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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine, mit einer Kraftstoffeinspritzung, einem NOx-Sensor
und einer Lambdasonde.
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Bei
Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, wird die Bildung
der Schadstoffe im Abgas, insbesondere die Partikelkonzentration
und die NOx-Konzentration hauptsächlich
durch die Kraftstoff-Einspritzmenge, die Zylinderladung und eine
Abgasrückführung, sofern
vorhanden, bestimmt. Um die NOx-Emission zu senken und um damit
die Abgasgrenzwerte sicher einhalten zu können, wird beispielsweise eine
Abgasrückführung eingesetzt. Mit
der zurückgeführten Abgasmenge
wird die Sauerstoffkonzentration vermindert und die spezifische Wärmekapazität der Ladung
erhöht.
Beide Einflüsse senken
die Verbrennungsspitzentemperatur und führen daher zu einer Verringerung
der NOx-Emission. Nachteilig dabei ist jedoch, dass die Erhöhung der Abgasrückführrate die
Partikelemission ansteigen lässt.
Dieses Phänomen
ist bekannt und wird als NOx-Partikel-Trade-Off
bezeichnet.
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Für einen
emissionsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine muss also ein
Kompromiss für eine
NOx-Reduzierung bei geringem Anstieg der Partikelemission gesucht
werden. Um dies erreichen zu können
ist es erforderlich, betriebspunktabhängig den Sollwert der Abgasrückführrate exakt
einzustellen. Die tatsächliche
Abgasrückführrate kann
von der vorgegebenen Abgasrückführrate abweichen,
ohne dass dies von einem Luftmassenmesser mit ausreichender Genauigkeit
bemerkt und ausgeregelt werden kann. Die Ungenauigkeit der Einstellung
bei der Abgasrückführrate wirkt
sich in der Regelung global für
sämtliche
Zylinder aus. Die ungenaue Einstellung ergibt sich beispielsweise
aus den Unsicherheiten bei der Messung der ange saugten Luftmasse
durch den Luftmassenmesser und kann zur erhöhten NOx- und Partikel-Emission
führen.
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Bereits
geringe Abweichungen bei der Messung des Luftmassenstroms führen zu
großen
Abweichungen bei den Emissionswerten. Messungen haben gezeigt, dass
bei einer Toleranz des Luftmassenmessers von ±4% die NOx-Emission um bis
zu 27% (bei zu hohem Luftmassenstrom) und die Partikelemission um
bis zu 60% (bei zu geringem Luftmassenstrom) ansteigen.
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Neben
diesen Unsicherheiten im Luftpfad treten weitere Unsicherheiten
im Kraftstoffpfad auf, die sich ebenfalls negativ auf die Abgasemission
auswirken und nicht ausreichend genau diagnostiziert werden können. Beispielsweise
kann die eingespritzte Kraftstoffmenge vom vorgegebenen Sollwert
abweichen, wenn der Kraftstoffdruck nicht dem Sollwert entspricht,
was beispielsweise aufgrund von Messungenauigkeiten des Drucksensors
auftreten kann. Die Erhöhung
des Kraftstoffdrucks führt
zu einer erhöhten
Einspritzmenge, wodurch sowohl Partikelemission als auch NOx-Emission
erhöht
werden. Weiterhin tritt über
die Laufzeit eine Drift an den Einspritzventilen auf, die zu einer
Veränderung
der Einspritzmenge führt
und damit die Emissionswerte ändert.
Für die
einzelnen Zylinder ergeben sich Toleranzen bei einer individuellen
Steuerung der Einspritzmenge zusätzliche
durch die Einspritzventile. Damit die Emissionsgrenzwerte eingehalten
werden können,
werden hohe Anforderungen an die Bauteilstreuung auch über die
Lebensdauer gesetzt, was die Kosten für die Bauteilfertigung deutlich
erhöht.
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Aus
DE 101 53 901 A1 ist
ein Verfahren zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators
bekannt. Hierzu wird vorgeschlagen, während einer Aufheizphase durch
Beeinflussung einer Abgasrückführrate den
Lambdawert zu regeln und während
einer Wobble-Phase, mit alterierenden fetten und mageren Lambdawerten
durch Veränderung
einer eingespritzten Kraftstoffmenge an mindestens einem Zylinder
den Lambdawert zu regeln.
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Aus
DE 199 57 184 A1 ist
ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage bekannt, bei dem
ein Zweibett-Katalysatorsystem
vorgesehen ist, wobei zwischen den ersten und zweiten Katalysator Frischluft
gepumpt wird.
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Aus
DE 198 51 319 A1 ist
ein Verfahren zum Bestimmen der Nox-Rohemission bekannt, bei dem ausgehend
von einem im Schichtladebetrieb bestimmten Basiswert ein von der
Abgasrückführrate, der
Temperatur der Ansaugluft und der Stellung der Drosseleinrichtung
abhängiger
Korrekturfaktor zur Multiplikation mit dem Basiswert ermittelt wird.
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Aus
DE 101 55 929 A1 ist
ein Steuersystem für
einen Abgaszustrom zu einem NOx-Katalysator bekannt. Zur Maximierung
von Magerbetriebszeiten wird ein Istwert einer NOx-Rate mit einer
maximal zulässigen
Rate verglichen. Wird der maximal zulässige NOx-Pegel überschritten,
so wird der Anteil an rückgeführtem Abgas
erhöht,
das Luftkraftstoffverhältnis vergrößert und/oder
eine Verzögerung
in der Motoreinstellung eingeleitet.
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Aus
DE 100 23 079 A1 ist
ein Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regenration eines NOx-Speicherkatalysators
bekannt, bei dem Regenerationsparameter in Abhängigkeit von einem Katalysatorzustand
und einem Verhältnis
der Lambdawerte vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator festgelegt
werden. Hierzu werden Wertebereiche für die Lambdawerte und die Durchbruchsemission
festgelegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln
die Möglichkeit
schafft, die Brennkraftmaschine mit niedrigen Emissionswerten zu
betreiben, insbesondere im Hinblick auf die NOx-Emission und die
Partikelemission.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird in einem ersten Schritt ein Wert für die Luftzahl, sogenannter
Lambdawert, gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Der Sollwert
wird durch ein Lambda-Modell berechnet. In einem zweiten Schritt, der
auch gleichzeitig mit dem ersten Schritt erfolgen kann, wird ein
gemessener NOx-Wert mit einem Sollwert eines NOx-Modells verglichen. Das Lambda-Modell
und das NOx-Modell berechnen die jeweiligen Sollwerte für einen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Die Steuerung erfolgt nun
abhängig von
dem Vergleich. Erfindungsgemäß erfolgt
eine Änderung
der Mehrfacheinspritzung, wenn die Lambdaabweichung innerhalb eines
ersten Lambdabandes und die NOx-Abweichung ebenfalls innerhalb eines
ersten NOx-Bandes liegt. Mit anderen Worten bedeutet dies, zur Regelung
des Lambdawertes und der NOx-Emission
erfolgt ein Eingriff über
die Einspritzung, insbesondere über
das Einspritzmuster und die Menge an nacheingespritztem Kraftstoff, wenn
die Abweichung von dem Sollwert kleiner als ein erster Schwellenwert
und größer als
ein zweiter Schwellenwert ist. Erster und zweiter Schwellenwert bilden
jeweils ein Band von zulässigen
Werten um den Sollwert. Zusätzlich
zu dem ersten Band von Lambdawerten und NOx-Werten sind erfindungsgemäß zweite
Bänder
für Lambda-
und NOx-Werte definiert. Liegt die Abweichung der gemessenen Lambdawerte
und NOx-Werte innerhalb der zweiten Bänder, so folgt ein Eingriff über Änderungen
von Abgasrückführung, Frischluftzufuhr,
Einspritzmenge und/oder Ladedruck.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird also zur Optimierung von NOx- und Partikel-Emission abhängig von
den Werten für
die Abweichung auf unterschiedliche Eingriffsmöglichkeiten zurückgegriffen.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Eingriff über die
Einspritzung, insbesondere über
die Mehrfacheinspritzung, einen sehr effektiven An satz zur Reduzierung
der NOx- und der Partikelemission darstellt, der den bekannten NOx-Partikel-Trade-Off vermeidet.
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Eine
Mehrfacheinspritzung besteht aus mehreren Einzeleinspritzungen,
die jeweils definiert sind durch eine Einspritzmenge und ihre jeweilige
Einspritzzeit. Die Einspritzzeit umfasst hierbei den Einsetzzeitpunkt
der Einspritzung und die Einspritzdauer, die wiederum mit der Einspritzmenge
verknüpft ist.
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Bei
der Auswahl, ob ein Eingriff über
die Mehrfacheinspritzung erfolgt, sind die definierten ersten und
zweiten Bänder
für die
Lambda- und NOx-Werte bevorzugt disjunkt, besitzen also keine gemeinsamen
Werte.
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Zur Änderung
der Nacheinspritzung wird bevorzugt eine Menge an Kraftstoff nach
einer Haupteinspritzung eingespritzt oder die eingespritzte Menge
geändert,
wobei die Menge an nacheingespritztem Kraftstoff geringer als die
bei der Haupteinspritzung eingebrachte Kraftstoffmenge ist. Auch
ist es möglich,
dass der Haupteinspritzung eine oder mehrere Einspritzungen vorausgehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Menge an nacheingespritztem Kraftstoff derart gewählt, dass
die Emissionen ein Minimum annehmen. Bevorzugt wird hierbei die
Summe der Nox- und Partikel-Emissionen abgestellt, wobei die Summe auch
gewichtet sein kann. Diesem Verfahrensschritt liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass die Mehrfacheinspritzung eine Methode zur Verringerung
von Partikel- und NOx-Emission ist. Mit einer Änderung der Emission über die
Mehrfacheinspritzung, wird die Möglichkeit
geschaffen, einen Sollwert für
die NOx-Emission
einzustellen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgen die Änderungen, insbesondere die Änderungen
bei der Nacheinspritzung zylin derspezifisch. Auch ist es möglich, die Änderungen
für definierte
Gruppen von Zylindern oder bankweise vorzunehmen.
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Das
Modell für
die Lambda- bzw. NOx-Werte ergibt abhängig für den aktuellen Messwert, für den Betriebspunkt,
charakterisiert durch Drehzahl, Last, Temperatur und Einspritzung,
einen Lambda-Sollwert vor, der einer minimalen NOx-Emission und
einer minimalen Partikelemission entspricht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigt:
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1A, 1B die
Abhängigkeit
der Partikelemission von NOx-Emission
bzw. von dem Lambdawert bei einem Eingriff in die Abgasrückführrate,
Ansaugluftdrosselung, Einspritzmenge und/oder dem Ladedruck,
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2 ein
qualitatives Diagramm zur Abhängigkeit
von Partikel- und NOx-Emission bei Änderung der Mehrfacheinspritzung,
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3 die
Emission von NOx und Partikeln abhängig von einer nacheingespritzten
Kraftstoffmenge,
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4 ein
Flussdiagramm zur Lambda-Regelung,
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5 ein
Flussdiagramm zur NOx-Regelung und
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6 ein
Flussdiagramm zur Priorisierung der Eingriffe.
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1A zeigt
den Zusammenhang zwischen Partikel- und NOx-Emission für die Brennkraftmaschine. Eine
Erhöhung
der Abgasrückführrate und/oder
eine Drosselung der Ansaugluft und/oder eine Erhöhung der Einspritzmenge führen zur
Erhöhung
der Partikelmenge und einer Reduzierung der NOx-Emission. Entlang der
in 1A dargestellten Kurve 10 verschiebt
sich hierbei der beispielhaft dargestellte Arbeitspunkt 12 in
Richtung von B. Eine Verringerung der Abgasrückführrate und/oder eine Verringerung
der Ansaugluftdrosselung und/oder eine Verringerung der Einspritzmenge
und/oder der Verringerung des Ladedrucks bewegen den Arbeitspunkt 12 in
Richtung von A, was zu einer Erhöhung der
NOx-Emission und zu einer verringerten Partikelemission führt. Der
Arbeitspunkt 12 ist durch einen Lambda-Wert gekennzeichnet.
Ein vorgegebener Lambda-Sollwert führt also gemäß 1A zu
einem Sollwert 14 für
die NOx-Emission
und einen Sollwert 16 für
die Partikel-Emission. Der Arbeitspunkt 12 ist zusätzlich durch
die Drehzahl, Last, Temperatur und Einspritzung gekennzeichnet. 1B zeigt
die Einstellung des Sollwerts 16 für die Partikelemission über den
Lambdawert durch Lambda-Sollwert 15.
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2 zeigt
den qualitativen Zusammenhang zwischen NOx-Emission und Partikel-Emission im Kontext
der Nacheinspritzung. Während
durch die obengenannten Maßnahmen
der Abgasrückführung, Ansaugluftdrosselung
und Einspritzmenge der Arbeitspunkt 12 lediglich entlang
dem Doppelpfeil C verschoben werden kann, führt eine Mehrfacheinspritzung,
beispielsweise durch Nacheinspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge
zu einem neuen Arbeitspunkt 18. Es erfolgt hierbei eine
Verschiebung des Arbeitspunkts, die mit einer gleichzeitigen Reduzierung
von NOx-Emissionen und Partikel-Emissionen verbunden ist.
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Die
Wirkung der Nacheinspritzung ist in 3 noch einmal
zusammengefasst. Hier ist die Gesamtemission über der Menge an nacheingespritztem
Kraftstoff aufgetragen. Erfolgt keine Nacheinspritzung, die nacheingespritzte
Kraftstoffmenge entspricht 0, so liegt für die Emission ein Basiswert 20 vor.
Wird die Menge des nacheingespritzten Kraftstoffs erhöht, so fällt bis
zu einem Wert 22 die Gesamtemission. Mit Hinblick auf 2 bedeutet
dies, dass die Arbeitspunkte sich in Richtung des Pfeils D verschieben
und die Emissionswerte so wohl für
NOx als auch die Partikel-Emission vermindert werden.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm zur Regelung der Lambda-Werte. Nach einem Motorstart 24 erfolgt eine
Messung des Lambda-Werts 26.
Der gemessene Lambda-Wert wird an eine Auswerteeinheit 28 weitergeleitet,
die die zeitliche Veränderung
der Lambda-Werte berücksichtigt.
Ebenfalls wird der gemessene Lambda-Wert 26 zusammen mit
den aktuellen Motorbetriebsgrößen 30 an
ein Emissionsmodell 32 weitergeleitet. Das Emissionsmodell 32 bestimmt über ein
Lambda-Modell 34 die zeitliche Veränderung für den Lambda-Wert und dessen
absolute Größe. Das
Lambda-Modell 34 generiert einen Lambda-Modell-Sollwert 36,
der gemeinsam mit dem Lambda-Wert 38 an der Abfrage 40 anliegt.
In der Abfrage 40 wird überprüft, ob: SW1 < λ_Wert – λ_Modell_Soll < SW2,wobei
SW1 und SW2 zwei motorspezifische Schwellenwerte sind.
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Mit
der Abfrage 40 wird überprüft, ob die
Abweichung der Lambda-Werte innerhalb eines vorbestimmten Intervalls
liegen. Liegen die Werte außerhalb
des Intervalls, so erfolgt in Schritt 42 ein Eingriff, um
den aktuellen Lambda-Messwert auf den vorgegebenen Modellwert zu
regeln. Der Eingriff 42 beschränkt sich hierbei auf die Möglichkeiten
der Abgasrückführung, der
Ansaugluftdrosselung, den Eingriff über die Einspritzmenge und
den Ladedruck.
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So
lange das Kraftfahrzeug betrieben wird, kehrt das Verfahren zu Schritt 26 zurück, um erneut den
aktuellen Lambda-Wert zu messen. Erfolgt ein Signal für den Motorstop 44,
werden für
den späteren Betrieb
der Brennkraftmaschine die im Laufe des Verfahrens eingestellten
Werte gespeichert, um so eine Adaption über die Lebensdauer zu erzielen.
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5 zeigt
die NOx-Regelung. Nach einem Motorstart 48 erfolgt über einen
NOx-Sensor 50 eine NOx-Messung. Der gemessene Wert wird
in einer NOx-Auswerteeinheit 52 unter Berücksichtigung
seines zeitlichen Verlaufs verarbeitet, insbesondere geglättet. Ebenfalls
wird der gemessene NOx-Wert 50 an ein Emissionsmodell 54 weitergeleitet.
An dem Emissionsmodell 54 liegt zusätzlich ein Satz von Motorbetriebsgrößen 56 an.
Der von dem Emissionsmodell 54 ausgegebene Wert für den NOx-Sollwert wird in
Schritt 56 im Hinblick auf seinen zeitlichen Verlauf und
seinen absoluten Wert zu dem NOx-Modell-Sollwert 58 verarbeitet.
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Der
NOx-Wert 60 aus der NOx-Auswerteeinrichtung 52 und
der NOx-Modell-Sollwert werden in der Abfrage 62 miteinander
verglichen. Die Abfrage 62 überprüft, ob: SW3 < NOx-Wert – NOx-Modell-Sollwert < SW4,wobei
SW3 und SW4 motorspezifische Schwellenwerte sind. Liegt die Abweichung
nicht innerhalb des vorbestimmten Intervalls, so erfolgt in Schritt 64 ein Eingriff
zur Regelung der NOx-Emission.
Bei dem Eingriff 64 wird zusätzlich zu den bei der Lambda-Regelung
vorgesehenen Eingriffen 42 auch ein Eingriff in das Einspritzmuster,
d.h. die Anzahl der Einspritzungen und/oder die Einspritzzeitpunkte
vorgenommen. Nach dem Eingriff 64 kehrt das Verfahren wieder
zu seinem Ausgangspunkt zurück,
wo eine erneute NOx-Messung erfolgt.
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Bei
einem Motorstop 66 werden die adaptierten Werte abgespeichert.
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6 zeigt
nunmehr den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens näher. Das
erfindungsgemäße Verfahren
geht von einem gemeinsamen Lambda/NOx-Emissionsmodell 70 aus,
an dem die aktuellen Motorbetriebsgrößen 72, der gemessene Lambda-Wert 74 und
der gemessene NOx-Wert 76 anliegen. Aufgrund der im Zusammenhang
mit den 1A, B und 2 geschilderten
Zusammen hänge
zwischen NOx- und Partikel-Emission erfolgt in Modell 70 die
Berechnung einer Lambda-Abweichung Δλ und einer NOx-Abweichung ΔNOx. Bei
der Bestimmung der Abweichungen wird in Modell 70 der zu
erzielende optimale Wert vorgegeben.
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In
einer nachfolgenden Abfrage 73 wird überprüft, ob: SW5 < Δλ < SW6 und SW7 < ΔNOx < SW8,wobei
die Schwellenwerte SW5 bis SW8 zu einem oder mehreren der in Schritt 75 aufgelisteten
Eingriffe führt,
die die Abgasrückführrate,
die Ansaugluftdrosselung und die Einspritzmenge betreffen.
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Die
in dem Emissionsmodell 70 bestimmten Abweichungen werden
in der Abfrage 77 dahingehend überprüft, ob: SW9 < Δλ < SW10 und SW11 < ΔNOx < SW12,wobei
SW9 bis SW12 spezifische Schwellenwerte sind. Wird in der Abfrage 77 festgestellt,
dass die Abweichungen von Lambda und NOx innerhalb der Schwellenwertintervalle
liegen, so wird in Schritt 78 nachfolgend über das
Einspritzmuster eingegriffen, d.h. die Anzahl der Einspritzungen
sowie deren Zeitpunkt oder Menge an Kraftstoff bei den Einspritzmengen
wird geändert.
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Ergeben
die Abfragen 73 und 77, dass die Abweichungen
nicht innerhalb der Bänder
liegt, so wird über
Schritt 80 in an sich bekannter Weise eine Regelung durchgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht aus zwei Teilen: In einem ersten Teil wird über das Lambda-Signal
das Kraftstoff luftverhältnis
betrachtet, um damit in den Kraftstoff- und/oder Luftpfad so einzugreifen,
damit der globale/zylinderindividuelle Sollwert betriebspunktabhängig erreicht
wird.
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In
einem zweiten Teil erfolgt über
das NOx-Sensorsignal die Diagnose, Regelung und Adaption der Abgasrückführrate und
der Mehrfacheinspritzung im Hinblick auf niedrige Emission:
Mit
Kenntnis des Kraftstoff-Luftverhältnisses
kann eine globale- oder zylinderindividuelle Lambda-Regelung auf
einen emissionsoptimalen, betriebspunktabhängigen Sollwert durchgeführt werden.
In den Luftpfad wird also global eingegriffen. In einer Weiterentwicklung
ist es denkbar, dass eine bank- oder sogar zylinderindividuelle
Regelung auf bank- bzw. zylinderindividuelle Kraftstoffverhältnisse
durchgeführt wird.
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Weiterhin,
insbesondere wenn es um einen schnellen Eingriff in das Kraft-Luftverhältnis geht, kann
zuerst die Einspritzmenge so angepasst werden, dass der Sollwert
des globalen oder bank- oder zylinderindividuellen Kraftstoff-Luftverhältnis erreicht wird.
Dabei erfolgt der Eingriff über
die Einspritzung in der Regel global oder bank- oder zylinderindividuell
wie auch beim Eingriff in den Luftpfad.
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Die
Einspritzmengentoleranzen der Einspritzventile können durch zylinderindividuelle
Messungen des Kraftstoff-Luftverhältnisses selektiert und durch
Korrektur der Einspritzzeiten kann auf den Sollwert des zylinderindividuellen
Kraft-/Luftgemisches geregelt werden.
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Mit
der Kenntnis der NOx-Emission kann eine Diagnose von Abgasrückführrate und
Mehrfacheinspritzung im Hinblick auf die Sollwerte der Emission
vorgenommen werden. Auf den NOx-Sollwert kann direkt geregelt werden,
die Partikel-Emissionen werden über
die NOx-Partikel-Emissionszusammenhänge erfasst.
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An
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist wichtig, dass auf eine Lambda- und auf einen NOx-Sollwert
geregelt wird, indem Eingriffe in Abgasrückführung, Ansaugluftdrosselung,
Kraftstoffeinspritzmenge und Ladedruck erfolgen. Damit wird eine
Balance zwischen Partikel- und NOx-Emission erreicht.
Die Regelung auf den Lamdasollwert (4) und den
Nox-Sollwert (5) sind über die Modelle 34 und 57 gekoppelt.