DE102015206135A1

DE102015206135A1 - Ermitteln von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015206135A1
Application number: DE102015206135.3A
Authority: DE
Inventors: Maria Rosaria Gaballo; Domenico Micucci; Soenke Mannal; Maria Giodice
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-10-13
Also published as: ITUA20162291A1; CN106050449B; CN106050449A; FR3034812B1; FR3034812A1

Abstract

Für die Bestimmung von Stickoxiden im Abgastrakt (5) einer Brennkraftmaschine (3) wird vorgeschlagen, mindestens eine eine Verbrennung in mindestens einem Zylinder (2) der Brennkraftmaschine (3) charakterisierende Größe zu ermitteln und bei der Ermittlung der Stickoxide zu berücksichtigen. Vorzugsweise wird hierzu ein Zylinderinnendruck herangezogen, der beispielsweise mittels eines dem Zylinder (2) zugeordneten Drucksensors (12) erfasst wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogramm.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Otto- und Dieselmotoren, entstehen bei der Verbrennung des Kraftstoffs aus dem in der Ansaugluft enthaltenen Stickstoff (N₂) Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), die zusammengefasst als Stickoxide (NO_X) bezeichnet werden. Um den Betrieb und das Abgasverhalten von Brennkraftmaschinen zu optimieren, ist es bekannt, mittels geeigneter Modelle die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide zu bestimmen. Hierbei werden beispielsweise ein Ansaugdruck, die Temperatur der angesaugten Luft, die angesaugte Luftmenge, die eingespritzte Kraftstoffmenge und der Sauerstoffanteil der angesaugten Luft berücksichtigt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Verfahren zur Bestimmung der bei der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine entstehenden Stickoxide bezüglich der Genauigkeit zu verbessern. Darüber hinaus soll die Bestimmung der Stickoxide robuster sein bezüglich Variationen in den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere bezüglich der möglichen Toleranzen und Veränderungen, die durch das Altern von Komponenten bedingt sind.
Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine eine Verbrennung in mindestens einem Zylinder der Brennkraftmaschine charakterisierende Größe ermittelt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt wird. Da die Stickoxide bei der Verbrennung entstehen, hat die Berücksichtigung der aktuellen Verbrennung den Vorteil, besonders präzise die entstehenden Stickoxide bestimmen zu können. Vorzugsweise wird hierbei ein Zeitverlauf der die Verbrennung charakterisierenden Größe verwendet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wird die die Verbrennung charakterisierende Größe in Abhängigkeit von einem Zylinderinnendruck bestimmt. Der Zylinderinnendruck kann beispielsweise mittels eines in dem Zylinder angebrachten Drucksensors ermittelt werden und gibt Aufschluss über einen aktuellen Zustand beziehungsweise den Verlauf der Verbrennung, was wiederum Aufschluss über die Qualität der Verbrennung und damit die dabei entstehenden Stickoxide geben kann.
Vorzugweise wird aus der die Verbrennung charakterisierenden Größe eine Wärmefreisetzungsrate bestimmt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt. Vorteilhafterweise wird die Wärmefreisetzungsrate in Abhängigkeit von einem Zylinderinnendruck und einer einen Kurbelwellenwinkel charakterisierenden Größe bestimmt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für die die Verbrennung charakterisierende Größe der Zylinderinnendruck herangezogen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Temperatur in dem mindestens einen Zylinder ermittelt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt. Hierdurch können die Stickoxide nochmals präziser ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Temperatur zusätzlich in Abhängigkeit von einem Lambdawert, einem Startpunkt der Verbrennung, einem Verwirbelungsgrad in dem Zylinder und/oder Raildruck bestimmt. Diese Größen sind geeignet, die Temperatur in dem Zylinder besonders präzise zu bestimmen.
Vorteilhafterweise wird die Ermittlung der Stickoxide zusätzlich durchgeführt in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen: Ansaugdruck, Lufttemperatur im Ansaugtrakt, angesaugte Luftmenge, eingespritzte Kraftstoffmenge, Betriebszustand einer Abgasrückführung, Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder aktuelle Last der Brennkraftmaschine. Dies sind alles Größen, die jede für sich geeignet ist, bei der Ermittlung von Stickoxiden herangezogen zu werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von konkreten Messungen adaptiert, wobei einige Parameter des Verfahrens entsprechend der experientiell durchgeführten Messungen der Stickoxide eingestellt werden. Damit wird die Genauigkeit des Verfahrens während des Betriebs der Brennkraftmaschine nochmals erhöht.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist, wobei das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, ausgeführt wird.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnungen erläutert werden, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne das hierauf nochmal explizit hingewiesen wird. Es zeigen:
1: eine schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät und;
2: ein Blockdiagramm, in dem Verfahrensschritte beziehungsweise Verarbeitungsblöcke einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch dargestellt sind.
In 1 sind ein Steuergerät 1 sowie eine mehrere Zylinder 2 umfassende Brennkraftmaschine 3 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 3 ist mit einem Ansaugtrakt 4 und einem Abgastrakt 5 verbunden. In dem Ansaugtrakt sind ein Luftmassenmesser 6, ein Temperatursensor 7 und ein Drucksensor 8 angeordnet. In dem Abgastrakt 5 ist eine Lambdasonde 9 angeordnet. Der Brennkraftmaschine 3 ist ferner ein Drehwinkelsensor 9, der beispielsweise an der Kurbelwelle oder an einer Nockenwelle angebracht ist, zugeordnet.
In 1 ist ferner eine Kraftstoffleitung dargestellt, die beispielsweise als Commonrail 10 ausgebildet ist und über die mittels nicht dargestellter Einspritzdüsen Kraftstoff in die Zylinder 2 eingebracht werden kann. In dem Commonrail 10 ist ein Drucksensor 11 angeordnet.
Einem der Zylinder 2 ist ein Drucksensor 12 zugeordnet, mit dessen Hilfe der Zylinderinnendruck gemessen werden kann. Selbstverständlich können auch in mehreren Zylindern 2 Drucksensoren 12 angeordnet sein, wodurch die Bestimmung der Stickoxide unter Umständen beispielsweise hinsichtlich der Veränderungen, die sich aus dem Altern einzelner Komponenten ergeben, nochmals verbessert werden kann.
Sämtliche in 1 dargestellten Sensoren sind über Signalleitungen mit dem Steuergerät 1 verbunden. In dem Steuergerät 1 werden aus den Signalen der bekannten Sensoren Werte ermittelt, mit deren Hilfe die Steuerung und Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine 3 erfolgt. Erfindungsgemäß werden die Werte einiger Sensoren dazu herangezogen, um die Stickoxide im Abgas der Brennkraftmaschine 3 zu ermitteln.
In 2 sind Verfahrensschritte beziehungsweise Verarbeitungsblöcke dargestellt, die eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen, beziehungsweise in denen das erfindungsgemäße Verfahren eingebettet ist.
Die Blöcke 101, 102 und 103 beinhalten Verfahrensschritte, welche aus existierenden Verfahren zur Bestimmung der Stickoxide bekannt sind. In dem Block 101 werden aktuelle Betriebsbedingungen, wie beispielsweise eine aktuelle Drehzahl, eine Last oder eine aktuelle Temperatur in der Brennkraftmaschine erfasst. In dem Block 102 werden Messgrößen beziehungsweise thermodynamische Bedingungen des Ansaugtraktes 4 erfasst. Dies sind beispielsweise ein Ansaugdruck oder die Temperatur der angesaugten Luft. Ferner werden Größen erfasst, die beispielsweise von einem Luftmassenmesser 6 stammen oder Größen, die die eingespritzte Kraftstoffmenge beschreiben. In einem Block 103 wird der Sauerstoffgehalt der Luft im Ansaugtrakt 4 bestimmt.
Die in den Blöcken 101, 102 und 103 erfassten Eingangsdaten dienen als Eingangsgrößen für ein Modell 110, woraus bei bekannten Verfahren dann in einem Block 111 die Stickoxide bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird in einem Verarbeitungsblock 105 der Zylinderdruck in mindestens einem Zylinder erfasst. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines in einem Zylinder 2 angeordneten Drucksensors 12. Vorzugsweise wird in einem Block 104 ferner ein Lambdawert bestimmt, beispielsweise mittels einer Lambdasonde 9, die im Abgastrakt 5 angeordnet ist. Ferner wird der Beginn der Verbrennung in dem Zylinder 2 bestimmt, was beispielsweise in Form eines Kurbelwellenwinkels erfolgt. In der in 2 beschriebenen Ausführungsform wird ferner ein Grad der Verwirbelung des Gasgemisches in dem Zylinder 2 berücksichtigt sowie ein Druck in dem Rail 10, der beispielsweise mittels des Drucksensors 11 erfasst wird.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform werden in einem Verarbeitungsblock 106 weitere Eigenschaften der Brennkraftmaschine 3 berücksichtigt, wie beispielsweise die Anzahl der Zylinder, der Aufbau der Brennkraftmaschine und Ähnliches.
In einem Block 107 wird aus den in den Blöcken 103, 104 und 105 gewonnen Daten eine Verbrennungstemperatur T_COMB, beispielsweise gemäß folgender Gleichung ermittelt: T_COMB = f(p_ZYL, Y_O2, LB, POC, SWL, pRail), wobei

T_COMB: die Verbrennungstemperatur ist,
p_ZYL: der Zylinderinnendruck ist,
Y_O2: der Sauerstoffanteil im Ansaugtrakt ist,
LB: ein Lambdawert eines Abgases der Brennkraftmaschine ist,
POC: einen Schwerpunkt der Verbrennung charakterisiert,
SWL: einen Grad der Verwirbelung des Gasgemisches in dem Zylinder charakterisiert,
pRail: ein Kraftstoffdruck in einem Hochdruckspeicher bzw. Rail ist und
f(...): einen funktionalen Zusammenhang dieser Größen darstellt.

In Abhängigkeit der oben genannten Parameter kann die Verbrennungstemperatur sehr genau bestimmt werden.
In einem Block 108 wird eine Wärmefreisetzungsrate bestimmt, wobei der in dem Block 105 ermittelte Zylinderinnendruck berücksichtigt wird sowie weitere, in dem Block 106 ermittelte Größen, wie beispielsweise ein aktueller Winkel der Kurbelwelle oder Nockenwelle sowie Koeffizienten, die die thermodynamischen Transformationen, die in dem Zylinder stattfinden, beschreiben.
Vorzugsweise wird die Wärmefreisetzung gemäß der folgenden Gleichung berechnet: HRR = K₁*[p(ϑ) – K₂*(ϑ + 1)] ∀ϑ∊ [ϑ_START; ϑ_ENDE], wobei

HRR: der ermittelte Anteil der Wärmefreisetzung ist,
K₁ und K₂: Faktoren sind, welche thermodynamische Prozesse in dem Zylinder charakterisieren,
p(ϑ) und p(ϑ + 1): den Zylinderinnendruck in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel charakterisieren und
ϑ_START und ϑ_ENDE: ein Intervall des Kurbelwellenwinkels charakterisieren.

In dem Block 109 werden die Ergebnisse einer Adaption des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Stickoxide im Abgas berücksichtigt, die beispielsweise mittels experientiellen Probeläufen der Brennkraftmaschine ermittelt wurden.
Die in den Blöcken 101, 102 und 103 erfassten sowie in den Blöcken 107, 108 und 109 berechneten beziehungsweise bestimmten Größen werden alle dem 110 zugeführt, in welchem ein Modell für die Berechnung der Stickoxide hinterlegt ist, sodass dies quasi eine Verknüpfungs- beziehungsweise Berechnungsvorschrift enthält, mittels der in dem Block 111 der Wert der Stickoxide bestimmt wird.
Durch die erfindungsgemäße Hinzunahme weiterer Eingangsgrößen, insbesondere des Zylinderinnendrucks, wird eine deutlich genauere Bestimmung der Stickoxide im Abgas ermöglicht. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren in den verschiedenen Ausführungsformen deutlich robuster gegenüber Veränderungen in den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine beziehungsweise den Abweichungen, die von den idealen Werten der Brennkraftmaschine unter realen Bedingungen vorhanden sind und insbesondere auch bezüglich den Abweichungen, die sich durch Alterung einzelner Komponenten ergeben. Ferner wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kalibrierungsprozess des Modells vereinfacht und beschleunigt, da das erfindungsgemäße Stickoxid-Modell teilweise auf verlässlichen Echtzeit-Zylinderinnendrücken basiert.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine eine Verbrennung in mindestens einem Zylinder (2) der Brennkraftmaschine (3) charakterisierende Größe ermittelt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitverlauf der mindestens einen die Verbrennung charakterisierenden Größe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine die Verbrennung charakterisierende Größe ein Zylinderinnendruck ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der die Verbrennung charakterisierenden Größe eine Wärmefreisetzungsrate in dem mindestens einen Zylinder (2) ermittelt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmefreisetzungsrate in Abhängigkeit von einem Zylinderinnendruck und einer einen Kurbelwellenwinkel charakterisierenden Größe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass eine Temperatur in dem mindestens einen Zylinder ermittelt und bei der Ermittlung der Stickoxide berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem mindestens einen Zylinder (2) in Abhängigkeit von einem Zylinderinnendruck, einem Lambdawert, einem Startpunkt der Verbrennung, einem Verwirbelungsgrad in dem Zylinder (2) und einem Raildruck bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung von Stickoxiden zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen ermittelt wird: Ansaugdruck, Lufttemperatur im Ansaugtrakt, angesaugte Luftmenge, eingespritzte Kraftstoffmenge, Betriebszustand einer Abgasrückführung, Drehzahl der Brennkraftmaschine (3), aktuelle Last der Brennkraftmaschine (3).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adaption des Verfahrens in Abhängigkeit von konkreten Messungen der Stickoxide durchgeführt wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt ist.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es derart programmiert ist, dass ein Verfahren der nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät (1) zum Steuern und/oder Regeln des Betriebs einer Brennkraftmaschine (3), ausgeführt wird.