DE102016205232A1

DE102016205232A1 - Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE102016205232A1
Application number: DE102016205232.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Weiland
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05
Also published as: WO2017167486A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, beschrieben. Der Dieselmotor wird im unterstöchiometrischen Bereich betrieben, um einen effizienten Betrieb des NOx-Speicherkatalysators zu erreichen. Hierzu wird eine Nacheinspritzung durchgeführt, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird. Um die erforderliche Menge der Nacheinspritzung zu ermitteln, wird Lambda im Brennraum aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge ermittelt. Ferner wird ein Sollwert für Lambda im Abgas bestimmt. Die erforderliche Menge der Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel wird aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda berechnet. Durch Einspritzung der auf diese Weise bestimmten erforderlichen Menge der Nacheinspritzung kann ein besonders effizienter Betrieb des NOx-Speicherkatalysators sichergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NO_x-Speicherkatalysator aufweist, im unterstöchiometrischen Bereich (Fettbetrieb) für einen effizienten Betrieb des NO_x-Speicherkatalysators durch Durchführung einer Nacheinspritzung, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird.
Dieselmotoren, die im Abgasnachbehandlungssystem einen NO_x-Speicherkatalysator aufweisen, benötigen spezielle Motorbetriebsarten, damit der Speicherkatalysator effizient betrieben werden kann. Hierzu zählen eine Denoxierung sowie eine Entschwefelung. Wenn diese Betriebsarten aktiv sind, wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich etwa mit Lambda 0,95 betrieben.
Dieser Betrieb wird erreicht, indem eine Nacheinspritzung durchgeführt wird, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird.
Damit der NO_x-Speicherkatalysator auf effiziente Weise betrieben werden kann, muss der entsprechende Lambdawert eingehalten werden. Abweichungen von diesem Wert haben einen beträchtlichen Einfluss auf die Effizienz der Denoxierungs- bzw. Entschwefelungszyklen. Insbesondere führt ein zu mageres Lambda in Kombination mit dem zu applizierenden Zeitpunkt der Nacheinspritzung zu einem signifikanten Anstieg der Exothermie bis hin zu einer Zerstörung der Komponenten der Abgasanlage. Ein zu fettes Lambda führt zu stark erhöhten HC-Emissionen.
Um den entsprechenden Lambdawert einzuhalten bzw. einzuregeln, ist es bekannt, eine entsprechende Lambdaregelung mittels einer Lambdasonde im Abgas durchzuführen, die die Menge der Nacheinspritzung kontrolliert, damit sich der gewünschte Ziel-Lambdawert einstellt. Nach dem motorischen Arbeitsspiel wird hierbei ggf. eine Korrektur der Nacheinspritzmenge vorgenommen.
Die vorliegende Erfindung sieht einen weiteren Lösungsweg zur Durchführung eines effizienten Betriebes eines derartigen NO_x-Speicherkatalysators vor. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors zur Verfügung zu stellen, dessen NO_x-Speicherkatalysator besonders effizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
Ermitteln von Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge;
Bestimmen eines Sollwertes für Lambda im Abgas (Abgaslambda); und
Ermitteln der erforderlichen Menge einer Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Lambdawert im Brennraum aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ermittelt. Des Weiteren wird ein Sollwert für das Abgaslambda bestimmt. Aus diesen beiden Werten kann dann die erforderliche Menge einer Nacheinspritzung bereits für das aktuelle Arbeitsspiel und den Sollwert für das Abgaslambda ermittelt werden.
Da es sich bei der Einspritzung und bei der nachfolgenden Nacheinspritzung um aufeinanderfolgende Teilmengen handelt, ist eine Berechnung des Brennraumlambdas nach jeder Einspritzung möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) vorzugsweise aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Kraftstoffteilmenge ermittelt. Hierbei sieht die Erfindung insbesondere vor, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der Einspritzmenge für eine Vor- und Haupteinspritzung bestimmt wird. Das schließt nicht aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur auf Basis einer Haupteinspritzung durchgeführt wird.
Durch die Berechnung des Brennraumlambdas aus bekannter Brennraumfüllung (Zylinderfüllung, modellbasierter Luftpfad) und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge abzüglich der für den Fettbetrieb relevanten Nacheinspritzmenge lässt sich somit die Nacheinspritzmenge berechnen, die zum gewünschten Abgaslambda führt.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennraumlambda nach jeder Haupteinspritzung ermittelt wird. Hiermit kann somit die gewünschte Nacheinspritzmenge für jeden Einspritzvorgang bestimmt und entsprechend eingeregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn eine Lambdasonde nicht oder noch nicht betriebsbereit ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher eine Ersatzfunktionalität bei einer Fehlfunktion einer Lambdasonde vorsehen. Erfindungsgemäß werden eine Denoxierung und Entschwefelung möglich, wenn beispielsweise eine Lambdasonde defekt ist oder während der Aufheizphase.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner zur Entlastung eines Lambdareglers durchgeführt werden. Auch kann es zur Adaption eines Nacheinspritzmengenkennfeldes eingesetzt werden.
Jedenfalls wird hierdurch eine besonders effiziente Denoxierung und Entschwefelung insbesondere im dynamischen Betrieb erreicht.
Auch für das erfindungsgemäße Verfahren wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich vorzugsweise etwa mit Lambda 0,95 betrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung von beispielhaften Einspritzvorgängen eines Dieselmotors mit entsprechenden Lambdawerten; und
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 sind schematisch Voreinspritzungen 1, eine Haupteinspritzung 2 und eine Nacheinspritzung 3 bei einem Dieselmotor dargestellt. Die schraffierten Bereiche zeigen die jeweils eingespritzte drehmomentrelevante Kraftstoffmasse, während der unverbrannte Kraftstoff bei der Nacheinspritzung 3 durch den Bereich 4 gekennzeichnet ist.
Der hier in Rede stehende Dieselmotor besitzt ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem NO_x-Speicherkatalysator. Dieser Speicherkatalysator benötigt spezielle Motorbetriebsarten, nämlich eine Denoxierung und eine Entschwefelung, damit er effizient betrieben werden kann. Wenn diese Betriebsarten aktiviert sind, wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich mit einem Lambdawert von 0,95 betrieben. Dieser Betrieb wird erreicht, indem eine Nacheinspritzung 3 durchgeführt wird, die nur teilweise im Brennraum (Zylinder) verbrannt wird, wie in 1 gezeigt.
In 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NO_x-Speicherkatalysator aufweist, in diesem unterstöchiometrischen Bereich mit einem Lambdawert von 0,95 dargestellt. Wie erwähnt, wird dieser Betrieb durch die Durchführung einer Nacheinspritzung erreicht, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird.
Bei dem Verfahren wird nunmehr in Schritt 10 der Lambdawert im Brennraum (Brennraumlambda) aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge ermittelt, wobei der Lambdawert im Brennraum hierbei aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Einspritzmenge für die in 1 dargestellte Voreinspritzung 1 und Haupteinspritzung 2 bestimmt wird.
In Schritt 11 wird ein Sollwert für Lambda im Abgas (Abgaslambda) ermittelt. In Schritt 12 wird die erforderliche Menge einer Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes bzw. Zielwertes für das Abgaslambda berechnet. Die ermittelte Menge der Nacheinspritzung wird dann im aktuellen Einspritzvorgang eingespritzt (Schritt 13), so dass sich der gewünschte Sollwert für das Abgaslambda, hier 0,95, ergibt. Mit diesem Lambdawert lässt sich eine effiziente Betriebsweise des Speicherkatalysators in Bezug auf Denoxierung und Entschwefelung erreichen.
Nachfolgend wird ein Beispiel zur Ermittlung der Nacheinspritzmenge beschrieben.
Es ist hierbei zu klären, wie groß die Menge der Nacheinspritzung gewählt werden muss, damit sich ein Ziellambda von 0,95 einstellt. Als bekannt wird hierbei vorausgesetzt: die Frischluftmasse im Zylinder (z.B. 390mg), Teilmengen bis zur Nacheinspritzung. mf4 = Frischluftmasse / Stöchiometrische Frischluftmasse·Ziellambda
Die Menge der Nacheinspritzung zum Erreichen des Ziellambdawertes entspricht dem Quotienten aus der im Zylinder befindlichen Frischluftmasse und dem Produkt der stöchiometrischen Luftmasse und dem Ziellambdawert, abzüglich der bis dahin eingespritzten Teilmengen.
Wenn man weiterhin annimmt, dass bis zu einem Lambda von 1 aus dem eingespritzten Kraftstoff Drehmoment erzeugt wird, kann ebenfalls berechnet werden, welcher Mengenanteil der Nacheinspritzung keinen Beitrag zum Drehmoment leistet.
Im vorstehend genannten Beispiel beträgt die verbleibende Luftmasse im Zylinder vor der Nacheinspritzung: mLuftRest = 390_{mg Luft} – 23mg·14,7 mg Luft / mg Kraftstoff = 51,9mg d.h. für die benötigte Nacheinspritzmenge von 5 mg stehen noch 51,9mg Frischluft zur Verfügung. Damit können noch 51,9_{mg Luft}/14,7 mg Luft / mg Kraftstoff = 3,5_{mg Kraftstoff} verbrannt werden.
1,5mg der Nacheinspritzmenge leisten keinen Beitrag zum Drehmoment.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NO_x-Speicherkatalysator aufweist, im unterstöchiometrischen Bereich (Fettbetrieb) für einen effizienten Betrieb des NO_x-Speicherkatalysators durch Durchführung einer Nacheinspritzung (3), die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird, mit den folgenden Schritten: (10) Ermitteln von Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge; (11) Bestimmen eines Sollwertes für Lambda im Abgas (Abgaslambda); und (12) Ermitteln der erforderlichen Menge einer Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Kraftstoffteilmenge ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der Einspritzmenge für eine Vor- und Haupteinspritzung (1, 2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumlambda nach jeder Haupteinspritzung (2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durchgeführt wird, wenn eine Lambdasonde nicht oder noch nicht betriebsbereit ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Entlastung eines Lambdareglers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Adaption eines Nacheinspritzmengenkennfeldes eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor im unterstöchiometrischen Bereich etwa mit Lambda 0,95 betrieben wird.