DE102019123438A1

DE102019123438A1 - Verbrennungssteuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019123438A1
Application number: DE102019123438.7A
Authority: DE
Inventors: Joschka Schaub; Christian Jörg
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-11-21
Also published as: DE102018121900A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine und ein Steuergerät.Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine vor und umfasst die folgenden Schritte: Vorgabe einer Sollgröße (S10), Berechnung eines Wärmefreisetzungsprofils (S20) aus der Sollgröße, Berechnung eines Kraftstoffeinspritzprofils (S30) aus dem Wärmefreisetzungsprofil, Berechnung eines Bestromungsprofils (S40) für den Injektor aus dem Kraftstoffeinspritzprofil, Steuerung der Verbrennung (S50) durch Aktuierung des Injektors mit dem Bestromungsprofil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine und ein Steuergerät.
Aus der DE102017122127A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln von Kraftstoffeinspritzprofilen bekannt, so dass sich der Ist-Verbrennungsverlauf an den Soll-Verbrennungsverlauf annähert.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine vor und umfasst die folgenden Schritte: Vorgabe einer Sollgröße, Berechnung eines Wärmefreisetzungsprofils aus der Sollgröße, Berechnung eines Kraftstoffeinspritzprofils aus dem Wärmefreisetzungsprofil, Berechnung eines Bestromungsprofils für den Injektor aus dem Kraftstoffeinspritzprofil, Steuerung der Verbrennung durch Aktuierung des Injektors mit dem Bestromungsprofil.
Ein zentrales Ziel einer Verbrennungssteuerung einer Brennkraftmaschine ist die Reduktion von Emissionen wie Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenstoffdioxid und Geräusch. Dabei gilt es, den Kalibrieraufwand gering zu halten. Insbesondere bei der Nutzung mehrerer Einspritzungen oder komplexer Kraftstoffeinspritzprofile stellt dies eine Herausforderung dar. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil eines verringerten Kalibrieraufwands, indem unter Vorgabe einer Sollgröße ohne vorhergehende, umfangreiche Tabellierung ein Kraftstoffeinspritzprofil berechnet werden kann, das zur Steuerung der Verbrennung verwendet werden kann. Da die Sollgröße so gewählt werden kann, dass eine Zielgröße minimiert, maximiert oder auch optimiert werden kann, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin, die Verbrennung für unterschiedliche Anforderungen wie Emissions- oder Verbrauchsvorschriften steuern zu können.
Eine vorteilhafte erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Sollgröße ein Temperaturprofil vorgegeben wird. Unter einem Temperaturprofil wird hier ein Verlauf der Temperatur des Arbeitsfluids im Verbrennungszylinder in Abhängigkeit der Zeit oder des Kurbelwinkels verstanden. Nach Vorgabe des Temperaturprofils wird mittels einer Regelungseinrichtung ein Kraftstoffeinspritzprofil unter Berücksichtigung der motorischen Randbedingungen erzeugt. Durch die Vorgabe des Temperaturprofils zur Verbrennungssteuerung können die innermotorischen NO_x Emissionen gesenkt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Abgasnachbehandlungssystem nicht im optimalen Betriebszustand ist.
Das erfindungsgemäße Steuergerät ist derart eingerichtet, gemäß dem Verfahren die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine zu steuern.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine,
2 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, gemäß dem die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine gesteuert wird. Die Brennkraftmaschine ist dabei ein Dieselmotor. In einem ersten Schritt S10 erfolgt die Vorgabe einer Sollgröße, die die Charakterisierung eines gewünschten Verbrennungsverlaufs ermöglicht. Hier wird ein Temperaturprofil vorgeschrieben, also ein Verlauf der Temperatur des Arbeitsfluids in Abhängigkeit der Zeit oder des Kurbelwinkels. Basierend auf dem Temperaturprofil wird in Schritt S20, hier in diesem Ausführungsbeispiel über den 1. Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme, ein Wärmefreisetzungsprofil berechnet.
Aus dem Wärmefreisetzungsprofil wird in Schritt S30 durch ein invertiertes Wärmefreisetzungsmodell ein Kraftstoffeinspritzprofil berechnet. Hierbei werden Kraftstoff- und Injektoreigenschaften berücksichtigt. Abhängig vom Kraftstoff ändern sich Verdunstungs- und Zündeigenschaften und der Injektor definiert Limitierungen beispielsweise hinsichtlich der maximalen Anzahl an Einspritzungen pro Zyklus und des minimalen Abstands zwischen zwei Einspritzungen.
Für die Ansteuerung des Injektors wird in Schritt S40 aus dem Kraftstoffeinspritzprofil ein Bestromungsprofil berechnet. Mit dem Bestromungsprofil erfolgt schließlich die Aktuierung des Injektors S50.
2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem in Schritt S10 anstelle eines Temperaturprofils eine maximale Temperatur des Arbeitsfluids 2 als Sollwert vorgegeben wird. Durch die Begrenzung der mittleren Gastemperatur ergeben sich Vorteile hinsichtlich der innermotorischen Stickoxidbildung. So wird eine Temperaturbegrenzung eingeführt, mit der in einem Zwischenschritt S11 ein Temperaturprofil 3 berechnet wird, so dass die maximale Temperatur des Arbeitsfluids 2 nicht überschritten wird. Zur Berechnung des Temperaturprofils 3 wird ein qualitatives Temperaturprofil verwendet, das anhand der vorgegebenen maximalen Temperatur des Arbeitsfluids skaliert wird. Dies erfolgt unter Verwendung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik. Das qualitative Temperaturprofil kann entweder ebenfalls vorgegeben werden, beispielsweise über ein Kennfeld, oder auf Basis eines Vergleichsprozesses bestimmt werden. Hier wird der sogenannte α-Prozess verwendet. Der α-Prozess definiert für gegebene Anfangs- und Randbedingungen einen Druckverlauf im Arbeitszylinder. Mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik kann hieraus ein Temperaturverlauf berechnet werden. Dieser wird mittels der maximalen Temperatur 2 des Arbeitsfluids modifiziert. Mit dem modifizierten Temperaturverlauf wird dann der modifizierte Druckverlauf berechnet, so dass eine geringere Spitzentemperatur realisiert wird. Abhängig von der geforderten Genauigkeit wird diese Berechnung iterativ ausgeführt. Nach Vorgabe eines so geformten Soll-Temperaturverlaufes wird in Schritt S30 mittels einer Regelungseinrichtung ein entsprechendes Kraftstoffeinspritzprofil unter Berücksichtigung der motorischen Randbedingungen erzeugt, über das der Injektor nach Umrechnung in ein Bestromungsprofil S40 aktuiert wird S50.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorgabe der Sollgröße S10 betriebspunktabhängig aus einem vorkalibrierten Motorkennfeld. Damit kann die Verbrennung auch für unterschiedliche Betriebsmodi des Dieselmotors geeignet gesteuert werden. Hier wird die maximale Temperatur des Arbeitsfluids so gewählt, dass die innermotorischen NO_x Entstehungsbereiche umgangen werden und Grenzwerte für Stickoxidemissionen erfüllt werden. Alternativ kann die vorkalibrierte Sollgröße so gewählt werden, dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird, so dass der Kraftstoffverbrauch reduziert und somit minimale CO₂ Emissionen erreicht werden.
In einem vorgelagerten Schritt S01 wird vor der Vorgabe der Sollgröße S10 ein gewünschter Betriebsmodus ermittelt. So wird ein Kriterium definiert, anhand dessen eine Sollgröße ausgewählt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel basiert die Ermittlung des gewünschten Betriebsmodus S01 auf dem Zustand eines dem Dieselmotor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems. Hierfür wird der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems bestimmt. Dies kann beispielsweise durch eine Messung einer Temperatur, eines Drucks, eines Volumenstroms oder einer Spezieskonzentration an einer charakteristischen Stelle im Abgasnachbehandlungssystem oder in der Abgasleitung erfolgen. Hier werden zwei Szenarien betrachtet. Wenn keine effiziente Nachbehandlung von Stickoxiden möglich ist, weil das Abgasnachbehandlungssystem nicht ausreichend aufgeheizt ist oder eine Regeneration erforderlich ist, wird ein stickoxidgeführter Betriebsmodus genutzt. Das bedeutet, dass die Vorgabe der Sollgröße S10 beispielsweise so erfolgt, dass aus einem vorkalibrierten Kennfeld eine maximale Temperatur des Arbeitsfluids ausgelesen wird, so dass ein betriebspunktabhängiger Grenzwert für NO_x Emissionen nicht überschritten wird. Wenn hingegen der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems eine effiziente Nachbehandlung der Stickoxide erlaubt, wird ein wirkungsgradgeführter Betriebsmodus gewählt, indem die Vorgabe der Sollgröße S10 so erfolgt, dass ein möglichst großer Anteil der Kraftstoffenergie in Wärme umgesetzt wird.
Für die Vorgabe der Sollgröße S10 können auch andere Größen als die Temperatur des Arbeitsfluids verwendet werden. So könnten beispielsweise zylinderdruckbasierte Größen wie Spitzendruck, Druckverlauf oder Druckgradient vorgegeben werden. Aber auch weitere Größen wie Brennstoff-Luft-Verhältnis, Abgasrückführrate oder eingespritzte Kraftstoffmenge sind denkbar.
Auch bei der Ermittlung des gewünschten Betriebsmodus S01 können weitere Kriterien genutzt werden. Neben dem stickoxidgeführten Betrieb können analog andere Abgaskomponenten zur Ermittlung des gewünschten Betriebsmodus S01 verwendet werden. Aber auch die Abgastemperatur oder der Abgasdruck sind hierfür geeignete Größen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts (nicht gezeigt) ist derart eingerichtet, gemäß dem hier dargestellten Verfahren die Verbrennung des Dieselmotors zu steuern. Das Steuergerät ist vorzugsweise das Steuergerät eines Fahrzeuges zum Steuern eines Dieselmotors.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017122127 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine umfassend die folgenden Schritte: - Vorgabe einer Sollgröße (S10), - Berechnung eines Wärmefreisetzungsprofils (S20) aus der Sollgröße (S10), - Berechnung eines Kraftstoffeinspritzprofils (S30) aus dem Wärmefreisetzungsprofil (S20), - Berechnung eines Bestromungsprofils (S40) für den Injektor aus dem Kraftstoffeinspritzprofil, - Steuerung der Verbrennung durch Aktuierung des Injektors (S50) mit dem Bestromungsprofil.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Sollgröße ein Temperaturprofil vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Sollgröße eine Maximaltemperatur vorgegeben wird und wobei in einem Zwischenschritt (S11) aus der Maximaltemperatur ein Temperaturprofil berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorgabe der Sollgröße (S10) betriebspunktabhängig auf Basis eines Motorkennfelds erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorgabe der Sollgröße (S10) so erfolgt, dass Grenzwerte für Stickoxidemissionen erfüllt werden, so dass ein stickoxidgeführter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorgabe der Sollgröße so erfolgt, dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird, so dass ein wirkungsgradgeführter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine vorliegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche umfassend ein nachgeschaltetes Abgasnachbehandlungssystem, wobei vor der Vorgabe einer Sollgröße (S10) eine Ermittlung eines gewünschten Betriebsmodus (S01) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ermittlung des gewünschten Betriebsmodus (S01) auf dem Zustand des Abgasnachbehandlungssystems basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ermittlung des gewünschten Betriebsmodus (S01) so erfolgt, dass ein stickoxidgeführten Betriebsmodus genutzt wird, wenn der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems keine effiziente Nachbehandlung der Stickoxide erlaubt und ein wirkungsgradgeführter Betriebsmodus genutzt wird, wenn der Zustand des Abgasnachbehandlungssystems eine effiziente Nachbehandlung der Stickoxide erlaubt.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, das derart eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 die Verbrennung in der Brennkraftmaschine zu steuern.