DE102018216057A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs und zum Modellieren von Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs und zum Modellieren von Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs (V) eines Verbrennungsmotors, in dem aus einem Kohlenstoffgehalt (C) eines Abgases auf den Kraftstoffverbrauch (V) geschlossen wird. Es wird eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts (C) durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors ermittelt. Diese Veränderung wird bei der Ermittlung (25) des Kraftstoffverbrauchs (V) berücksichtigt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Modellieren von Abgasemissionen des Verbrennungsmotors in dem aus mindestens einem Parameter des Verbrennungsmotors auf einen Kohlenstoffgehalt (C) des Abgases geschlossen wird. Dabei wird eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts (C) durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen im Abgasstrang des Verbrennungsmotors ermittelt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Modellieren von Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Computerprogramme, die jeden Schritt eines Verfahrens ausführen, sowie maschinenlesbare Speichermedien, welche die Computerprogramme speichern. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eines der Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • In der europäischen Union soll ein standardisiertes Messwerkzeug zur Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs im Feld vorgesehen werden. Dazu soll in jedem Kraftfahrzeug an der OBD-Schnittstelle (On Board Diagnose) der kumulierte Gesamtkraftstoffverbrauch ausgegeben werden.
  • In Dieselsystemen wird hierzu bisher die vom Kraftstoffeinspritzsystem geforderte Solleinspritzmenge aufsummiert. Dieses Vorgehen ist möglicherweise zukünftig nicht mehr genau genug, um die dann geltenden scharfen Toleranzanforderungen für die Verbrauchsanzeige zu erfüllen. Die Europäische Kommission plant die Genauigkeit der Verbrauchsanzeige anhand einer Messung im Prüfzyklus WLTC (Worldwide harmonized Light duty test cycle) nachzuweisen. Dabei wird das Signal an der OBD-Schnittstelle mit der Kraftstoffeinspritzmenge verglichen, die anhand der „Carbon Balance Formula“ berechnet wurde. Dabei erfolgt ein Vergleich der über den WLTC kumulierten Verbrauchswerte. Grundlage der „Carbon Balance Formula“ ist die Messung der Kohlenstoffatome, die aus dem Auspuff eines Abgasstranges kommen. Mithilfe dieser Formel wird dann eine geschätzte verbrauchte Kraftstoffmenge berechnet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren dient zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgasstrang mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass moderne Abgasnachbehandlungsvorrichtungen den Kohlenstoffgehalt des Abgases verändern, so dass dieser nicht unmittelbar in die „Carbon Balance Formula“ eingesetzt werden kann, ohne dabei einen verfälschten Kraftstoffverbrauch zu erhalten. Das Verfahren sieht deshalb vor, dass zum Schließen auf den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors aus einem Kohlenstoffgehalt des Abgases eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen in dem Abgasstrang ermittelt wird und diese Veränderung bei der Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs berücksichtigt wird.
  • Dieses Verfahren kann insbesondere dann angewandt werden, wenn ein Kraftfahrzeug, das mittels des Verbrennungsmotors angetrieben wird, auf einem Rollenprüfstand untersucht wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass fälschlicherweise angenommen wird, dass Kraftfahrzeug würde Emissionsgrenzwerte verletzen.
  • Ein anderes Verfahren dient zum Modellieren von Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors. In diesem wird aus mindestens einem Parameter des Verbrennungsmotors auf einen Kohlenstoffgehalt des Abgases geschlossen. Der Parameter kann insbesondere eine Sollkraftstoffeinspritzmenge sein. Es ist vorgesehen, dass eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors ermittelt wird. Dadurch können die kohlenstoffhaltigen Emissionen wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid am Ende des Abgasstrangs genauer modelliert werden, als wenn die Effekte der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen nicht berücksichtigt würden.
  • Eine Art von Abgasnachbehandlungsvorrichtung, welche den Kohlenstoffgehalt des Abgases beeinflusst, ist ein Partikelfilter. Dieser speichert vorübergehend Rußpartikel aus dem Abgas und verringert auf diese Weise den Kohlenstoffgehalt des Abgases. Bei einer Regeneration des Partikelfilters wird ein Abbrennen der Rußpartikel auf dem Partikelfilter durchgeführt. Dadurch reagieren die Rußpartikel mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und werden dem Abgas wieder zugeführt, so dass der Kohlenstoffgehalt des Abgases steigt. Es ist deshalb bevorzugt, dass eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts durch einen Partikelfilter berücksichtigt wird, indem aus einem Partikelfilterbeladungsmodell ein Kohlenstoffäquivalent von im Partikelfilter zurückgehaltenen Partikeln ermittelt wird.
  • Eine weitere Art von Abgasnachbehandlungsvorrichtung, welche den Kohlenstoffgehalt des Abgases beeinflusst, ist ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction). Zum Betrieb des SCR-Katalysators ist es erforderlich, stromaufwärts des SCR-Katalysators eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang einzuspritzen. Der darin enthaltene Harnstoff reagiert bei der hohen Temperatur des Abgases mit dem Wasser der Lösung zu Ammoniak. Das Ammoniak wird im SCR-Katalysator dazu verwendet, um Stickoxide katalytisch zu Stickstoff zu reduzieren. Als weiteres Reaktionsprodukt der Ammoniakbildungsreaktion entsteht Kohlendioxid. Dieses erhöht den Kohlenstoffgehalt des Abgases. Deshalb ist es bevorzugt, dass eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts durch Eindosierung einer Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang berücksichtigt wird, indem aus einer Dosieranforderung und aus dem Harnstoffgehalt der Harnstoffwasserlösung ein Kohlenstoffäquivalent der eindosierten Harnstoffwasserlösung ermittelt wird.
  • Die Computerprogramme sind jeweils eingerichtet, jeden Schritt eines der Verfahrens durchzuführen, insbesondere sie auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät ablaufen. Sie ermöglichen die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen der Verfahren in Steuergeräten, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu sind sie auf den maschinenlesbaren Speichermedien gespeichert.
  • Durch Aufspielen eines Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalt, welches eingerichtet ist, einen Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors mittels des Verfahrens zu ermitteln oder Abgasemissionen des Verbrennungsmotors zu modellieren.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, dessen Kohlenstoffverbrauch mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt werden kann.
    • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs, der als Dieselmotor ausgeführt ist, ist in 1 dargestellt. Er weist einen Abgasstrang 11 auf, in dem hintereinander ein Partikelfilter 12 und ein SCR-Katalysator 13 angeordnet sind. Zwischen dem Partikelfilter 12 und dem SCR-Katalysator 13 ist ein Dosierventil 14 angeordnet, das eingerichtet ist, um eine Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang 11 einzuspritzen. In einem elektronischen Steuergerät 16 werden Dosieranforderungen an das Dosierventil 14 erfasst.
  • Das Kraftfahrzeug wird auf einem Rollenprüfstand untersucht. Dort ist ein Sensor am Ende des Abgasstrangs angeordnet. Er ist dazu eingerichtet, um den Massestrom an Kohlenstoffverbindungen, wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang 11 stromabwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 12, 13 zu messen.
  • Wie in 2 dargestellt ist, erfolgt nach dem Start 20 eines Ausführungsbeispiels des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens eine Ermittlung 21 eines Kohlenstoffgehalts Csens am Sensor. Dieser Wert entspricht nicht den Emissionen des Verbrennungsmotors 10. Stattdessen wird er durch den Partikelfilter 12 und das Dosierventil 14 beeinflusst. In einem Schritt 22 wird deshalb aus einem Partikelfilterbeladungsmodell ein Kohlenstoffäquivalent C12 von im Partikelfilter 12 zurückgehaltenen Rußpartikeln ermittelt. Das Partikelfilterbeladungsmodell verwendet Daten einer nicht dargestellten Sensorik, die einen Differenzdrucksensor aufweist.
  • Die mittels des Dosierventils 14 in den Abgasstrang 11 eindosierte Harnstofflösung, welche Harnstoff ((H2N)2CO) und Wasser (H2O) enthält, reagiert gemäß Formel 1 zu Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2): (H2N)2CO + H2O → 2 NH3 + CO2 (Formel 1)
  • Der Harnstoffgehalt der Harnstoffwasserlösung ist bekannt und beträgt bei einer kommerziell unter dem Namen AdBlue® erhältlichen Harnstoffwasserlösung 32,5%. Aus der Dosieranforderung und dem Harnstoffgehalt erfolgt eine Ermittlung 23 eines Kohlenstoffäquivalents C14 der eindosierten Harnstoffwasserlösu ng.
  • Nachdem diese Werte ermittelt und aus dem Kraftfahrzeug ausgelesen wurden, erfolgt eine Berechnung 24 des tatsächlichen Kohlenstoffgehalts Cges am Sensor. Hierzu wird die Formel 2 verwendet: C ges = C sens + C 12 − C 14
    Figure DE102018216057A1_0001
  • Da der Partikelfilter 12 Kohlenstoff zurückhält, wird das zurückgehaltene Kohlenstoffäquivalent C12 in der Formel 2 wieder addiert. Weil die Eindosierung von Harnstoff in den Abgasstrang 11 zusätzlichen Kohlenstoff in das Abgas einbringt, wird dessen Kohlenstoffäquivalent C14 in der Formel 2 wieder abgezogen. Wenn allerdings eine Regeneration des Partikelfilters 12 erfolgt, dann wird dem Abgas zusätzlicher Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid zugeführt. Um dies zu berücksichtigen, wird im Schritt 22 für das Kohlenstoffäquivalent C12 ein negativer Wert gesetzt.
  • Aus dem mittels Formel 2 berechneten Kohlenstoffgehalt Cges kann eine Berechnung 25 des Kraftstoffverbrauchs V des Verbrennungsmotors 10 mittels der „Carbon Balance Formula“ vorgenommen werden. Dann wird das Verfahren beendet 26. Mit dem so erhaltenen Kraftstoffverbrauch kann geprüft werden, ob das Kraftfahrzeug die gesetzlichen Vorgaben einhält.
  • Nach dem Start 30 eines Ausführungsbeispiels des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Modellierung 31 eines Rohwerts des Kohlenstoffgehalts Croh des Abgases stromabwärts des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des Partikelfilters 12. Diese Modellierung verwendet als Eingangsgröße die Sollkraftstoffeinspritzmenge m des Verbrennungsmotors 10. Dies ist in 3 dargestellt. In Schritt 32 wird deshalb aus einem Partikelfilterbeladungsmodell ein Kohlenstoffäquivalent C12 von im Partikelfilter 12 zurückgehaltenen Rußpartikeln ermittelt. Aus der Dosieranforderung und dem Harnstoffgehalt erfolgt eine Ermittlung 33 eines Kohlenstoffäquivalents C14 der eindosierten Harnstoffwasserlösung. Aus den so erhaltenen Werten erfolgt im Steuergerät 16 eine Berechnung 34 eines modifizierten modellierten Kohlenstoffgehalts Cmod stromabwärts des SCR-Katalysators 13 gemäß Formel 3: C mod = C roh − C 12 + C 14
    Figure DE102018216057A1_0002
  • Da der Partikelfilter 12 Kohlenstoff zurückhält, wird das zurückgehaltene Kohlenstoffäquivalent C12 in der Formel 3 vom Rohwert des Kohlenstoffgehalts Croh abgezogen. Weil die Eindosierung von Harnstoff in den Abgasstrang 11 zusätzlichen Kohlenstoff in das Abgas einbringt, wird dessen Kohlenstoffäquivalent C14 in der Formel 3 addiert.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Kraftstoffverbrauchs (V) eines Verbrennungsmotors (10), in dem aus einem Kohlenstoffgehalt (Cges) eines Abgases auf den Kraftstoffverbrauch (V) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts (Cges) durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen (12, 13) in einem Abgasstrang (11) des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird und bei der Ermittlung (25) des Kraftstoffverbrauchs (V) berücksichtigt wird.
  2. Verfahren zum Modellieren von Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors (10) in dem aus mindestens einem Parameter des Verbrennungsmotors auf einen Kohlenstoffgehalt (Cges) des Abgases geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts (Cges) durch Abgasnachbehandlungsvorrichtungen (12, 13) in einem Abgasstrang (11) des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Kohlenstoffgehalts (Cges) durch einen Partikelfilter (12) berücksichtigt wird, indem aus einem Partikelfilterbeladungsmodell ein Kohlenstoffäquivalent (C12) von im Partikelfilter (12) zurückgehaltenen Partikeln ermittelt wird (22, 32).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts (Cges) durch Eindosierung einer Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang (11) berücksichtigt wird, indem aus einer Dosieranforderung und einem Harnstoffgehalt der Harnstoffwasserlösung ein Kohlenstoffäquivalent (C14) der eindosierten Harnstoffwasserlösung ermittelt wird (23, 33).
  5. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
  6. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.
  7. Elektronisches Steuergerät (15), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 einen Kraftstoffverbrauch (V) eines Verbrennungsmotors (10) zu ermitteln oder Abgasemissionen des Verbrennungsmotors (10) zu modellieren.
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DE102008002476A1 (de) * 2008-06-17 2009-12-24 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Kraftstoffbestimmung

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Andreas Flohr: Konzept und Umsetzung einer Online-Messdatendiagnose an Motorprüfständen, Dissertation an der Technischen Universität Darmstadt, 2005 *
Konrad Reif (Hrsg.): Dieselmotor-Management. Wiesbaden : Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien, 2012 (5. Auflage). S. 368 bis 372. - ISBN 978-3-8348-1715-0 *

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