DE102014200338A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine mit einer Frischluftzuführung, wobei eine betriebspunktabhängige Abgasrückführungsrate der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung bestimmt wird und dass die Abgasrückführungsrate mit der Sauerstoffkonzentration als Führungsgröße gesteuert oder geregelt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Einhaltung von Grenzwerten für die Stickoxidemission bei erweiterten Randbedingungen insbesondere im Hinblick auf sich verschärfenden gesetzlichen Rahmenbedingungen (RDE – Real Drive Emissions), die eine Änderung von Luftkonditionierung (z.B.: Luftfeuchte) beinhalten können, erreicht werden. Eine Zudosierung von Reduktionsmittel vor einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) von Stickoxiden vereinfacht werden.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine mit einer Frischluftzuführung, wobei eine betriebspunktabhängige Abgasrückführungsrate der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
- Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- Die zulässige Menge an Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren wird durch Grenzwerte, die der Gesetzgeber vorgibt, geregelt. Eine Abgasrückführung ist eines der Mittel zur Reduktion von Stickoxidemissionen und damit zur Einhaltung der Grenzwerte. Hierbei wird Abgas zu der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft hinzugemischt. Dieses Inertgas führt zu einer Verminderung des Sauerstoffeintrags und durch seine Wärmekapazität zu einer Verringerung der Spitzentemperatur bei der Verbrennung. Insgesamt wird so eine Verminderung der Stickoxidemissionen erreicht. Eine vor allem bei Brennkraftmaschinen in Personenkraftwagen genutzte Regelung der Abgasrückführung sieht eine Luftmassenregelung oder Regelung der Rückführungsrate vor. Dabei wird ein betriebspunktabhängiger, auf einer Einspritzmenge und Drehzahl basierender Sollwert für die Luftmasse oder die Rückführungsrate mittels eines Abgas-Rückführungs-Ventils und einer Drosselklappe in der Frischluftzuführung eingeregelt. Änderungen im Wasserdampfgehalt der Frischluft führen bei gleicher Luftmasse allerdings zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung des Gasgemischs in den Brennräumen der Brennkraftmaschine und damit, hauptsächlich durch die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration, auch zu unterschiedlichen Stickoxidemissionen. Da eine Stickoxidemission NOx der Brennkraftmaschine von einer Sauerstoffkonzentration ψO2 abhängt gemäß:
NOx / NOx,0 = (ψO2 / ψO2,0)κ - Die
DE 60011315 T2 betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhrmenge in einem kompressionsgezündeten Motor mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) mit einem AGR-Ventil, welches einen Ansaugkrümmer mit einem Auslasskrümmer des Motors verbindet, und mit einem Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine, welches Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
Erzeugen eines Verdichter-Luftmengenstromwertes (Wc1(k)), welcher den Luftmassendurchsatz im Verdichter des Turboladers anzeigt;
Erzeugen eines Gasrückführungsmengenstromwertes (W21(k)), welcher den Abgas-Mengenstrom im AGR-System anzeigt;
Erzeugen eines Einlassluftmengenstromwertes (W1e(k)), welcher den Mengenstrom vom Ansaugkrümmer in den Motor darstellt;
Erzeugen eines Wertes des Anteils von verbrannten Gasen im Ansaugtrakt (F1(k));
Bestimmen eines Wertes (SOI(k)) für den Kraftstoffeinspritzbeginn als Funktion der Motordrehzahl und der Kraftstoffzufuhrmenge;
Bestimmen der geforderten Kraftstoffzufuhrmenge (Wf,REQ) als Funktion der Fahrpedalstellung und der Motordrehzahl;
Bestimmen eines Voraussagewertes (λe(k)) für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas;
Erzeugen eines Grenzwertes (λlim(k)) des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas; und
Abgabe von Kraftstoff (Wf(k)) an den Motor als Funktion von λe(k), λlim(k), SOI(k), Wf,REQ, F1(k) und W1e(k);
worin der Schritt der Abgabe von Kraftstoff an den Motor (Wf(k)) den Schritt des Vergleichens von λe(k) mit λlim(k) beinhaltet, und wenn λe(k) ≥ λlim(k), dann die Abgabe von Kraftstoff an den Motor (Wf(k)) in einer Menge gleich Wf,REQ erfolgt, sonst aber die Generierung einer Änderung des Wertes für den Einspritzbeginn (δSOI(k)), woraus sich eine Senkung des Grenzwertes für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas (λlim,neu(k)) ergibt, und Abgabe von Kraftstoff an den Motor in einer Menge gleich Wf,REQ(k), und Ändern von SOI(k) um einen Betrag gleich δSOI(k), sonst jedoch Begrenzen der an den Motor abgegebenen Kraftstoffmenge gemäß folgender Gleichung:Wf(k) = min[Wf,REQ(k), max(Wf(k – 1), B)]
wo B wie folgt definiert ist:B = ((1 – F1(k))W1e(k)/λlim,neu(k)) – (F1(k))1e(k)/(Φs + 1)) - Die
DE 2625816 A1 betrifft ein Gemischregelsystem mit geschlossener Regelschleife für die Brennkraftmaschine eines Straßenfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9 ,10 ) zur Rückführung eines Teils der Auspuffgase zu der Brennkammer der Brennkraftmaschine (1 ), die ein Regelventil (10 ) zur Regelung des rückgeführten Volumens umfasst, einen katalytischen Dreiwege-Konverter (7 ) in Verbindung mit dem Auspuffrohr (2 ) der Brennkraftmaschine, einen Abgassensor (3 ) in dem Auspuffrohr (2 ), der ein für die Zusammensetzung des Auspuffgases repräsentatives Signal liefert, eine Steuerung (4 ) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis, die mit dem Abgassensor (3 ) verbunden ist und das für die Abgaszusammensetzung repräsentative Signal mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein Steuersignal erzeugt, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches überhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, und ein Dosiersystem (5 ) zur Herstellung des Gemisches, das mit der Steuerung (4 ) verbunden ist und die Zufuhr des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu der Brennkraftmaschine entsprechend dem Steuersignal der Steuerung (4 ) einstellt. Gemäß der Schrift wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor und gegebenenfalls auch nach einem Katalysator bestimmt. Eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in der Zuluft ist nicht vorgesehen. - Die
DE 60108675 T2 betrifft ein Verfahren um den Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Motorfahrzeug zu regeln, in dem der Motor ein Abgas erzeugt das einen ersten Abgasbestandteil einschließt, und worin Abgas durch eine Emissions-Regelvorrichtung gelenkt wird, bevor es an die Atmosphäre abgegeben wird; wobei die Vorrichtung eine Menge des ersten Bestandteils speichert, wenn das durch die Vorrichtung gelenkte Abgas bezüglich der Stöchiometrie mager ist; und worin der Motor erste Betriebsbedingungen aufweist, welche die Verbrennung einer Luft/Kraftstoff-Mischung umfassen, die bezüglich einer stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Mischung mager ist;
wobei das Verfahren es einschließt den Betrieb des Motors bei den ersten Betriebsbedingungen zu regulieren, und das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Bestimmen eines ersten Maßes, das einen Leistungseinfluss des Betriebs des Motors unter den ersten Betriebsbedingungen darstellt, worin das Maß auf mindestens einem Motor- oder Fahrzeug-Betriebsparameter basiert;
Bestimmen eines zweiten Maßes, das eine Effizienz der Vorrichtung in der Entfernung des ersten Bestandteils aus dem Abgas darstellt; und
Verbieten des Motorbetriebs unter den ersten Betriebsbedingungen auf Grundlage des ersten Maßes und des zweiten Maßes. - Die
DE 60108675 T2 erwähnt den Einfluss der Feuchte auf die Roh-Emission an Stickoxid der Brennkraftmaschine. Die Schrift sieht jedoch keine Korrektur der Abgasrückführungsrate aufgrund der Feuchte der Zuluft vor sondern berücksichtigt die bei hoher Feuchte erhöhte Stickoxidkonzentration lediglich in der Speicherfähigkeit des verwendeten Katalysators. - Die
DE 10007010 C2 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate einer Brennkraftmaschine auf der Grundlage von Gas- Konzentrationsmessungen in einer Abgas-Atmosphäre in einer Abgasrückführungsleitung und in einer Abgas- Frischluft-Atmosphäre in einer Einlassleitung der Brennkraftmaschine stromabwärts einer Einmündung der Abgasrückführungsleitung in die Einlassleitung, mit Sensormitteln zur Messung der jeweiligen Gaskonzentrationen und Getrennthaltungsmitteln zur Getrennthaltung der Abgas- Atmosphäre und der Abgas-Frischluft-Atmosphäre an den jeweiligen Messsorten der Sensormittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel als Sensoreinheit (Sb) ausgebildet sind, welche derart an den Getrennthaltungsmitteln positioniert ist, dass sie von einer ersten Seite mit der Abgas-Atmosphäre (R), und von einer zweiten Seite mit der Abgas-Frischluft-Atmosphäre (vM) beaufschlagbar ist. DieDE 10007010 C2 sieht ein Sensormittel zur Bestimmung der Gaskonzentration stromabwärts einer Einmündung der Abgasrückführungsleitung in die Einlassleitung, nicht jedoch in der Frischluftzufuhr, vor. - Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die entstehenden Stickoxid-Emissionen einer Brennkraftmaschine weniger abhängig von den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Ansaugluftfeuchte, sind.
- Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
- Offenbarung der Erfindung
- Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung bestimmt wird und dass die Abgasrückführungsrate mit der Sauerstoffkonzentration als Führungsgröße gesteuert oder geregelt wird. Eine solche Steuerung oder Regelung bewirkt, dass bei der Verbrennung als Rohemission eine Stickoxidmenge entsteht, die weniger stark von der Luftfeuchte der zugeführten Frischluft abhängig ist. Die Einhaltung von Grenzwerten für die Stickoxidemission und eine Zudosierung von Reduktionsmittel vor einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) von Stickoxiden wird somit vereinfacht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Einhaltung von Grenzwerten für die Stickoxidemission bei erweiterten Randbedingungen, insbesondere im Hinblick auf sich verschärfenden gesetzlichen Rahmenbedingungen (RDE – Real Drive Emissions), die eine Änderung von Luftkonditionierung (z.B.: Luftfeuchte) beinhalten können, erreicht werden. Wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geregelt, gibt es bei Änderung der Feuchte hauptsächlich ein Austausch zwischen Kohlendioxid und Wasserdampf, da auf Sauerstoff geregelt wird.
Dichte [kg/m3] spezifische Wärmekapazität [kJ/(kg·K)] Dichte·spezifische Wärmekapazität Wasser 41,89 1,96 82,1 Kohlendioxid 94,19 1,07 100,8 - Die Tabelle enthält Stoffwerte für Wasser und Kohlendioxid bei 200bar und 1000K; dies sind Bedingungen, wie sie in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine vorliegen. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass ein Tausch zwischen Kohlendioxid und Wasser die Stickoxid-Emissionen kaum beeinflusst, da das Produkt aus Dichte und Wärmekapazität der beiden Stoffe bei den hier erwähnten Bedingungen ähnlich ist.
- Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass aus der Sauerstoffkonzentration, einer Referenz-Sauerstoff-Konzentration und einer Referenz-Stickoxid-Konzentration eine zu erwartende Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
- Eine besonders genaue Modellierung der Stickoxidkonzentration wird ermöglicht, indem die zu erwartende Stickoxid-Konzentration als Produkt aus einem mit einem betriebspunktabhängigen Exponenten potenzierten Quotienten aus der Sauerstoffkonzentration und der Referenz-Sauerstoff-Konzentration mit der Referenz-Sauerstoff-Konzentration berechnet wird.
- Eine von der Luftfeuchte der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft unabhängige Rohemission von Stickoxid wird erreicht, indem eine Regelung für die Abgasrückführung einen Zielwert der Stickoxidemissionen im Abgas der Brennkraftmaschine erreicht, indem eine Höhe der Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung als Regelgröße verwendet wird.
- Durch die verbesserte Bestimmung der Stickoxidmenge kann die Dosierung des Reduktionsmittels "AdBlue" vor einem SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide genauer auf die Stickoxidmenge im Abgas eingestellt werden. Weiterhin kann das Modell zur Bestimmung der Rohemission der Brennkraftmaschine einfacher ausgelegt werden.
- Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in der Frischluftzuführung der Brennkraftmaschine ein Sauerstoffsensor zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration der Frischluft vorgesehen ist und dass in der Motorsteuerung ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Steuerung oder Regelung der Abgasrückführung mit der Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung als Führungsgröße vorgesehen ist. Die Stickoxidemission NOx der Brennkraftmaschine hängt von der Sauerstoffkonzentration ψO2 wie folgt ab:
NOx / NOx,0 = (ψO2 / ψO2,0)κ - Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes Diagramm zu Massenverhältnissen einer Gaszusammensetzung in einer Luftzuführung einer Brennkraftmaschine, -
2 ein zweites Diagramm zu Massenverhältnissen der Gaszusammensetzung in der Luftzuführung der Brennkraftmaschine. -
1 zeigt in einem ersten Diagramm10 Massenverhältnisse von Zusammensetzungen von Gasgemischen in einer Verbrennungsluft-Zuführung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung. Die Zusammensetzungen des Gasgemischs ergibt sich dabei aus dem Anteil von zugeführter Frischluft und rückgeführtem Abgas. In dem Diagramm10 sind die Zusammensetzungen entlang einer ersten Masse-Achse11 und einer ersten Luftfeuchte-Achse14 dargestellt. Bei einer niedrigen Luftfeuchte stellt sich eine erste Gaszusammensetzung12 in der Verbrennungsluft-Zuführung ein, die aus einer Wasserdampfmenge15 , einer Kohlendioxidmenge16 , einer Stickstoffmenge17 und einer Sauerstoffmenge18 besteht. Nimmt die Luftfeuchte entlang der ersten Luftfeuchte-Achse14 zu, ändern sich die Verhältnisse der Wasserdampfmenge15 , der Kohlendioxidmenge16 , der Stickstoffmenge17 und der Sauerstoffmenge18 untereinander, die Gesamtmenge bleibt jedoch aufgrund der Regelung der Brennkraftmaschine mit der Luftmasse oder der Abgas-Rückführungs-Rate gleich. Diese Regelung nach dem Stand der Technik führt somit zu einer mit der Wasserdampfmenge15 veränderlichen Sauerstoffmenge18 bei gleich gebliebener Luftmasse. Da eine Stickoxidemission NOx der Brennkraftmaschine von einer Sauerstoffkonzentration ψO2 abhängt gemäß:NOx / NOx,0 = (ψO2 / ψO2,0)κ 15 . -
2 zeigt in einem zweiten Diagramm20 die Massenverhältnisse von Zusammensetzungen von Gasgemischen in einer Verbrennungsluft-Zuführung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Regelung der Abgasrückführung mit der Sauerstoffkonzentration ψO2 als Führungsgröße. In dem Diagramm20 sind die Zusammensetzungen entlang einer zweiten Masse-Achse21 und einer zweiten Luftfeuchte-Achse23 dargestellt. Bei einer niedrigen Luftfeuchte stellt sich die erste Gaszusammensetzung12 in der Verbrennungsluft-Zuführung ein, wie sie bereits in1 dargestellt wurde. Bei Zunahme der Luftfeuchte stellt sich bei der erfindungsgemäßen Steuerung oder Regelung eine dritte Gaszusammensetzung22 ein, die wie im Beispiel von1 eine erhöhte Wasserdampfmenge15 aufweist. Die dritte Gaszusammensetzung22 weist allerdings eine wesentlich geringere Kohlendioxidmenge16 auf, die gerade so groß ist, dass die Summe aus Wasserdampfmenge15 und Kohlendioxidmenge16 in dem ersten Gasgemisch12 und dem dritten Gasgemisch22 annähernd gleich ist. Hierdurch bleibt insbesondere auch die Sauerstoffmenge18 , und damit auch die Sauerstoffkonzentration ψO2, bei einer Änderung der Luftfeuchte entlang der zweiten Luftfeuchte-Achse23 annähernd konstant. Dies bedeutet weiterhin eine von der Luftfeuchte weitgehend unabhängige Stickoxidkonzentration im Abgas. Wird die Stickoxidkonzentration im Abgas mittels eines Rohemissions-Modells bestimmt um die Zudosierung von Reduktionsmittel ("AdBlue") vor einem eine selektive katalytische Reduktion bewirkenden Katalysator (SCR Katalysator) zu steuern, so ist diese Mengendosierung nun weitgehend unabhängig von Schwankungen der Luftfeuchte und damit genauer als nach dem Stand der Technik. - Der oben genannte Austausch von Mengenanteilen zwischen der Wasserdampfmenge
15 und der Kohlendioxidmenge16 bei gleichbleibender Summe bewirkt, dass für die Verbrennung relevante Parameter ähnliche Werte behalten und daher auch die Emissionen ähnlich bleiben. Grund ist, dass sich das Produkt aus der Dichte des Gasgemischs und dessen spezifischer Wärmekapazität nur wenig ändert.Dichte [kg/m3] spezifische Wärmekapazität [kJ/(kg·K)] Dichte·spezifische Wärmekapazität Wasser 41,89 1,96 82,1 Kohlendioxid 94,19 1,07 100,8 - In der Tabelle sind die Dichte und die spezifische Wärmekapazität sowie das Produkt aus beiden für Wasser und Kohlendioxid bei 200 bar und 1000K angegeben. Diese Bedingungen entsprechen denen bei der Verbrennung. Es ist zu sehen, dass sich das Produkt für ein Gasgemisch bei einem Austausch von Wasserdampfmenge
15 und Kohlendioxidmenge16 bei gleichbleibender Summe nur wenig ändert. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 60011315 T2 [0004]
- DE 2625816 A1 [0005]
- DE 60108675 T2 [0006, 0007]
- DE 10007010 C2 [0008, 0008]
Claims (5)
- Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine mit einer Frischluftzuführung, wobei eine betriebspunktabhängige Abgasrückführungsrate der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung bestimmt wird und dass die Abgasrückführungsrate mit der Sauerstoffkonzentration als Führungsgröße gesteuert oder geregelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Sauerstoffkonzentration, einer Referenz-Sauerstoff-Konzentration und einer Referenz-Stickoxid-Konzentration eine zu erwartende Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erwartende Stickoxid-Konzentration als Produkt aus einem mit einem betriebspunktabhängigen Exponenten potenzierten Quotienten aus der Sauerstoffkonzentration und der Referenz-Sauerstoff-Konzentration mit der Referenz-Sauerstoff-Konzentration berechnet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung für die Abgasrückführung einen Zielwert der Stickoxidemissionen im Abgas der Brennkraftmaschine erreicht, indem eine Höhe der Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung als Regelgröße verwendet wird.
- Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine mit einer Frischluftzuführung, wobei der Brennkraftmaschine eine Motorsteuerung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischluftzuführung der Brennkraftmaschine ein Sauerstoffsensor zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration der Frischluft vorgesehen ist und dass in der Motorsteuerung ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Steuerung oder Regelung der Abgasrückführung mit der Sauerstoffkonzentration in der Frischluftzuführung als Führungsgröße vorgesehen ist.
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- 2014-01-10 DE DE102014200338.5A patent/DE102014200338A1/de active Pending
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