DE102018130751B4 - Vorgehensweise und Verfahren zum Messen und Berechnen des Partikelausstosses aus Benzinmotoren - Google Patents

Vorgehensweise und Verfahren zum Messen und Berechnen des Partikelausstosses aus Benzinmotoren Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge, umfassend:Vordefinieren einer Zeitspanne für einen Kaltstartbetrieb eines Motors;Bestimmen einer kritischen Kaltstarttemperatur (42) zu einer Zeit, die den Start des Kaltstartbetriebs definiert,Identifizieren (16) eines Kaltstartrußmassenwerts (40) aus einer Nachschlagetabellebasierend auf der vordefinierten Zeitspanne und der kritischen Kaltstarttemperatur des Motors (306);Berechnen (14) eines Rußmassenwertes (36) eines heißen Motors für mindestens eine Betriebszeitspanne nach einem Ende der Zeitspanne, die den Start des Kaltstartbetriebs definiert und vor dem Abschalten des Motors (36); undAddieren (18) des Kaltstartrußmassenwerts (40) zum Rußmassenwert eines heißen Motors (36), um einen Gesamtrußmassenwert (12) zu definieren;Berechnen des Rußmassenwertes eines heißen Motors (36) als ein Produkt aus einer bremsspezifischen Rußmasse, BS_soot, einer Motorleistung (72), Pwr_avg (72), und einem Fahraggressivitätsfaktor, C_ags.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft das Bestimmen des Rußausstoßes aus Benzinmotoren.
  • Einleitung
  • Bekannte und anhängige Anforderungen an Fahrzeuge mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge zum Überwachen und Steuern des Rußausstoßes können einen Rußfilter erfordern, um den im Laufe der Zeit ausgestoßenen Motorruß zu filtern und einzufangen. Um einen Austausch des Rußfilters zu vermeiden, kann ein Vorgang zum Abbrennen von Ruß in regelmäßigen Abständen verwendet werden. Die derzeitigen Verfahren zum Abbrennen von Ruß erfordern einen Betrieb bei hohen Temperaturen und erfordern einen erhöhten Kraftstoffverbrauch. Daher ist es wichtig, die Rußansammlung genau zu berechnen und Rußverbrennungsvorgänge zu minimieren. Bekannte Verfahren zum Berechnen des Rußausstoßes verwenden Betriebsdaten heißer Motoren aus Motorabbildungskurven, die allgemein aus der Prüfung von Leistungsprüfständen verfügbar sind. Die Rußausstoßdaten des Motors werden traditionell mit den Einstellungen der Kühlmitteltemperatur auf eine gewünschte Temperatur erhoben. Diese Datenerhebung ist zeitaufwendig und kann die flüchtige Beschaffenheit der Rußemissionen nicht erfassen. Diese Daten berücksichtigen den Rußausstoß beim Kaltstart des Motors z. B. nicht auf präzise Weise, obwohl dieser bis zu 90% des gesamten Rußausstoßes des Motors ausmachen kann.
  • Die Voraussetzungen für einen Kaltstart des Motors liegen in der Regel bei Motortemperaturen unterhalb von etwa 70 Grad Celsius vor. Der Kaltstart-Rußausstoß wird durch Haften von Kraftstoff an kalten Kolben verursacht, gefolgt von anschließender verzögerter Verdampfung und unvollständiger Verbrennung dieses Kraftstoffs. Der Kaltstart-Rußausstoß ist bei den niedrigsten Umgebungstemperaturen während des Starts am höchsten, z. B. unter Null Grad Celsius bis etwa -30 Grad Celsius. Derzeit bilden die Prüfdaten von stationären oder heißen Motorleistungsprüfständen keine genauen Rußdaten für den Kaltstart ab.
  • Die DE 10 2015 206 769 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Ottomotors, mit einer Abgasanlage, die einen Partikelfilter, vorzugsweise einen Dieselpartikelfilter, aufweist, dessen Partikelbeladung im Regelfall wenigstens abhängig von dem Signal eines Sensors, vorzugsweise eines Differenzdrucksensors, abgeschätzt wird, wobei nötigenfalls eine Regeneration des Partikelfilters ausgelöst wird. In der Startphase des Verbrennungsmotors erfolgt abweichend von der sensorbasierten Abschätzung der Partikelbeladung eine Open-Loop-Abschätzung der Partikelbeladungszunahme wenigstens abhängig von einem Motor-, Kühlwasser und/oder Außentemperaturwert.
  • Die DE 10 2008 058 280 A1 beschreibt Systeme und Verfahren zum Aktualisieren der PF-Rußlast eines Motors. Das Verfahren kann die Ausführung der Regenerierung als Reaktion sowohl auf Basis von Druckmessungen als auch der geschätzten Rußlast unabhängig von den druckbasierten Messungen enthalten, wobei während der Bedingungen, unter denen die druckbasierten Messungen ungenau sein können, die Rußlast auf Basis von Betriebsbedingungen und früheren druckbasierten Messungen geschätzt wird, die während früherer Bedingungen, unter denen die druckbasierten Messungen genauer sind, erfolgten. Auf diese Weise wird eine kontinuierlichere Überwachung der Belastung des Partikelfilters bereitgestellt, wobei z.B. die druckbasierten Messungen der jüngsten genauen Messung und Betriebsbedingungen, die seit einer solchen Messung eingetreten sind, genutzt werden. Somit kann eine zeitlich besser gesteuerte Regenerierung bereitgestellt werden.
  • Während die derzeitigen Systeme und Verfahren zur Rußmassenbestimmung ihren vorgesehenen Zweck erfüllen, ist es Aufgabe der Erfindung ein neues und verbessertes System und Verfahren zur Rußmassenbestimmung zur Verfügung zu stellen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge: Vordefinieren einer Zeitspanne für einen Kaltstartbetrieb eines Motors; Bestimmen einer kritischen Motortemperatur zu einer Zeit, die einen Start des Kaltstartbetriebs definiert; Identifizieren eines Kaltstartrußmassenwerts aus einer Nachschlagetabelle basierend auf der vordefinierten Zeitspanne und der kritischen Motortemperatur; Berechnen eines Rußmassenwertes eines heißen Motors für mindestens eine Betriebszeitspanne nach einem Ende der Zeit, die den Beginn des Kaltstartbetriebs definiert, und vor einer Motorabschaltzeit; Addieren des Kaltstartrußmassenwertes zum Rußmassenwert eines heißen Motors, um einen Gesamtrußmassenwert zu definieren; und Berechnen des Rußmassenwertes eines heißen Motors als ein Produkt aus einer bremsspezifischen Rußmasse (BS_soot), einer Motorleistung (Pwr_avg) und einem Fahraggressivitätsfaktor (C_ags).
  • Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner das Ableiten der BS_soot-Laufzeit aus einer heiß laufenden Rußkennlinie, die unter Verwendung von Rußabbildungsdaten eines heißen Motors erzeugt und in einer Nachschlagetabelle gespeichert wurde.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner das Bestimmen der Pwr _avg-Laufzeit aus einer über eine Zeitspanne gemittelten Motorleistung Δt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner das Auswählen der Zeitspanne Δt in einem Bereich von etwa 5 bis 20 Sekunden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner das Zuweisen eines Wertes im Bereich von 1,0 bis 3,0 zu der C_ags-Laufzeit, der einen Fahraggressivitätsfaktor definiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner Auswählen von etwa 50 bis 200 Sekunden als Zeitspanne, die den Kaltstartbetrieb des Motors definiert.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines Rußmassenbestimmungssystems und - verfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
    • 2 ist ein Diagramm, das die Kaltstartrußmassenakkumulation im Vergleich zur Motorlaufzeit in Sekunden darstellt;
    • 3 ist ein Diagramm, das die Kaltstartrußmassenakkumulation im Vergleich zur Starttemperatur des Motorkühlmittels darstellt; und
    • 4 ist ein Diagramm, das die Rußmassenakkumulation eines heißen Motors im Vergleich zur Motorleistung darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
  • Bezugnehmend auf 1, teilt ein Rußmassenbestimmungssystem 10 für ein Fahrzeug mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge eine Berechnung eines vom Fahrzeugmotor erzeugten Gesamtrußmassenwertes (SM) 12 in eine erste Masse, die von einem heiß laufenden Abschnitt des Motorbetriebs unter Verwendung eines Heißmotorrußmodells 14 identifiziert wird, und eine zweite Masse, die von einem kalt laufenden Abschnitt des Motorbetriebs unter Verwendung eines kritischen Kaltstarttemperaturmodells 16 identifiziert wird. Der Gesamtrußmassenwert 12 wird dann aus einem Rußsummenmodell 18 als Summe der durch das Heißmotorrußmodell 14 identifizierten Rußmasse und der durch das kritische Kaltstarttemperaturmodell 16 identifizierten Rußmasse bestimmt.
  • Das Heißmotorrußmodell 14 verwendet als Eingangsvariablen eine Motordrehzahl 20, eine gemessene Luftmenge pro Zylinder 22, einen Kaltstartzustand 24, eine Fahrzeuggeschwindigkeit 26, eine Motorkühlmitteltemperatur 28, eine Motoröltemperatur 30, eine Umgebungstemperatur 31, eine Kolbentemperatur 32 und eine Motorleistung 34. Aus diesen Variablen erzeugt das Heißmotorrußmodell 14 einen Rußmassenwert 36 eines heißen Motors.
  • Das kritische Kaltstarttemperaturmodell 16 verwendet als Eingangsvariablen die Motordrehzahl 20, die gemessene Luftmenge pro Zylinder 22, eine aktive Kaltstartvariable 38, die Fahrzeuggeschwindigkeit 26, die Motorkühlmitteltemperatur 28, die Motoröltemperatur 30, die Umgebungstemperatur 31 und die Kolbentemperatur 32. Aus diesen Variablen erzeugt das kritische Kaltstarttemperaturmodell 16 einen Kaltstartrußmassenwert SM_cldst 40.
  • Das Rußsummenmodell 18 summiert den Rußmassenwert 36 eines heißen Motors und den Kaltstartrußmassenwert SM_cldst 40, um den Gesamtrußmassenwert (SM) 12 zu identifizieren. Der Gesamtrußmassenwert SM(t+ Δt) 12 über eine vorgegebene Zeitspanne wird durch das Rußsummierungsmodell 18 unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: SM ( t + Δ t ) = ( SM _ cldst ) + ( BS _ soot * Pwr _ avg * C _ ags * Δ t )
    Figure DE102018130751B4_0001
    wobei:
    1. 1. SM_cldst oder der Kaltstartrußmassenwert 40 wird in Abhängigkeit von einer kritischen Kaltstarttemperatur 42 beim Kaltstart bestimmt, wie in Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
    2. 2. BS_soot*Pwr_avg*Δt*C_ags definiert den Rußmassenwert 36 des heißen Motors, wobei:
      1. a. der BS_soot-Term aus einer heiß laufenden Rußkennlinie BS_soot im Vergleich zur Leistung und anderen Motorbetriebsparametern abgeleitet ist, die unter Verwendung von Rußabbildungsdaten eines heißen Motors erzeugt werden, wie in Bezug auf 4 beschrieben.
      2. b. der Pwr avg-Term eine über eine Zeitspanne Δt gemittelte Motorleistung ist, wobei die Zeitspanne Δt in einem Bereich von etwa 5 bis 20 Sekunden liegt.
      3. c. der C_ags-Term eine Laufzeit der treibenden Aggressivität ist, die aus einer Einstelltabelle unter Verwendung von Daten aus dem heißen Fahrzeug-Emissionszyklus bestimmt wird, um die Daten zu testen und anzupassen, was in Abhängigkeit einer Standardabweichung der Motorleistung stattfindet. Die Werte für die Laufzeit der treibenden Aggressivität liegen zwischen 1,0 und 3,0. Der Laufzeit der treibenden Aggressivität wird verwendet, um die Gesamtmenge der Rußmasse des heißen Motors zu erhöhen, wenn der Fahrer den Motor während des Zeitraums Δt aggressiv, schnell beschleunigend und schnell abbremsend betreibt, was die Rußmassenbildung über die Zeitspanne Δt im Vergleich zum gleichmäßigen Betrieb über einen vergleichbaren Zeitraum Δt erhöht. Die Daten aus dem heißen Fahrzeug-Emissionszyklus können verwendet werden, um eine Einstelltabelle für die Fahraggressivität zu testen und anzupassen, die Werte für die C_ags-Laufzeit bereitstellt, die in Abhängigkeit von der Standardabweichung der Motorleistung stattfindet.
    3. 3. Δt definiert eine Zeitspanne in Sekunden, über die der Gesamtrußmassenwert (SM) 12 berechnet wird.
  • Unter Bezugnahme auf 2 und erneut auf 1 sieht ein Diagramm 44 mehrere Kurven 46 vor, die die Rußmasse 48, gemessen in Abhängigkeit von einer Motorlaufzeit 50 in Sekunden, vergleichen. Aus 2 ist ersichtlich, dass ein erster Abschnitt 52, der eine Kombination der Kurven 46 definiert, sehr schnell, in etwa 100 Sekunden, eine anfängliche Spitze 54 der Rußmasse von etwa 5,0 erreicht. Der erste Abschnitt 52 definiert daher eine Kaltstartperiode. Ein zweiter Abschnitt 56 der Kurven 46 gibt an, dass die Rußmassenbildung im Wesentlichen flach ist oder sehr langsam in Bezug auf die Motorlaufzeit 50 über die anfängliche Betriebsdauer von etwa 100 Sekunden hinaus ansteigt. Der Anteil der Motorlaufzeit 50 über die anfängliche Betriebsdauer von ca. 100 Sekunden hinaus ist daher als heiße Motorlaufzeit definiert. Daher wird davon ausgegangen, dass die Rußmassenansammlung während der Kaltstartperiode im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung im Wesentlichen innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vom Motorstart bis etwa 100 Sekunden erfolgt, wobei der verbleibende Rußmasseneingang, die unter Bedingungen eines heiß laufenden Motors auftritt, wesentlich geringer ist. Es wird darauf hingewiesen, dass 2 für eine exemplarische Motorkonstruktion vorgesehen ist, wobei die vordefinierte Zeitspanne von bis zu etwa 100 Sekunden Motorlaufzeit nach dem Motorstart für die Kaltstartperiode daher je nach Motorgröße und Ausführung über und unter 100 Sekunden variieren kann. So kann beispielsweise die vordefinierte Zeitspanne für Kaltstartzeiten von etwa 50 Sekunden bis etwa 200 Sekunden Motorlaufzeit variieren.
  • Die Rußmassenausbeute wird auch aus zwei verschiedenen Teilen berechnet, die auf dem Verständnis der verschiedenen Mechanismen beruhen, die die Rußbildung bei Kälte verursachen. In einem ersten Teil wird die Kaltstartrußmasse SM_cldst wie vorstehend beschrieben bestimmt, indem die Rußmassenansammlung in etwa den ersten 50 bis 200 Sekunden nach jedem Kaltstart summiert wird.
  • Unter Bezugnahme auf 3 und erneut auf die 1 bis 2 ist der Kaltstartrußmassenwert SM_cldst 40 stark von der Motorstarttemperatur abhängig, die eine nichtlineare Wirkung der Rußemissionen aufweist. In diesem Beispiel wird die Austrittstemperatur des Motorkühlmittels als kritische Kaltstarttemperatur verwendet. Andere kritische Motortemperaturen, wie z. B. die Kolbenoberflächentemperatur, könnten präziser sein. Der Kaltstartrußmassenwert kann aus einer Nachschlagetabelle entnommen werden, die Kaltstartrußmassenwerte für eine vorgegebene Motorkonstruktion enthält. Die Nachschlagetabelle wird aus einem Diagramm 58 mit einer Exponentialkurve 60 der Kaltstartrußmassenwerte in Abhängigkeit von den kritischen Motorstarttemperaturen während der Kaltstartperioden ausgefüllt. Die Kurve 60 wird zunächst als Kurvenanpassungsfunktion mehrerer Rußmassendatenpunkte 62 erstellt. Der Kaltstartrußmassenwert 40 kann an einem Schnittpunkt der Kurve 60 und einer gegebenen Starttemperatur des Motorkühlmittels 64 erhalten werden. Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Motortemperaturen wie die Ölkanaltemperatur und die Kolbenoberflächentemperatur mit der Kaltstartrußerzeugung korrelieren können und daher zur weiteren Verbesserung der Bestimmung der Kaltstartrußmasse 40 verwendet werden können.
  • Durch Berechnen der ersten 100 Sekunden oder einer anderen, für die spezifische Motorkonstruktion geeigneten Dauer von 50 Sekunden bis 200 Sekunden wird eine akkumulierte Rußmasse bestimmt. Diese Berechnung sieht eine Korrelation von SM_cldst zu der kritischen Kaltstarttemperatur vor. Für jedes Kaltstartereignis wird bei gegebener Starttemperatur des Motorkühlmittels aus der SM_cldst Nachschlagetabelle ein Kaltstartrußmassenausstoß ermittelt und dieser Betrag zum Wert der gesamten Rußbelastung addiert.
  • Unter Bezugnahme auf 4 und erneut auf die 1 bis 3, ähnlich wie bei der Bestimmung des Kaltstartrußmassenwerts SM_cldst 40 unter Verwendung des Diagramms 58, kann die der Rußmassenwert 36 eines heißen Motors unter Verwendung eines Diagramms 66, das die Kennlinien 68 der der Rußabbildung eines heißen Motors vorsieht, identifiziert werden. Die Kennlinien 68 mit Rußabbildungsdaten eines heißen Motors definieren exponentielle Kurven von Rußmassenwerten eines heißen Motors in Abhängigkeit von der Motorleistung während normaler Betriebszeitspannen. Die Kennlinien 68 mit Rußabbildungsdaten eines heißen Motors werden zunächst als Kurvenanpassungsfunktionen mehrerer Rußmassendatenpunkte 70 erstellt. Der Rußmassenwert 36 eines heißen Motors kann an einem Schnittpunkt der Kennlinien 68 mit Rußabbildungsdaten eines heißen Motors und einer gegebenen Motorleistung 72 erhalten werden.
  • Der Rußmassenwert eines heißen Motors wird für eine Betriebszeit eines heißen Motors berechnet. Der Berechnungsschritt wird dann für mindestens eine weitere aufeinanderfolgende Betriebszeit eines heißen Motors wiederholt. Nach der nächsten aufeinanderfolgenden Betriebszeit eines heißen Motors wird der Kaltstartrußmassenwert für die Betriebszeit eines heißen Motors zum Rußmassenwert eines heißen Motors und der mindestens einen weiteren aufeinanderfolgenden Betriebszeit eines heißen Motors addiert, um den Gesamtrußmassenwert zu definieren. Die mindestens eine weitere aufeinanderfolgende Betriebszeit eines heißen Motors kann mehrere Betriebszeiten eines heißen Motors definieren, und der sich wiederholende Schritt wird fortgesetzt, bis eine Motorabschaltzeit eintritt.
  • Ein Rußmassenbestimmungssystem für ein Fahrzeug mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehört die Trennung der Rußerzeugung in Kaltstart- und Heißlaufabschnitte. Ein „Pauschalansatz“ wird angewendet, um die Rußbildung sowohl mit einer Anzahl oder Menge von Kaltstarts des Motors als auch mit einer kritischen Motortemperatur zu verknüpfen, bei der jeder der Kaltstarts erfolgte. Dies ermöglicht die Nutzung eines datenbasierten Best-Fit-Ansatzes, um Rußgesamtmengen bei einem Kaltstart über einen vorgegebenen Zeitraum des Kaltstarts abzuschätzen. Die Daten aus der Abbildung eine heiß laufenden Motors werden dann zu der gesamten Rußansammlung addiert, die aus der pauschalen Summe der Kaltstarts berechnet wird, um eine laufende Gesamtrußmenge zu berechnen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge, umfassend: Vordefinieren einer Zeitspanne für einen Kaltstartbetrieb eines Motors; Bestimmen einer kritischen Kaltstarttemperatur (42) zu einer Zeit, die den Start des Kaltstartbetriebs definiert, Identifizieren (16) eines Kaltstartrußmassenwerts (40) aus einer Nachschlagetabelle basierend auf der vordefinierten Zeitspanne und der kritischen Kaltstarttemperatur des Motors (306); Berechnen (14) eines Rußmassenwertes (36) eines heißen Motors für mindestens eine Betriebszeitspanne nach einem Ende der Zeitspanne, die den Start des Kaltstartbetriebs definiert und vor dem Abschalten des Motors (36); und Addieren (18) des Kaltstartrußmassenwerts (40) zum Rußmassenwert eines heißen Motors (36), um einen Gesamtrußmassenwert (12) zu definieren; Berechnen des Rußmassenwertes eines heißen Motors (36) als ein Produkt aus einer bremsspezifischen Rußmasse, BS_soot, einer Motorleistung (72), Pwr_avg (72), und einem Fahraggressivitätsfaktor, C_ags.
  2. Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, ferner beinhaltend Ableiten der BS_soot-Laufzeit aus einer heiß laufenden Rußkennlinie (68), die unter Verwendung von Rußabbildungsdaten eines heißen Motors erzeugt und in einer Nachschlagetabelle gespeichert wurde.
  3. Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, ferner beinhaltend Bestimmen des Pwr_avg-Terms aus einer über einen Zeitraum Δt gemittelten Motorleistung.
  4. Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 3, im Rahmen dessen die Zeitspanne Δt in einem Bereich von etwa 5 bis 20 Sekunden ausgewählt wird.
  5. Verfahren zum Bestimmen der Rußmasse (48) eines Fahrzeugs mit Benzinmotorantrieb für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, ferner beinhaltend Zuweisen eines Wertes im Bereich von 1,0 bis 3,0 zu dem C_ags-Term, der den Fahraggressivitätsfaktor definiert.
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