisch
im Ladeluftkühler 12 unter den Taupunkt abgekühlt
wird und Kondensatbildung eintritt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das gesamte Frischluft-Abgasgemisch oder auch
nur ein Teil davon über den Ladeluftkühlerbypass 30,
welcher stromauf des Ladeluftkühlers 12 abzweigt,
an dem Ladeluftkühler 12 vorbei geleitet werden
kann, wodurch es durch den Ladeluftkühler 12 nicht
kühlbar ist und daher die Temperatur nicht unter den Taupunkt
abfällt. Um sicherzustellen, dass das Frischluft-Abgasgemisch,
wenn nötig, d. h. bei hohen Temperaturen des Frischluft-Abgasgemisches,
weiterhin mittels des Ladeluftkühlers 12 effektiv
kühlbar ist, ist stromab der Verdichter 8, 10 und
stromauf des Ladeluftkühlers 12 in der Frischluftanlage 5 ein
Temperatursensor 31 angeordnet, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen
Temperatur ein im Ladeluftkühlerbypass 30 angeordnetes
Ladeluftkühlerbypassventil 32 entsprechend ansteuerbar
ist und daraufhin dieses Ladeluftkühlerbypassventil 32 beispielsweise
vollständig öffnet oder vollständig schließt
oder in einer weiteren Ausführungsform teilweise öffnet.
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Für
einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 sind vorzugsweise
weitere Sensoren im Abgastrakt 6 sowie in der Frischluftanlage 5 vorgesehen,
was der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt
ist. Insbesondere können Temperatur- und/oder Drucksensoren
ausgangsseitig des Abgaskrümmers 33, in den Turbinenbypässen 20, 21,
eingangs- und ausgangsseitig oder innerhalb der Abgasreinigungseinheit 16,
eingangs- und ausgangsseitig des Luftfilters 7, eingangs-
und ausgangsseitig der Verdichter 8, 10, in den
Abgasrückführungsleitungen 24, 27 und
gegebenenfalls an weiteren Stellen angeordnet sein, um die Temperatur-
und Druckverhältnisse zu erfassen. Vorzugsweise ist ferner
ein Luftmassenstromsensor stromab des Luftfilters 7 vorgesehen,
um den Frischluftmassenstrom zu erfassen. Weiterhin sind vorzugsweise
Abgassensoren im Abgastrakt 6, wie beispielsweise eine
Lambdasonde im Abgaskrümmer 33 und vor und/oder
nach oder innerhalb der Abgasreinigungseinheit 16 vorgesehen.
Die Signale der vorhandenen Sensoren sind von einer nicht dargestellten
Steuer- und Regeleinrichtung verarbeitbar, welche anhand der Signale und
gespeicherten Kennlinien und Kennfelder Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 1 allgemein, insbesondere im Abgastrakt
und in der Frischluftanlage 5 ermitteln und durch Ansteuerung
von Stellgliedern gesteuert und/oder geregelt einstellen kann. Insbesondere
sind Abgasrückführmassenströme im Nieder-
und Hochdruckpfad sowie ein Lastzustand der Brennkraftmaschine 1 in
Bezug auf Drehmoment bzw. Mitteldruck sowie Drehzahl ermittel- bzw.
einstellbar.
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Im
Rahmen der Erfindung ist insbesondere ein in Bezug auf Stickoxide
möglichst schadstoffemissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen.
Hierfür erfolgt eine Ermittlung bzw. Abschätzung
der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine 1. Die ermittelten
NOx-Rohemissionswerte werden vorzugsweise zur bedarfsgerechten Emissionssteuerung
eingesetzt. Beispielsweise können abhängig von
den ermittelten NOx-Rohemissionsschätzwerten das Niederdruck-AGR-Ventil 26 und/oder
die Abgasaufstauklappe 17 und/oder das Hochdruck-AGR-Ventils 28 angesteuert
werden. Ferner kann eine Dosierung von Harnstoff-Wasserlösung
zur NOx-Verminderung an einem SCR-Katalysator anhand der NOx-Rohemissionswerte
gesteuert oder geregelt werden. Ferner können die Werte,
gegebenenfalls über eine NO-Oxidationsrate in ein Rußbeladungsmodell
für einen Partikelfilter einfließen, da NO2 durch
Reaktion mit abgelagerten Rußpartikeln auf die Rußbeladung
Einfluss nimmt. Daran angeknüpft ist eine Berechnung von
Zeitpunkten einer erzwungenen Partikelfilterregeneration ermöglicht.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung
der NOx-Rohemissionsschätzwerte anhand der schematisierten
Dasrtellung in 2 näher erläutert.
Dabei wird primär auf eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise
eingegangen. Es versteht sich jedoch, dass auch Abwandlungen vorgenommen
werden können und das Verfahren auch für mit AGR
betreibbare Verbrennungsmotoren anwendbar ist, welche abweichend
von dem oben anhand von 1 erläuterten Beispiel
ausgeführt sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Bedatungsteil 40,
bei welchem ein Referenzmotor in Bezug auf Werte für Motorbetriebsparameter
vermessen wird, und einen Anwendungsteil 41, bei welchem
für eine dem Referenzmotor entsprechende Brennkraftmaschine 1 im
Anwendungsfall auf die ermittelten, übertragenen und speichertechnisch
hinterlegten Daten zurückgegriffen und ein Schätzwert
für dessen NOx-Rohemission mNOx am aktuellen Betriebspunkt
rechnerisch ermittelt wird. Nachfolgend wird zunächst auf
den Bedatungsteil 40 eingegangen.
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Im
Bedatungsteil 40 des Verfahrens werden zunächst
eine Mehrzahl von Motorbetriebsparametern P ausgewählt
und festgelegt, für die ein nicht vernachlässigbarer
Einfluss auf die NOx-Rohemission mNOx des Motors festgestellt wurde
oder vermutet werden kann. Vorliegend sind dies wenigstens eine
oder mehrere der folgenden Motorbetriebsparameter P:
- – eine, vorzugsweise momentenbildende, Kraftstoffeinspritzmenge
MIME,
- – eine Sauerstoffkonzentration YO2 des dem Motor zugeführten
Verbrennungsgases,
- – ein Ansteuerbeginn ABHE für eine momentenbildende
Kraftstoffhaupteinspritzung,
- – ein Raildruck pRail für den den Kraftstoffinjektoren
zugeführten Kraftstoff,
- – eine Motordrehzahl nmot,
- – eine Ladedruck p2NR,
- – eine Ansauglufttemperatur T2SR und
- – eine Abgasrückführrate rAGR.
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Bei
der momentenbildende Kraftstoffeinspritzmenge MIME handelt es sich
um die Menge des in einem Arbeitszyklus eingespritzten Kraftstoffs,
welche drehmomentwirksam in den Brennräumen des Motors
verbrannt wird. Diese umfasst in der Regel wenigstens die Menge
des in einer Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs. Gegebenenfalls
kommen Einspritzmengen einer oder mehrerer Voreinspritzungen bzw.
Nacheinspritzungen hinzu. Ermittelbar ist die Kraftatoffeinspritzmenge
MIME aus dem bevorzugt messtechnisch erfassten Raildruck p2NR und
den ebenfalls verfügbaren Öffnungszeiten und Ansteuerbeginnen
für eine Öffnung der Injektoren.
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Die
Sauerstoffkonzentration YO2 gibt den Sauerstoffgehalt des dem Motor
zugeführten Verbrennungsgases nach Zumischung von rückgeführtem
Abgas zur Verbrennungsluft an. Ermittelbar ist YO2 aus den vom Luftmassenstromsensor
und von der Lambdasonde im Abgaskrümmer 33 gelieferten Messwerten.
Dasselbe gilt vorzugsweise für die AGR-Rate rAGR.
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Werte
für den Ansteuerbeginn ABHE werden bevorzugt von der Steuer-
und Regeleinrichtung bereitgestellt. Raildruck pRail und Ansauglufttemperatur
T2SR werden bevorzugt sensorisch erfasst. Dabei ist ein Temperatursensor
zur Erfassung der Ansauglufttemperatur T2SR bevorzugt nach der Drosselklappe 13 und
vor Zumischung von rückgeführtem Abgas zur Ansaugluft
vorgesehen. Bevorzugt ist vorgesehen, an der selben Stelle den Ladedruck
p2NR sensorisch zu erfassen. Die Motordrehzahl nmot wird ebenfalls
bevorzugt sensorisch, mittels eines Drehzahlsensors ermittelt.
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Bei
einem Stationärbetrieb werden an einer Vielzahl von Betriebspunkten
im Last-Drehzahl-Kennfeld des Referenzmotors die Werte für
die Motorbetriebsparameter P ermittelt und gleichzeitig eine jeweilige
zugeordnete NOx-Rohemission mNOx messtechnisch erfasst. Dabei wird
das Last-Drehzahl-Kennfeld bevorzugt gleichmäßig
mit Betriebspunkten überdeckt und somit wenigstens annähernd gleichmäßig
und vollständig abgerastert. Auf diese Weise werden einander
zugeordneten Vektoren für die Motorbetriebsparameter P
sowie für die zugeordneten NOx-Rohemission mNOx mit einer
der Vielzahl von Betriebspunkten entsprechenden Anzahl von Werten
erhalten.
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Nach
Erhebung der Daten ist erfindungsgemäß eine Verknüpfung
von einander zugeordneten Werten für die AGR-Rate rAGR
und für die NOx-Rohemission mNOx der jeweiligen Motorbetriebspunkte derart
vorgesehen, dass durch Division von Werten der NOx-Rohemission mNOx
mit zugeordneten Werten für ein Eins-Komplement der Werte
der AGR-Rate rAGR eine der Vielzahl von Betriebspunkten entsprechende
Anzahl von NOx-Rohemissionskennwerten KNOx erhalten wird. Ein NOx-Rohemissionskennwert
KNOx ist somit definiert durch KNOx = mNOx/(1 – rAGR).
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Aus
den solcherart für die Vielzahl der Motorbetriebspunkte
ermittelten NOx-Rohemissionskennwerten KNOx und den zugeordneten
Werten der anderen ausgewählten Motorbetriebsparameter
P werden sodann NOx-Rohemissionskennlinien gebildet, welche eine
Korrelation der NOx-Rohemissionskennwerte KNOx mit Werten eines
jeweiligen ausgewählten Motorbetriebsparameters P angeben.
Dabei ist für die NOx-Rohemissionskennlinienkonstruktion
jeweils eine Normierung der Werte vorgesehen. Normiert wird bevorzugt
auf die über die Werte aller berücksichtigten
Motorbetriebspunkte erhaltenen Mittelwerte ⌀KNOx der NOx-Rohemissionskennwerte KNOx
und der Mittelwerte ⌀P der Werte eines jeweiligen Motorbetriebsparameters
P.
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Wird
beispielsweise der Motorbetriebsparameter ABHE betrachtet, so gibt
die entsprechende NOx-Rohemissionskennline eine funktionale Abhängigkeit
y = f(x) an, bei welcher y als mittelwertnormierter NOx-Rohemissionskennwert
KNOx gegeben ist durch y = KNOx/⌀KNOx
= [mNOx/(1 – [rAGR])]/[⌀(mNOx/(1 – rAGR))]und
der mittelwertnormierte Motorbetriebsparameter ABHE durch x = ABHE/⌀ABHE,
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Eine
Konstruktion der NOx-Rohemissionskennlinien erfolgt nun erfindungsgemäß derart,
dass eine fehlerminimierte Potenzfunktion der Form y = f(x) = a
+ xn durch die Menge der für ein
jeweiliges Kennliniendiagramm berücksichtigten Wertepaare ermittelt
wird. Dabei wird bevorzugt die additive Konstante a zu Null gesetzt
und der Exponent n als positiver reeller Wert fehleroptimiert ermittelt.
Die NOx-Rohemissionskennlinien sind somit jeweils durch eine entsprechende
Potenzfunktion gegeben, welche eine Abhängigkeit der mittelwertnormierten und
auf einen Komplementwert der AGR-Rate rAGR bezogenen NOx-Rohemission
mNOx vom mittelwertnormierten jeweiligen Motorbetriebsparameter
P angeben. Die derart ermittelten NOx-Rohemissionskennlinien werden
in einem Speicher insbesondere einer Steuer- und Regeleinrichtung
anderer Motoren abgelegt, wo sie für eine Anwendung zur
Ermittlung der NOx-Rohemission im Betrieb verfügbar sind. Nachfolgend
wird die Vorgehensweise im Anwendungsteil 41 erläutert,
in welchem im realen Fahrbetrieb unter Rückgriff auf die
NOx-Rohemissionskennlinien Schätzwerte für die
NOx-Rohemission mNOx ermittelt werden.
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Hierzu
werden laufend, etwa im Abstand von 0,1 s bis 1 s, aktuelle Werte
für die ausgewählten Motorbetriebsparameter ermittelt
bzw. von der Steuer- und Regeleinrichtung zur Verfügung
gestellt. Aus den Werten der ausgewählten Motorbetriebsparameter werden
unter Rückgriff auf die abgespeicherten NOx-Rohemissionskennlinien
zugeordnete, mittelwertnormierte NOx-Rohemissionskennwerte KNOx ermittelt
und zusammen mit dem Eins-Komplementwert der am aktuellen Betriebspunkt
eingestellten AGR-Rate rAGR und einem Korrekturfaktor einem Multiplikator
M zugeführt. Mittels des vorab vorzugsweise empirisch ermittelten
und abgespeicherten Korrekturfaktors kann eine Anpassung an die
individuelle Brennkraftmaschine 1 und gleichzeitig eine Entnormierung
erfolgen. Die Entnormierung kann jedoch auch separat durchgeführt
werden. Damit ergibt sich als Resultat der vom Multiplikator M ausgeführten
Multiplikation direkt ein Schätzwert für die NOx-Rohemission
mNOx der Brennkraftmaschine 1. Da lediglich eine einfach
durchzuführende Multiplikation von Werten erforderlich
ist, ist eine Ermittlung der Schätzwerte für die
NOx-Rohemission mNOx mit geringer Rechenleistung ermöglicht.
Die Schätzwerte können daher in rascher Folge
und mit geringem Hardwareaufwand ermittelt werden.
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Wie
in 2 dargestellt, ist es bevorzugt vorgesehen, die
Schätzwerte einem Tiefpassfilter TP zuzuführen,
um Schwankungen zu glätten. Insbesondere für den
Fall, dass die Schätzwerte zur Plausibilisierung von Messwerten
eines NOx-Sensors oder für dessen Adaption vorgesehen sind,
kann sich eine Konvertierung der bevorzugt als Massewerte vorliegenden
Schätzwerte für die NOx-Rohemission mNOx in Konzentrationswerte
anschließen.
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Obschon
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Schätzwerte
für die NOx-Rohemission mNOx ermittelt werden, kann analoger
ein Einsatz des Verfahrens auch zur Ermittlung von Schätzwerten
für die Rohemission anderer Schadstoffe, wie beispielsweise
HC, CO vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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