DE102014005587A1 - Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung - Google Patents

Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung (6), bei welchem eine zur Einstellung der erhöhten Abgastemperatur erforderliche Menge einer nach einer Kraftstoffhaupteinspritzung in einen Brennraum (8) der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffnacheinspritzung berechnet wird, wobei die Kraftstoffnacheinspritzung als mitbrennende Kraftstoffnacheinspritzung ausgebildet ist, die in einem Expansionstakt der Brennkraftmaschine in den Brennraum (8) eingespritzt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Menge der Kraftstoffnacheinspritzung aus einer ersten Temperatur (T3, T3v) ermittelt wird, welche für das Abgas der Brennkraftmaschine am Einlass einer Turbine (11) eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine errechnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Insbesondere zur Durchführung von Regenerationsvorgängen für in der Abgasleitung von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen angeordneten Abgasreinigungskomponenten wie beispielsweise Partikelfilter oder Stickoxid-Speicherkatalysatoren, sind erhöhte Abgastemperaturen von etwa 600°C oder darüber erforderlich, die bei normalem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs selten erreicht werden und daher oftmals durch eine Umstellung der Kraftstoffverbrennung der Brennkraftmaschine gezielt herbeigeführt werden müssen, wobei die Umstellung der Kraftstoffverbrennung eine insbesondere mitbrennende Kraftstoffnacheinspritzung umfasst. Beispielsweise ist es aus der DE 100 33 159 A1 bekannt, eine Abgastemperatur stromauf eines Partikelfilters zu messen, und in Abhängigkeit von deren Abweichung zu einer Solltemperatur Zeitpunkt und/oder Menge einer Kraftstoffnacheinspritzung einzustellen. Aufgrund einer unvermeidlichen Trägheit der Temperaturmessung kann eine Regelung der Nacheinspritzung basierend auf der mittels eines Temperaturfühlers ermittelten Abgastemperatur oftmals nicht so rasch wie erwünscht erfolgen. Andererseits sind trägheitsarme Temperaturfühler sehr empfindlich und wenig dauerhaltbar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches unter Vermeidung der genannten Nachteile eine rasche Einstellung bzw. Einregelung einer erhöhten Abgastemperatur ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung wird eine zur Einstellung der erhöhten Abgastemperatur erforderliche Menge einer nach einer Kraftstoffhaupteinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffnacheinspritzung berechnet, wobei die Kraftstoffnacheinspritzung als mitbrennende Kraftstoffnacheinspritzung ausgebildet ist, die in einem Expansionstakt der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird. Erfindungsgemäß wird die Menge der Kraftstoffnacheinspritzung aus einer ersten Temperatur ermittelt, welche für das Abgas der Brennkraftmaschine am Einlass einer Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine errechnet wird.
  • Dabei ist unter einer mitbrennenden Kraftstoffnacheinspritzung eine Kraftstoffeinspritzung zu verstehen, welche in einem Zeitbereich oder Kurbelwinkelbereich im Expansionstakt der bevorzugt nach einem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine erfolgt, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff an der im Brennraum ablaufenden Kraftstoffverbrennung teilnimmt. Insbesondere erfolgt eine überwiegende oder annähernd vollständige Verbrennung. Dabei ist die mitbrennende Kraftstoffnacheinspritzung drehmomentwirksam, trägt also zur Erzeugung eines von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments bei. Das aus dem Brennraum oder den Brennräumen nach Durchführung der Kraftstoffnacheinspritzung und nach Öffnen des Auslassventils in die Abgasleitung austretende Abgas weist aufgrund der Nacheinspritzung eine erhöhte Temperatur auf, welche maßgeblich von der Kraftstoffnacheinspritzmenge bestimmt wird. Die erhöhte Abgastemperatur ist sehr rasch nach dem Austrten des Abgases an der Eintrittsseite, d. h. einige Zentimeter oder weniger stromaufwärts der Turbine vorhanden. Das Heranziehen der Abgastemperatur am Einlass der Turbine hat somit den Vorteil eines geringen Zeitverzugs zwischen Einstellung der Nacheinspritzung und deren Wirksamwerden.
  • Weiterhin ist eine thermische Überlastung der Turbine zuverlässig vermeidbar, wenn eine eintrittsseitig der Turbine vorhandene Abgastemperatur zur insbesondere geregelten Einstellung der Nacheinspritzmenge herangezogen wird. Die Abgastemperatur kann nämlich sehr zuverlässig auf Temperaturen unterhalb einer zulässigen vorgebbaren Höchsttemperatur eingestellt werden. Eine rasche Einstellung der Nacheinspritzmenge basierend auf einer berechneten Temperatur an der Eintrittsseite der Turbine hat weiterhin den Vorteil, dass eine Anzeigeträgheit eines Temperaturfühlers vermieden wird. Aufgrund der heute möglichen schnellen Ausführbarkeit von Rechenalgorithmen ist daher eine rasche und auch genaue Einstellung der Nacheinspritzmenge zur Erzielung einer gewünschten Abgastemperaturerhöhung bzw. Einstellung einer erhöhten Abgas-Solltemperatur ermöglicht.
  • In Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Temperatur aus einer zweiten Temperatur berechnet, welche für ein im Expansionstakt der Brennkraftmaschine im Brennraum der Brennkraftmaschine eingeschlossenes Verbrennungsgas unmittelbar vor Öffnen eines den Brennraum verschließenden Auslassventils ermittelt wird. Unter unmittelbar vor öffnen des Auslassventils ist ein Kurbelwinkelbereich von weniger als 5°, bevorzugt weniger als 2° vor einem Abheben des Auslassventils und damit einem Freigeben der Auslassventilöffnung, besonders bevorzugt praktisch zeitgleich dem mit dem Abheben des Auslassventils zu verstehen. Die zweite Temperatur ist somit eine Temperatur des im Brennraum bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen eingeschlossenen Verbrennungsgases. Die zweite Temperatur entspricht wenigstens annähernd der Temperatur des Abgases, wie es von der Brennkraftmaschine aus dem Brennraum durch die Auslassventilöffnung austritt bzw. ausgeschoben wird. Vorzugsweise mittels eines Wärmeverlustmodells können Wärme- bzw. Temperaturverluste des Abgases auf seinem Weg bis zum Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers berechnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen genauen Wert für die erste Temperatur des Abgases an der Eintrittsseite der Abgasturboladerturbine zu errechnen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Temperatur aus einem momentanen Druck und/oder einem Druckverlauf des Verbrennungsgases im Brennraum ermittelt. Hierzu wird bevorzugt ein Drucksensor herangezogen, der den Brennrauminnendruck erfassen und an eine Recheneinheit zur Auswertung weiterleiten kann. Da eine Verwendung derartiger Sensoren in modernen Brennkraftmaschinen nicht unüblich ist, kann in diesen Fällen ohne zusätzlichen Aufwand der Druckverlauf in einem Brennraum bzw. in allen Brennräumen der Brennkraftmaschine in Echtzeit verfolgt werden, was die erfindungsgemäße Einstellung der erhöhten Abgastemperatur äußerst schnell macht. Der erfasste Brennrauminnendruck kann dabei gleichzeitig in Bezug auf weitere einzustellende oder zu überwachende Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ausgewertet werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden für die erste Temperatur ein erster Temperaturwert und ein zweiter Temperaturwert ermittelt, wobei der erste Temperaturwert einer Temperatur des Abgases mit Durchführung der Kraftstoffnacheinspritzung mit einer vorgebbaren Menge entspricht und der zweite Temperaturwert einer Temperatur des Abgases ohne Durchführung der Kraftstoffnacheinspritzung entspricht. Somit kann der Einfluss einer aktuell vorgenommenen Kraftstoffnacheinspritzung auf die erste Temperatur, d. h. auf die Abgastemperatur am Turbineneinlass laufend und insbesondere wenigstens annähernd in Echtzeit verfolgt ermittelt bzw. errechnet werden. Auf einen Einfluss von Störgrößen, wie beispielsweise eine Änderung eines oder mehrerer Brennkraftmaschinenbetriebsparameter kann somit sehr rasch reagiert werden.
  • Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus der Differenz von erstem Temperaturwert und zweitem Temperaturwert eine Korrelation von Kraftstoffnacheinspritzung und erster Temperatur ermittelt wird und zur Festlegung der Menge der einzuspritzenden Kraftstoffnacheinspritzung herangezogen wird. Im einfachsten Fall, insbesondere bei geringen Abweichungen des ersten Temperaturwerts von einem Sollwert für die Abgastemperatur am Turbineneinlass, kann mit einer linearen Korrelation, bzw. mit einem direkt proportionalen Zusammenhang gearbeitet werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein durch die Kraftstoffnacheinspritzung bewirkter Drehmomentbeitrag an einem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment berechnet und es wird eine Menge der Kraftstoffhaupteinspritzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehmomentbeitrag der Kraftstoffnacheinspritzung derart verändert, dass ein von der Brennkraftmaschine abzugebendes Solldrehmoment wenigstens annähernd erreicht wird. Auf diese Weise bleibt die drehmomentwirksame Kraftstoffnacheinspritzung vom Fahrer des jeweiligen Kraftfahrzeugs wenigstens annähernd unbemerkt. Es ist eine Durchführung einer Regeneration beispielsweise eines Partikelfilters mit hohem Fahrkomfort ermöglicht. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der durch die Kraftstoffnacheinspritzung bewirkte Drehmomentbeitrag an dem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment aus einem Druckverlauf des Verbrennungsgases im Brennraum berechnet wird.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Teildarstellung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit angeschlossenem Abgassystem,
  • 2 ein Diagramm, welches Verläufe eines Brennrauminnendrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wiedergibt,
  • 3 ein Diagramm, welches aus den Druckverläufen gemäß 2 errechnete Temperaturverläufe in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wiedergibt und
  • 4 ein Diagramm, welches errechnete Temperaturverläufe für aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgetretenes Abgas wiedergibt.
  • In 1 ist lediglich schematisch und ausschnittsweise eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem angeschlossenen Abgassystem dargestellt. Dabei ist lediglich ein Zylinder 1 der typischerweise mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gezeigt. Vorliegend ist die Brennkraftmaschine als selbstzündender Dieselmotor ausgebildet. In dem Zylinder 1 kann sich ein Kolben 2 oszillatorisch zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegen. Mechanisch ist der Kolben 2 über ein Pleuel 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden, die ein von der Brennkraftmaschine erzeugtes Drehmoment an nicht dargestellte Antriebsräder des Kraftfahrzeugs abgeben kann. An den Zylinder 1 sind eine Lufteinlassleitung 5 und eine Abgasleitung 6 angeschlossen. Über die Lufteinlassleitung 5 ist dem Zylinder 1 Verbrennungsluft zur Verbrennung von Kraftstoff zuführbar, welcher mittels eines Kraftstoffinjektors 7 in einen Brennraum 8 des Zylinders 1 eingespritzt werden kann. Im Brennraum 8 verbrannter Kraftstoff kann über die Abgasleitung 6 aus dem Zylinder 1 abgeführt werden. Zutritt der Verbrennungsluft und Abfuhr des Abgases sind durch Betätigung eines Einlassventils 9 bzw. eines Auslassventils 10 ermöglicht. Im gezeigten Zustand sind Einlassventil 9 und Auslassventil 10 geschlossen, so dass der Brennraum 8 abgeschlossen ist. Aus dem Brennraum 8 bei geöffnetem Auslassventil 10 infolge eines Überdrucks austretendes und/oder infolge der Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 ausgeschobenes Abgas gelangt über die Abgasleitung 6 zu einer Einlassseite 12 einer Turbine 11 eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers. Die Turbine 11 ist über eine Turboladerwelle 14 mit einem in der Lufteinlassleitung 5 angeordneten Verdichter des Abgasturboladers verbunden, der die Verbrennungsluft komprimieren kann, was nicht näher dargestellt ist. Die Turbine 11 über einen Turbinenauslass 13 verlassendes Abgas wird einer Abgasreinigungseinheit 15 zugeführt. Vorzugsweise ist die Abgasreinigungseinheit 15 brennkraftmaschinennah, d. h. im so genannten Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend davon ausgegangen, dass die Abgasreinigungseinheit 15 als Partikelverminderungseinheit ausgebildet ist, welche vorzugsweise einen Oxidationskatalysator sowie einen mit geringem Abstand stromabwärts davon angeordneten Partikelfilter aufweist, was ebenfalls nicht näher dargestellt ist.
  • Zur Erfassung eines Drucks von im Brennraum 8 des Zylinders 1 befindlichen Gases, nachfolgend als Verbrennungsgas bezeichnet, ist ein Drucksensor 16 vorgesehen. Der Drucksensor 16 kann sein erzeugtes, mit dem erfassten Druck korrelierendes Signal über eine Signalleitung 18 an eine elektronische Steuereinheit 17 abgeben. Über eine weitere Signalleitung 19 ist der Injektor 7 an die Steuereinheit 17 angeschlossen. Über weitere Signalleitungen 20 ist die Steuereinheit 17 über nicht näher dargestellte Sensoren und Aktuatoren angeschlossen, um den Betrieb der Brennkraftmaschine und Abgassystems zu überwachen und steuern zu können. Hierfür verfügt die Steuereinheit 17 bevorzugt über eine Recheneinheit zur Auswertung der empfangenen Signale und zur Berechnung der Steuersignale sowie eine Speichereinheit in welcher ausführbare Programme sowie Kennlinien und Kennfelder abgespeichert sind.
  • Für die in der Abgasleitung 6 angeordnete, hier als Partikelverminderungseinheit ausgebildete Abgasreinigungseinheit 15 sind wiederkehrende Regenerationsvorgänge vorgesehen, welche eine erhöhte Abgastemperatur von etwa 650°C oder mehr erfordern, damit beispielsweise im Partikelfilter der Partikelverminderungseinheit angesammelter Ruß abgebrannt werden kann. Da solch hohe Abgastemperaturen bei üblichem Betrieb der Brennkraftmaschine nicht erzielt werden, sind hierfür besondere Maßnahmen erforderlich.
  • Nachfolgend wird eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Vorgehensweise zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur näher erläutert. Insbesondere betrifft diese Vorgehensweise eine Einregelung einer im Folgenden mit T3 bezeichneten erhöhten Abgastemperatur an der Einlassseite 12 der Turbine 11 auf eine Soll-Temperatur T3soll von beispielsweise 600°C bis 750°C. Die Anhebung der Abgastemperatur T3 auf die Soll-Temperatur T3soll wird maßgeblich durch eine mitbrennende, drehmomentwirksame Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 8 mittels des Injektors 7 bewirkt. Die Kraftstoffnacheinspritzung beginnt bevorzugt bei einem insbesondere in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl abhängigen vorgebbaren Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel. Dieser Zeitpunkt ist vorzugsweise ein Zeitpunkt unmittelbar oder kurz nach der Beendigung einer Kraftstoffhaupteinspritzung. Ein so genannter Ansteuerbeginn, zu welchem der Injektor 7 zur Abgabe der Kraftstoffnacheinspritzung von der Steuereinheit 17 angesteuert wird, kann beispielsweise bei etwa 50° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 im Verdichtungstakt liegen. Die Dauer der Kraftstoffnacheinspritzung in Verbindung mit einem Nacheinspritzdruck von Kraftstoff im Injektorzulauf bestimmt dabei maßgeblich die Nacheinspritzmenge mNE des jeweiligen Nacheinspritzvorgangs. Die Nacheinspritzmenge mNE bestimmt ihrerseits wieder maßgeblich die Abgastemperatur T3 an der Einlassseite der Turbine 11. Insofern kann die Nacheinspritzmenge mNE als Stellgröße im Regel- bzw. Steuerungsprozess zur Einstellung der erhöhten Abgastemperatur T3 angesehen werden.
  • Die zur Einstellung einer wenigstens annähernd der Soll-Temperatur T3soll entsprechenden erhöhten Abgastemperatur T3 an der Einlassseite 12 der Turbine 11 erforderliche Nacheinspritzmenge mNE,soll je Arbeitszyklus des Zylinders 1 wird vorzugsweise unter Heranziehung der vom Drucksensor 16 laufend oder mit hoher Frequenz von 10 kHz oder mehr bereitgestellten Druckwerte rechnerisch ermittelt.
  • Zur weiteren Erläuterung wird Bezug auf 2 genommen, in welcher beispielhaft ein ermittelter Brennrauminnendruck pi in Abhängigkeit des Kurbelwinkels φ dargestellt ist. Dabei stellt der mit 21 gekennzeichnete, durchgezogen dargestellte Kurvenzug den mittels des Drucksensors 16 gemessenen Brennrauminnendruck pi bei Durchführung einer Kraftstoffnacheinspritzung mit einer vorgegebenen Menge mNE1 dar. Die Kraftstoffnacheinspritzung erfolgte vorliegend zeitlich abgesetzt von einer kurz nach dem oberen Totpunkt bei φ = 0° KWnOT erfolgenden Kraftstoffhaupteinspritzung. Der Beginn der Kraftstoffnacheinspritzung liegt bei dem in 2 dargestellten recht typischem Beispiel bei einem Kurbelwinkel φ = φABNE von etwa 52°. Bei diesem im Diagramm von 2 durch eine senkrechte Linie 23 gekennzeichneten Kurbelwinkel φABNE des Ansteuerbeginns wird der Injektor 7 zum Freigeben der Injektoröffnung bzw. -öffnungen von der Steuereinheit 17 angesteuert. Eine Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffs macht sich durch eine kurz darauf einsetzende, vorübergehende Abflachung des Verlaufs der Kurve 21 für den Brennrauminnendruck pi bemerkbar. Der Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel, an dem der abgeschlossene Brennraum 8 durch Abheben des Auslassventils 10 geöffnet wird, ist durch eine senkrechte Linie 24 gekennzeichnet. Vorliegend erfolgt dies bei einem typischen Kurbelwinkel von φ = 135° KWnOT. Nachfolgend wird dieser Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel mit φAV bezeichnet.
  • Neben dem durch den Kurvenzug 21 dargestellten, vorliegend messtechnisch ermittelten Verlauf des Brennrauminnendrucks pi ist in 2 ein gestrichelt gezeichneter Kurvenzug 22 dargestellt. Dieser sich ab dem Kurbelwinkel φABNE an die Kurve 21 anschließende Kurvenast 22 stellt einen rechnerisch ermittelten Verlauf des Brennrauminnendrucks ab im Kurbelwinkelbereich mit φΣφABNE dar, wie er sich bei denselben Betriebsbedingungen ohne Durchführung einer Nacheinspritzung einstellen würde. Nachfolgend wird dieser berechnete Brennrauminnendruck als virtueller Brennrauminnendruck mit piv bezeichnet. Die Berechnung des virtuellen Brennrauminnendruck piv erfolgt bevorzugt basierend auf der Annahme einer polytropen Expansion des Verbrennungsgases im Brennraum 8 bei sich abwärts bewegendem Kolben 2 nach folgender Formel: piv(φ) = pABNE·[VABNE/V(φ)]n (1)
  • Dabei sind mit pABNE der Wert des gemessenen Brennrauminnendrucks pi beim Kurbelwinkel φABNE, mit VABNE das Brennraumvolumen beim Kurbelwinkel φABNE, mit V(φ) das vom Kurbelwinkel φ abhängige Brennraumvolumen, und mit n der Polytropenexponent des Verbrennungsgases bezeichnet.
  • Ausgehend von den gemessenen bzw. berechneten Werten pi(φ) bzw. piv(φ) für den Brennrauminnendruck bzw. virtuellen Brennrauminnendruck sind eine Temperatur T des Verbrennungsgases im Brennraum bei Durchführung der Nacheinspritzung bzw. eine virtuelle Temperatur Tv des Verbrennungsgases im Brennraum ohne Durchführung der Nacheinspritzung ermittelbar. Vorliegend erfolgt eine rechnerische Ermittlung der Temperatur T des Verbrennungsgases im Brennraum auf der Grundlage der allgemeinen Gasgleichung pi(φ)·V(φ) = m·R·T (2) bzw. piv(φ)·V(φ) = m·R·Tv (3)
  • Dabei ist die mit m die Masse Verbrennungsgases, welche aus der bekannten Zylinderfüllung ermittelbar bezeichnet. R bezeichnet eine für das Verbrennungsgas spezifische Gaskonstante.
  • Die auf der Grundlage der in 2 dargestellten Druckverläufe erhaltenen Temperaturverläufe sind einem in 3 dargestellten Diagramm wiedergegeben. Dabei stellt der Kurvenzug 25 einen sich aus dem Kurvenzug 21 für den gemessenen Brennrauminnendruck pi(φ) von 2 ergebenden Verlauf für die Temperatur T des Verbrennungsgases im Brennraum 8 mit Durchführung einer Nacheinspritzung dar. Entsprechend stellt der gestrichelt gezeichnete Kurvenzug 26 einen sich aus dem Kurvenzug 21 für den virtuellen Brennrauminnendruck piv(φ) von 2 ergebenden Verlauf für die virtuellen Temperatur Tv für das Verbrennungsgas im Brennraum 8 ohne Durchführung einer Nacheinspritzung dar.
  • Die Berechnung der Temperatur T3 des Abgases am Einlass 12 der Turbine 11 mit Durchführung einer Nacheinspritzung erfolgt nun erfindungsgemäß aus einem Temperaturwert TAV für die Temperatur des Verbrennungsgases im Brennraum 8, wie sie sich gemäß der oben erläuterten Vorgehensweise unmittelbar vor Öffnen des Auslassventils 10 beim Kurbelwinkel φAV ergibt. Dies erfolgt vorzugsweise durch ein rechnerisches Wärmeverlustmodell, welches Wärme- bzw. Temperaturverluste des Abgases auf seinem Weg vom durch das Auslassventil 10 geöffneten Brennraum 8 bis zur Einlassseite 12 der Turbine 11 berücksichtigt.
  • Vorliegend wird ein Wärmeverlustmodell verwendet, bei welchem eine Summe von gemischten Produkten von maßgeblichen Brennkraftmaschinen-Betriebsgrößen xi = xi(t) gebildet wird. Die Brennkraftmaschinen-Betriebsgrößen xi sind vorzugsweise solche, die aufgrund messtechnischer Erfassung oder Berechnung im Steuergerät 17 verfügbar sind. In allgemeiner Form lässt sich dieses Modell formelmäßig wie folgt darstellen. y = a0 + a1x1 + ... + anxn + an+1x1x2 + ... + amxn-1xn + am+1x1x2x3 + ... + akxn-2xn-1xn + ak+1x1x2x3x4 + ... + aixn-3xn-2xn-1xn + ai+1Π i=n / i=1xi (4)
  • Dabei sind die Konstanten ai insbesondere durch empirische Bestimmung, beispielsweise aufgrund von Prüfstandsmessungen vorgegeben bzw. vorgebbar.
  • Im lediglich beispielhaften konkreten Fall von fünf Brennkraftmaschinen-Betriebsgrößen lautet das Berechnungsmodell wie folgt. T3 = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 + a4x4 + a5x5 + a6xlx2 + a7x1x3 + a8x1x4 + a9x1x5 + a10x2x3 + a11x2x4 + a12x2x5 + a13x3x4 + a14x3x5 + a15x4x5 + a16x1x2x3 + a17x1x2x4 + a18x1x2x5 + a19x1x3x5 + a20x1x4x5 + a21x1x3x4 a22x2x3x4 + a23x2x3x5 + a24x2x4x5 + a25x3x4x5 + a26x1x2x3x4 + a27x1x2x3x5 + a28x1x2x4x5 + a29x1x3x4x5 + a30x2x3x4x5 + a31x1x2x3x4x5 (5)
  • Neben der in jedem Fall verwendeten Brennkraftmaschinen-Betriebsgröße x1 = TAV für die Temperatur des Verbrennungsgases im Brennraum 8 unmittelbar vor Öffnen des Auslassventils 10 beim Kurbelwinkel φAV werden bevorzugt als weitere Brennkraftmaschinen-Betriebsgrößen die Kurbelwellendrehzahl, das Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis, sowie vorzugsweise ein Druck in der Lufteinlassleitung 5, und optional eine Brennkraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur, insbesondere bei einer Kühlmitteltemperatur von weniger als 70°C berücksichtigt.
  • In völlig analoger Weise wird ein weiterer Temperaturwert T3v errechnet, welcher ausgehend von einer virtuellen Temperatur TvAV für das Verbrennungsgas im Brennraum 8 unmittelbar vor Öffnen des Auslassventils 10 beim Kurbelwinkel φAV, eine virtuelle Temperatur des Abgas an der Einlassseite 12 der Turbine 11 ohne Durchführung einer Nacheinspritzung angibt.
  • Ein beispielhaftes Berechnungsergebnis ist in einem in 4 dargestellten Diagramm gezeigt. Dabei gibt der gepunktet dargestellte Kurvenzug 27 einen zeitlichen Verlauf der Temperatur T des Abgases bei Durchführung der Nacheinspritzung im Zeitbereich t > tAV, also nach dem Abheben des Auslassventils 10 zum Zeitpunkt tAV entsprechend dem Kurbelwinkel φAV wieder. Analog gibt der strichpunktiert dargestellte Kurvenzug 28 einen zeitlichen Verlauf der virtuellen Temperatur Tv des Abgases ohne Durchführung der Nacheinspritzung in diesem Zeitbereich wieder. Der Kurvenzug 27 beginnt zum Zeitpunkt tAV des Abhebens des Auslassventils 10, welcher dem Kurbelwinkel φAV entspricht, beim Temperaturwert TAV, welcher der Temperatur T des Verbrennungsgases zu diesem Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel entspricht. Der Kurvenzug 27 endet an einem durch eine senkrechte Linie 29 gekennzeichneten Zeitpunkt, an welchem das Abgas die Einlassseite 12 der Turbine 11 erreicht hat. Dabei erfolgte ein kontinuierliches Absinken der Abgastemperatur aufgrund von Wärmeverlusten durch Wandkontakte und ähnlichem auf die Temperatur T3, welche das Abgas unmittelbar vor dem Eintritt in die Turbine 11 aufweist. Analog beginnt der Kurvenzug 28 für die virtuelle Temperatur Tv des Abgases bei der Temperatur TvAV und endet bei der demgegenüber niedrigeren Temperatur T3v.
  • Aus der berechneten Abgastemperatur T3 für einen Brennkraftmaschinenbetrieb mit Nacheinspritzung der beispielsweise durch eine Vorsteuerung vorgegebenen Nacheinspritzmenge mNE1, und der Abgastemperatur T3v ohne Nacheinspritzung, ergibt sich eine eindeutige Korrelation zwischen der Nacheinspritzmenge mNE1 und der damit erzielbaren Temperaturerhöhung ΔT3 ≈ (T3 – T3v) = f(mNE1) bzw. eine eindeutige Korrelation zwischen einer erwünschten Temperaturerhöhung zur Erzielung der Solltemperatur T3soll und der hierfür erforderlichen Nacheinspritzmenge mNE. Vorzugsweise wird diese Korrelation in einem Regler implementiert, welcher somit über die als Stellgröße anzusehende Menge mNE der Nacheinspritzung die Temperatur T3 des Abgases an der Einlassseite 12 der Turbine 11 auf den Sollwert T3soll einregelt.
  • Da die Kraftstoffnacheinspritzung erfindungsgemäß als vergleichsweise frühe, drehmomentwirksame Nacheinspritzung ausgebildet ist, ist es besonders bevorzugt, deren Beitrag am von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment M zu ermitteln und die Menge der Kraftstoffhaupteinspritzung so anzupassen, dass Drehmomentneutralität erreicht wird, bzw. ein entsprechend des Fahrerwunsches vorgegebenes Drehmoment Msoll abgegeben wird. Zur Erläuterung der hierfür vorzugsweise vorgesehenen Vorgehensweise wird nochmals Bezug auf das in 2 dargestellte Diagramm der Verläufe des gemessenen Brennrauminnendrucks pi mit Durchführung einer Nacheinspritzung und des errechneten virtuellen Brennrauminnendrucks piv ohne Nacheinspritzung Bezug genommen.
  • Bei der Ermittlung des Drehmomentanteils der Nacheinspritzung wird vorliegend von der Überlegung ausgegangen, dass das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment M direkt proportional zum so genannten indizierten Mitteldruck pmi ist. Der entsprechende Zusammenhang kann durch die Formel pmi = 4·π·M/VH (6) wiedergegeben werden, wobei VH das Hubvolumen der Brennkraftmaschine darstellt. Da pmi andererseits als Integral des Brennrauminnendruckverlaufs über einen Arbeitszyklus darstellbar ist, gibt die von den Kurven 21 und 22 eingeschlossene, in 2 durch Strichelung gekennzeichnete Fläche 30 den durch die Nacheinspritzung bewirkten Drehmomentbeitrag an. Da eine Korrelation M = f(mHE) zwischen Haupteinspritzmenge mHE und dem durch diese bewirkten Drehmoment M bekannt ist und beispielsweise als Kennlinie oder Tabelle abgespeichert vorliegt, kann die Haupteinspritzmenge mHE bei Durchführung einer Nacheinspritzung derart korrigiert bzw. vermindert werden, dass der Drehmomentanteil der zur Erzielung der Soll-Temperatur T3soll eingestellten Nacheinspritzmenge mNE kompensiert wird.
  • Insgesamt ist somit durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ein äußerst schnelle Einregelung eine vorgebbaren Soll-Temperatur T3soll am Einlass 12 der Turbine 11 bei gleichzeitig hohem Fahrkomfort ermöglicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinder
    2
    Kolben
    3
    Pleuel
    4
    Kurbelwelle
    5
    Lufteinlassleitung
    6
    Abgasleitung
    7
    Kraftstoffinjektor
    8
    Brennraum
    9
    Einlassventil
    10
    Auslassventil
    11
    Turbine
    12
    Turbineneinlassseite
    13
    Turbinenauslass
    14
    Turboladerwelle
    15
    Abgasreinigungseinheit
    16
    Drucksensor
    17
    Steuereinheit
    18
    Signalleitung
    19
    Signalleitung
    20
    weitere Signalleitungen
    21
    Kurvenzug für Brennrauminnendruck
    22
    Kurvenzug für virtuellen Brennrauminnendruck
    23
    Linie für den Kurbelwinkel des Ansteuerbeginns
    24
    Linie für den Kurbelwinkel des Abheben des Auslassventils
    25
    Kurvenzug für die Temperatur des Verbrennungsgases im Brennraum
    26
    Kurvenzug für die virtuelle Temperatur des Verbrennungsgases im Brennraum
    27
    Kurvenzug für einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Abgases
    28
    Kurvenzug für einen zeitlichen Verlauf der virtuellen Temperatur des Abgases
    29
    Linie für den Zeitpunkt, an welchem das Abgas die Einlassseite der Turbine erreicht hat
    T3
    Abgastemperatur an Turbineneinlassseite
    T3v
    virtuelle Abgastemperatur an Turbineneinlassseite
    pi
    Brennrauminnendruck
    piv
    virtueller Brennrauminnendruck
    φ
    Kurbelwinkel
    φAV
    Kurbelwinkel bei Abheben des Auslassventils
    tAV
    Zeitpunkt des Abhebens des Auslassventils
    T
    Temperatur des Verbrennungsgases/Abgases
    Tv
    virtuelle Temperatur des Verbrennungsgases/Abgases
    TAV
    Temperatur des Verbrennungsgases unmittelbar vor Öffnen des Auslassventils
    TvAV
    virtuelle Temperatur des Verbrennungsgases unmittelbar vor Öffnen des Auslassventils
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10033159 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Einstellung einer erhöhten Abgastemperatur in einer an eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung (6), bei welchem eine zur Einstellung der erhöhten Abgastemperatur erforderliche Menge einer nach einer Kraftstoffhaupteinspritzung in einen Brennraum (8) der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffnacheinspritzung berechnet wird, wobei die Kraftstoffnacheinspritzung als mitbrennende Kraftstoffnacheinspritzung ausgebildet ist, die in einem Expansionstakt der Brennkraftmaschine in den Brennraum (8) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Kraftstoffnacheinspritzung aus einer ersten Temperatur (T3, T3v) ermittelt wird, welche für das Abgas der Brennkraftmaschine am Einlass einer Turbine (11) eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine errechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T3, T3v) aus einer zweiten Temperatur (TAV, TvAV) berechnet wird, welche für ein im Expansionstakt der Brennkraftmaschine im Brennraum (8) der Brennkraftmaschine eingeschlossenes Verbrennungsgas unmittelbar vor Öffnen eines den Brennraum (8) verschließenden Auslassventils (10) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (TAV, TvAV) aus einem momentanen Druck (pi, piv) und/oder einem Druckverlauf (pi(t), piv(t)) des Verbrennungsgases im Brennraum (8) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Temperatur (T3, T3v) ein erster Temperaturwert (T3) und ein zweiter Temperaturwert (T3v) ermittelt werden, wobei der erste Temperaturwert (T3) einer Temperatur des Abgases mit Durchführung der Kraftstoffnacheinspritzung mit einer vorgebbaren Menge entspricht und der zweite Temperaturwert (T3v) einer Temperatur des Abgases ohne Durchführung der Kraftstoffnacheinspritzung entspricht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz von erstem Temperaturwert (T3) und zweitem Temperaturwert (T3v) eine Korrelation von Kraftstoffnacheinspritzung und erster Temperatur (T3) ermittelt wird und zur Festlegung der Menge der einzuspritzenden Kraftstoffnacheinspritzung herangezogen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Kraftstoffnacheinspritzung bewirkter Drehmomentbeitrag an einem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment berechnet wird und eine Menge der Kraftstoffhaupteinspritzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehmomentbeitrag der Kraftstoffnacheinspritzung derart verändert wird, dass ein von Brennkraftmaschine abzugebendes Solldrehmoment wenigstens annähernd erreicht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Kraftstoffnacheinspritzung bewirkte Drehmomentbeitrag an dem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment aus einem Druckverlauf (pi(t), piv(t)) des Verbrennungsgases im Brennraum (8) berechnet wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10033159A1 (de) 2000-07-07 2002-01-17 Daimler Chrysler Ag Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge
DE102006021303A1 (de) * 2006-05-08 2007-11-15 Ford Global Technologies, LLC, Dearborn Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine
DE602004011048T2 (de) * 2003-05-22 2008-12-24 Renault S.A.S. Verfahren und system zur steuerung der regenration eines partikelfilters und verbrennungsmotor mit einem solchen partikelfilter
DE102012019151A1 (de) * 2011-11-16 2013-05-16 Mazda Motor Corporation Dieselmotor, Kraftstoffeinspritzsteuer- bzw. -regelvorrichtung dafür, Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Dieselmotors und Computerprogrammprodukt

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