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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
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Aus dem Serienkraftwagenbau bekannt sind derartige Verfahren zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen sowie Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen mittels einer Abgasrückführeinrichtung eine einstellbare Masse von Abgas der Verbrennungskraftmaschine von einer Abgasseite derselbigen über ein einstellbares Abgasrückführventil in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird. Mittels des Abgasrückführventils ist eine rückzuführende Menge bzw. Masse von Abgas derart einstellbar, indem durch das Abgasrückführventil ein bestimmter Strömungsquerschnitt für das rückzuführende Abgas einstellbar ist.
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Gemäß den bekannten Verfahren sowie den bekannten Verbrennungskraftmaschinen wird das Abgasrückführventil in Abhängigkeit von einem Verbrennungsluftverhältnis, also Lambda, oder in Abhängigkeit von einer gemessenen bzw. mittels einer Recheneinheit modellierten und berechneten Abgasrückführrate geregelt. Die bekannten Verfahren sowie die bekannten Verbrennungskraftmaschinen weisen dabei weiteres Potential auf, Emissionen der Verbrennungskraftmaschinen abzusenken.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche geringe Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine wird mittels zumindest einer Abgasrückführeinrichtung eine einstellbare Masse von Abgas der Verbrennungskraftmaschine von einer Abgasseite derselbigen über zumindest eine einstellbare Ventileinrichtung, insbesondere ein Abgasrückführventil, in zumindest einen Arbeitsraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt. Die zumindest eine einstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher also eine bestimmte Masse bzw. Menge des rückzuführenden Abgases eingestellt wird, wird zumindest in Abhängigkeit von einem Vergleich einer vorgebbaren Soll-Füllungsmasse mit einer Ist-Füllungsmasse in dem zumindest einen Arbeitsraum eingestellt.
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Mittels der Ventileinrichtung ist die Menge bzw. Masse des rückzuführenden Abgases beispielsweise einstellbar, indem durch die Ventileinrichtung ein von dem rückzuführenden Abgas zu durchströmender Strömungsquerschnitt und somit ein bestimmter Volumen- bzw. Massenstrom des Abgases von der Abgasseite in den zumindest einen Arbeitsraum eingestellt wird, also zumindest bereichsweise freigegeben oder zumindest bereichsweise verschlossen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht besonders niedrige Emissionen, insbesondere niedrige Stickoxid-(NOx-) sowie niedrige Partikel-Emissionen. Die Emissionen der Verbrennungskraftmaschinen hängen nämlich ab von der Füllungsmasse im Arbeitsraum der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Füllungsmasse von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft sowie rückgeführtes und in den Arbeitsraum eingebrachtes Abgas umfasst. Können bei einer Einstellung der Ventileinrichtung und damit bei einer Einstellung der Menge bzw. Masse des rückzuführenden Abgases lediglich in Abhängigkeit von einem Verbrennungsluftverhältnis der Verbrennungskraftmaschine (Lambda, Verhältnis aus einer dem zumindest einem Arbeitsraum zugeführten Luftmenge zu theoretischem Luftbedarf) lediglich die Partikel-Emissionen zumindest im Wesentlichen konstant und niedrig gehalten werden, wobei die Stickoxid-Emissionen zum Beispiel bei Reduzierung der Füllungsmasse im Zylinder ansteigen können, so können bei einer Einstellung der Ventileinrichtung und damit bei einer Einstellung der Menge bzw. Masse des rückzuführenden Abgases lediglich in Abhängigkeit von einer gemessenen und/oder mittels einer Recheneinrichtung modellierten und berechneten Abgasrückführrate (AGR-Rate) lediglich zumindest im Wesentlichen die Stickoxid-Emissionen konstant und niedrig gehalten werden, wobei gegebenenfalls die Partikel-Emissionen ansteigen können. Dieses gegenläufige Verhältnis und dieser Kompromiss ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zumindest abgeschwächt wenn nicht gar vermieden, da nun die Ventileinrichtung in Abhängigkeit des Vergleichs der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse in dem Arbeitsraum eingestellt und damit geregelt wird.
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Dabei wird beispielsweise die Soll-Füllungsmasse in einem Kennfeld, beispielsweise in einer Speichereinrichtung und/oder in einem Steuergerät, hinterlegt, wobei die vorgebbare Soll-Füllungsmasse in Abhängigkeit von einer Drehzahl und einer Last sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von einer von mehreren Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben wird. Die so vorgegebene Soll-Füllungsmasse wird mit der Ist-Füllungsmasse verglichen, die bei einer Ausführungsform der Erfindung bei einem aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Erfassungseinrichtung gemessen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ist-Füllungsmasse mittels einer Recheneinrichtung modelliert und ermittelt, also berechnet, wird. Eine Verknüpfung, beispielsweise in Form eines Vergleichs, der erfassten Ist-Füllungsmasse mit der ermittelten Ist-Füllungsmasse ist ebenso möglich.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Soll-Verbrennungsluftverhältnis eingestellt wird, wobei dieses Soll-Verbrennungsluftverhältnis (Soll-Lambda) anhand eines motordrehzahl- und kraftstoffmengenbasierten Kennfelds, welches zum Beispiel in einer Speichereinrichtung und/oder einem Steuergerät hinterlegt ist, in Abhängigkeit von einer Abweichung des Vergleichs der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse korrigiert wird. Das bedeutet also, dass die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von dem Verbrennungsluftverhältnis eingestellt und geregelt werden kann, das Verbrennungsluftverhältnis allerdings nun erfindungsgemäß den besagten Vergleich der Ist-Füllungsmasse mit der Soll-Füllungsmasse und eine etwaige Abweichung berücksichtigt.
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Dies hält sowohl die Stickoxid-Emissionen als auch die Partikel-Emissionen in einem sehr geringen Rahmen, und das auch bei einem transienten, instationären Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, in welchem sich die Füllungsmasse des Arbeitsraums schnell und häufig ändert, beispielsweise aufgrund von Lastveränderungen. Durch entsprechende Applikation des angeführten Kennfelds kann der ausgeführte Zielkonflikt zwischen den Stickoxid- und den Partikel-Emissionen zumindest reduziert wenn nicht gar vermieden und beide Emissionsarten deutlich gesenkt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei bei jedweder Art von Verbrennungskraftmaschine, also bei Ottomotoren sowie bei Dieselmotoren anwendbar, und ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Aufladeeinrichung, insbesondere ein Abgasturbolader, vorgesehen ist, mittels welchem die dem Arbeitsraum zuzuführende Luft verdichtet werden kann.
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Ist ein solcher Abgasturbolader vorgesehen, so sind durch das erfindungsgemäße Verfahren Schwankungen eines Ladedrucks des Abgasturboladers und/oder einer Temperatur der durch den Abgasturboladers verdichteten Luft ausgleichbar, welche zu Schwankungen der Füllungsmasse im Arbeitsraum führen und damit die Darstellungen niedriger Emissionen der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen würden. Da das erfindungsgemäße Verfahren allerdings die Füllungsmasse im Zylinder und damit etwaige Schwankungen berücksichtigt, können die Emissionen nichtsdestotrotz in zumindest nahezu jedem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden.
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Zur Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Abgasrückführeinrichtung, mittels welcher eine einstellbare Masse von Abgas der Verbrennungskraftmaschine von einer Abgasseite über zumindest eine einstellbare Ventileinrichtung, insbesondere ein Abgasrückführventil, in zumindest einen Arbeitsraum, insbesondere einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die zumindest eine Ventileinrichtung zumindest in Abhängigkeit von einem Vergleich einer vorgebbaren Soll-Füllungsmasse mit einer Ist-Füllungsmasse in dem zumindest einen Arbeitsraum einstellbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinen und umgekehrt anzusehen.
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Somit ermöglicht auch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine die Darstellung besonders niedriger Emissionen, insbesondere sowohl niedriger Stickoxid-Emissionen als auch niedriger Partikel-Emissionen, durch die Berücksichtigung des Vergleichs der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse und damit durch die Berücksichtigung etwaiger Schwankungen dieser Füllungsmasse, beispielsweise aufgrund von Ladedruckschwankungen eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers, mittels welchem dem Arbeitsraum zuzuführende Luft zur Darstellung einer bestimmten Füllungsmasse zur Realisierung eines gewünschten Drehmoments und/oder einer gewünschten Leistung verdichtbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors ist zur Darstellung eines gewünschten Drehmoments bei gleichzeitig geringem Gewicht der Verbrennungskraftmaschine ein Abgasturbolader vorgesehen, der zumindest einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet. Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung mit einem Abgasrückführventil vorgesehen, mittels welcher Abgas des Dieselmotors von einer Abgasseite in den Zylinder rückführbar ist. Dadurch sind Emissionen des Dieselmotors, insbesondere Stickoxid-Emissionen und Partikel-Emissionen (Ruß-Emissionen) reduzierbar. Die von dem Abgasturbolader verdichtete Luft sowie eine bestimmte Menge bzw. Masse von rückgeführtem Abgas sind Bestandteile einer Füllungsmasse des Zylinders, die mit Kraftstoff beaufschlagt wird zur Darstellung eines bestimmten Drehmoments und einer bestimmten Leistung.
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Aufgrund von dem Abgasturbolader zuzuordnenden Toleranzen kann es zu Schwankungen des Drucks der von dem Abgasturbolader verdichteten Luft auf einer Einlassseite des Dieselmotors kommen. Diese Schwankungen des Drucks führen zu einer Abweichung einer gewünschten Ist-Füllungsmasse des Zylinders von einer vorgebbaren und beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegten Soll-Füllungsmasse. In Bereichen des Verbrauchskennfelds des Dieselmotors, in denen eine Umströmungseinrichtung, insbesondere ein Wastegate, des Turboladers bereits geschlossen ist, kann diese Abweichung der Ist-Füllungsmasse von der Soll-Füllungsmasse nicht durch eine Luftmassenregelung und/oder eine Druckregelung des Drucks der zu verdichtenden Luft auf der Einlassseite des Dieselmotors kompensiert werden.
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Dabei liegt ein Zielkonflikt vor zwischen dem Wunsch, die Stickoxid-Emissionen gering zu halten, und dem Wunsch, die Partikel-Emissionen (Ruß-Emissionen) gering zu halten. Um nun sowohl die Stickoxid-Emissionen als auch die Partikel-Emissionen gering zu halten, wird die Ventileinrichtung der Abgasrückführeinrichtung in Abhängigkeit von der angeführten Abweichung der Ist-Füllungsmasse von der Soll-Füllungsmasse und damit in Abhängigkeit von einem Vergleich der Ist-Füllungsmasse mit der Soll-Füllungsmasse eingestellt. Eingestellt bedeutet dabei, dass mittels des Abgasrückführventils ein von dem rückzuführenden Abgas zu durchströmender Strömungsquerschnitt eingestellt wird, wodurch entsprechend eine Masse bzw. Menge des rückzuführenden Abgases eingestellt wird. Diese Einstellung und damit die Regelung des Abgasrückführventils erfolgt dabei über ein Verbrennungsluftverhältnis (Lamda) der Verbrennungskraftmaschine, wobei ein beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegtes Soll-Verbrennungsluftverhältnis, anhand welchem Regelwerte und Regelgrößen für das Abgasrückführventil erzeugt bzw. vorgegeben werden, in Abhängigkeit von der Abweichung und damit von dem Vergleich der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse sowie in Abhängigkeit von einem motordrehzahl- und kraftstoffmengenbasierten Kennfeld korrigiert wird.
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Zur Durchführung dieser Einstellung bzw. Regelung des Abgasrückführventils wird eine Soll-Sauerstoffkonzentration Ψ
O₂.IM,base in einem Druckluftverteiler des Dieselmotors auf dessen Einlassseite berechnet, welcher die von dem Abgasturbolader verdichtete Luft an den Zylinder bzw. an eine Mehrzahl von Zylindern des Dieselmotors verteilt. Diese Soll-Sauerstoffkonzentration Ψ
O₂.IM,base ergibt sich aus:
wobei Ψ
O₂.air die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft bezeichnet. λ
base bezeichnet das angeführte Soll-Verbrennungsluftverhältnis, während ṁ
B einen Massenstrom eines dem Zylinder zuzuführenden Kraftstoffes und ṁ
int,base einen Soll-Massenstrom der Luft bezeichnet. L
st bezeichnet den stöchiometrischen Luftbedarf. Dabei angenommen ist, dass eine Masse des rückgeführten Abgases ungefähr gleich der Masse der dem Zylinder zuzuführenden Luft ist sowie, dass der Kehrwert des stöchiometrischen Luftbedarfs L
st um ein Vielfaches kleiner als das Verbrennungsluftverhältnis λ ist.
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Vor diesem Hintergrund ergibt sich beispielsweise bei einer Schwankung des Drucks auf der Einlassseite, so zum Beispiel in dem Druckverteiler, eine veränderte, dem Zylinder zuzuführende Einlassmasse (Füllungsmasse), wobei sich eine veränderte, neue Sauerstoffkonzentration Ψ
O₂,IM,new ergibt zu:
wobei λ
new ein verändertes Verbrennungsluftverhältnis in diesem Betriebszustand des Dieselmotors bezeichnet, während ṁ
int,new einen neuen, veränderten Luftmassenstrom in diesem Betriebszustand des Dieselmotors bezeichnet.
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Um die Sauerstoffkonzentration bei dieser veränderten Einlassmasse konstant zu halten, ergibt sich ein auf Basis eines Soll-Verbrennungsluftverhältnisses λ
base, welches beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt ist, korrigiertes Verbrennungsluftverhältnis λ
new zu:
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Um das Erschaffen neuer Kennfelder für den Soll-Luftmassenstrom ṁ
int,base zu vermeiden, kann die gewünschte Einlassmasse in Abhängigkeit von einer Soll-Abgasrückführrate e_Ratio
base und in Abhängigkeit von dem Soll-Verbrennungsluftverhältnis λ
base auf folgende Weise berechnet werden:
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Um nun die Sauerstoffkonzentration konstant zu halten, muss ein Korrekturfaktor Corr_fac wie folgt berechnet werden:
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Auf diese Art und Weise sind insbesondere die Stickoxid-Emissionen des Dieselmotors in einem geringen Rahmen zu halten. Auch die Partikel-Emissionen können reduziert werden. Zur weiteren Reduzierung der Partikel-Emissionen kann ein veränderbarer Parameter vorgegeben werden, mit welchem der Korrekturfaktor Corr_fac beispielsweise multipliziert wird, wobei dieser Korrekturfaktor beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 2 einstellbar und dazu vorgesehen ist, ein Optimum sowohl geringer Stickoxid-Emissionen als auch geringer Partikel-Emissionen einstellen zu können. Um zu niedrige Verbrennungsluftverhältnisse zu vermeiden, kann vorteilhafterweise ein Minimalwert für das Verbrennungsluftverhältnis vorgesehen werden, wobei das auf die beschriebene Art und Weise korrigierte Verbrennungsluftverhältnis λnew stets gleich oder über, also nicht unter diesem Minimalwert liegt. Dies erlaubt die Darstellung sowohl geringer Partikel-Emissionen als auch geringer Stickoxid-Emissionen, insbesondere in transienten Zuständen des Dieselmotors.
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Das Abgasrückführventil wird beispielsweise unter Einsatz eines offenen Regelkreises geregelt. Um ein exaktes und fehlerfreies Signal für das Verbrennungsluftverhältnis zu ermöglichen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass auch Regelwerte zur Einstellung bzw. Regelung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit von der ausgeführten Abweichung der Ist-Füllungsmasse von der Soll-Füllungsmasse korrigiert wird. Dies kann beispielsweise anhand eines Korrekturwerts und/oder Korrekturfelds erfolgen, wobei der Korrekturwert beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 1 liegt. Weiterhin ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine solche Korrektur in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Abweichung der Soll-Füllungsmasse von der Ist-Füllungsmasse geschieht, also in Abhängigkeit davon, ob die Soll-Füllungsmasse größer oder kleiner ist als die Ist-Füllungsmasse bzw. umgekehrt.
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Weiterhin ist es möglich, eine nicht-lineare Korrektur vorzusehen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass in bestimmten Fällen sowohl die Korrekturen des Soll-Luftverhältnisses λnew und damit einer Abgasrückführrate (Masse bzw. Menge des rückzuführenden Abgases) sowie der Regelwerte für das Abgasrückführventil ausgeschaltet lassen, zum Beispiel dann, wenn ein weiterer Faktor zur Einstellung und Korrektur des Rußverhaltens bzw. der Rußgrenze des Dieselmotors höher als ein einstellbarer Wert liegt, beispielsweise während einem transienten Lastsprung. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die beschriebenen Korrekturen unter jeglichen Umständen ausgeschaltet werden können.
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Wie bereits aufgeführt, erfolgt eine Korrektur des Soll-Verbrennungsluftverhältnisses λbase in Abhängigkeit von dem Vergleich der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse und damit eine Korrektur der Einlassmasse sozusagen in beide Richtungen, also dann, wenn die Ist-Füllungsmasse größer als die Soll-Füllungsmasse und wenn die Ist-Füllungsmasse kleiner als die Soll-Füllungsmasse ist, wobei die angeführte Einlassmasse mit der angeführten Füllungsmasse korreliert. Eine positive Abweichung der Einlassmasse, also wenn die Ist-Füllungsmasse größer ist als die Soll-Füllungsmasse, bedeutet eine bessere Zylinderfüllung und damit einen weniger kritischen Zielkonflikt zwischen den Stickoxid-Emissionen und den Partikel-Emissionen. In diesem Falle sind die Stickoxid-Emissionen ohnehin als gering einzustufen, wobei durch entsprechende Einstellung des Abgasrückführventils die Partikel-Emissionen reduziert werden können.
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Eine negative Abweichung der Einlassmasse, also wenn die Ist-Füllungsmasse geringer ist als die Soll-Füllungsmasse, bedeutet einen kritischeren Zielkonflikt hinsichtlich der Einstellung sowohl geringer Stickoxid-Emissionen als auch geringer Partikel-Emissionen. Ohne eine Korrektur der Füllungsmasse bzw. der Einlassmasse würde eine unkorrigierte Regelung des Abgasrückführventils zu konstanten Partikel-Emissionen aber erhöhten Stickoxid-Emissionen führen. Eine vollständige Korrektur der Füllungsmasse bzw. der Einlassmasse und damit eine korrigierte Regelung des Abgasrückführventils würden die Stickoxid-Emissionen konstant halten, aber erhöhte Partikel-Emissionen bedeuten. In diesem Falle gilt es, einen Kompromiss zu schließen, um sowohl die Partikel-Emissionen als auch die Stickoxid-Emissionen in gewissen Grenzen gering zu halten und gegeneinander abzuwägen. Um beide Strategien zu ermöglichen, also sowohl die Korrektur des Verbrennungsluftverhältnisses λbase und damit die Einstellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit von dem Vergleich der Soll-Füllungsmasse mit der Ist-Füllungsmasse zu ermöglichen, sind gegebenenfalls unterschiedliche Korrekturen, insbesondere Korrekturwerte und/oder Korrekturfelder erforderlich, wobei eine Korrektur für die positive Abweichung (Ist-Füllungsmasse größer als Soll-Füllungsmasse) und eine Korrektur für die negative Abweichung (Ist-Füllungsmasse kleiner als Soll-Füllungsmasse) vorgesehen ist.
