DE112007001877T5

DE112007001877T5 - Verwenden eines Ionenstroms zur NOx-Messung in Brennräumen eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE112007001877T5
Application number: DE112007001877T
Authority: DE
Inventors: Naeim A Henein
Original assignee: Henein Naeim A Dr Grosse Pointe Shores
Current assignee: Henein Naeim A Dr Grosse Pointe Shores
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: US20080040020A1; GB2454402B; GB0902543D0; US7603226B2; KR101333538B1; JP5089696B2; WO2008022095A2; DE112007001877B4; GB2454402A; CN101501317B; KR20090040366A; CN101501317A; JP2010501053A; WO2008022095A3

Abstract

Verfahren zum Bestimmen von Stickoxid-(NO_x-)Emissionen in einem Brennraum eines Kompressionszündungsmotors, das die folgenden Schritte umfasst:
Empfangen eines Ionenstromsignals, das die Konzentration von Ionen in dem Brennraum anzeigt,
Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage einer abgeleiteten Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dieselmotoren und andere Kompressionszündungsmotoren werden dafür verwendet, leichte und schwere Fahrzeuge, Lokomotiven, Geländegeräte, Wasserfahrzeuge und viele industrielle Anwendungen anzutreiben. Regierungsverordnungen verlangen, dass die Motoren bei jeder dieser Anwendungen bestimmte Standards für die Abgasemissionen erfüllen. Gegenwärtig gibt es Emissionsstandards für die Stickoxide NO_x, Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Schwebstaub (particulate matter – PM). Regierungsbehörden und Industrie-Standardisierungsgruppen verringern im Bemühen, die Schadstoffe in der Umwelt zu verringern, die Menge an erlaubten Emissionen bei Dieselmotoren. Die Umweltemissionsverordnungen für diese Motoren werden strenger und schwieriger zu erfüllen, insbesondere für NO_x- und PM-Emissionen. Um sich dieser Herausforderung zu stellen, hat die Industrie viele Techniken zum Kontrollieren des Verbrennungsvorgangs im Zylinder entwickelt, zusätzlich zur Anwendung von Nachbehandlungsvorrichtungen, um die Abgase aus dem Motor zu behandeln und die Auspuffemissionen zu verringern. Die Emissionsziele für die Motoren neuer Herstellung sind sogar noch niedriger als die verordneten Emissionsstandards, um der zu erwartenden Verschlechterung der Ausrüstung während der Lebensdauer des Motors nach langen Betriebszeiträumen im Einsatzgebiet Rechnung zu tragen. Zum Beispiel verlangen die vorgeschlagenen Verordnungen für neue Hochleistungsmotoren zusätzliche Verringerungen der NO_x- und der Dieselpartikel-Emissionen von mehr als siebzig Prozent gegenüber bestehenden Emissionsgrenzen. Diese Emissionsverringerungen stellen auf Grund der mit den meisten Emissionsverringerungsstrategien verbundenen Abstimmungen von NO_x-Dieselpartikel-Emission und Kraftstoffeinsparung eine fortgesetzte Herausforderung für den Motorentwurf dar. Emissionsverringerungen sind eben falls für die im Einsatz befindlichen Straßen- und Geländeflotten erwünscht.
Herkömmlicherweise gibt es zwei Hauptformen von Hubkolben- oder Rotationsverbrennungskraftmaschinen. Diese Formen sind Diesel- und Funkenzündungsmotoren. Während diese Motorarten eine ähnliche Architektur und Arbeitsweisen haben, hat jede unterschiedliche Betriebseigenschaften, die sich erheblich voneinander unterscheiden. Der Dieselmotor steuert den Verbrennungsbeginn (start of combustion – SOC) durch die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung. Ein funkengezündeter Motor steuert den SOC durch die Zündpunkteinstellung. Im Ergebnis dessen gibt es wichtige Unterschiede bei den Vorzügen und Nachteilen von Diesel- und funkengezündeten Motoren. Der Hauptvorteil, den ein funkengezündeter Erdgas- oder Benzinmotor mit vorgemischter Ladung (wie beispielsweise Personenkraftwagen-Benzinmotoren und Magergemisch-Erdgasmotoren) gegenüber einem Dieselmotor hat, ist die Möglichkeit, niedrige NO_x- und Partikel-Emissionsniveaus zu erreichen. Der Hauptvorteil, den Dieselmotoren gegenüber funkengezündeten Motoren mit vorgemischter Ladung haben, ist der höhere thermische Wirkungsgrad.
Ein Grund für den höheren Wirkungsgrad von Dieselmotoren ist die Möglichkeit, höhere Verdichtungsverhältnisse zu verwenden als funkengezündete Motoren, da das Verdichtungsverhältnis bei funkengezündeten Motoren verhältnismäßig niedrig gehalten werden muss, um ein Klopfen zu vermeiden. Typische Dieselmotoren können jedoch nicht die sehr niedrigen NO_x- und Partikel-Emissionsniveaus erreichen, die mit funkengezündeten Motoren mit vorgemischter Ladung möglich sind. Auf Grund der mischungsgesteuerten Beschaffenheit der Dieselverbrennung liegt ein großer Teil des Kraftstoffs in einem sehr kraftstoffreichen Äquivalenzverhältnis vor, was bekanntermaßen zu Partikelemissionen führt. Ein zweiter Faktor ist, dass die Ver brennung in Dieselmotoren stattfindet, wenn der Kraftstoff und die Luft in einem nahezu stöchiometrischen Äquivalenzverhältnis vorliegen, was zu hohen Temperaturen führt. Die hohen Temperaturen wiederum verursachen höhere NO_x-Emissionen. Im Ergebnis dessen besteht ein dringender Bedarf, den Verbrennungsvorgang zu steuern, nicht nur, um die Motoremissionen zu verringern, sondern ebenfalls, um die Abgaszusammensetzung und -temperatur zu erzeugen, die den Betrieb der Nachbehandlungsvorrichtungen verbessern und ihre Wirksamkeit steigern würden.
Die Steuerung des Verbrennungsvorgangs im Zylinder kann durch Optimieren der Motorentwurfs- und Betriebsparameter erreicht werden. Die Motorentwurfsparameter schließen, ohne darauf begrenzt zu sein, das Motorverdichtungsverhältnis, das Hub-Bohrungsverhältnis, die Einspritzsystemgestaltung, die Brennraumgestaltung (z. B. Muldengestaltung, Wiedereintrittsgeometrie, Quetschfläche), die Gestaltung der Einlass- und Auslasskanäle, die Zahl der Einlass- und Auslassventile, die Ventileinstellung und die Turboladergeometrie ein. Für jeden spezifischen Motorentwurf können ebenfalls die Betriebsvariablen zu optimieren sein. Diese Variablen schließen, ohne darauf begrenzt zu sein, den Einspritzdruck, die Einspritzungseinstellung, die Zahl von Einspritzereignissen (Vor-, Haupt-, aufgeteilte Haupt-, Nacheinspritzung oder deren Kombinationen), Einspritzgeschwindigkeit bei jedem Ereignis, Dauer jedes Ereignisses, Verweilzeit zwischen den Einspritzereignissen, AGR-(Abgasrückführungs-)verhältnis, AGR-Kühlung, Drallzahl und Turbolader-Betriebsparameter ein.
Es sind viele Arten von Nachbehandlungsvorrichtungen entwickelt worden oder befinden sich noch in der Entwicklung, um die Motoremissionen, wie beispielsweise NO_x und PM, bei Dieselmotoren zu verringern. Die Wirksamkeit jeder der Nachbehandlungsvorrichtungen hängt hauptsächlich von den Abgaseigenschaften, wie beispielsweise Temperatur und Zusammensetzung, einschließlich des Verhältnisses zwischen den unterschiedlichen Arten, wie beispielsweise NO_x, Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoff (Ruß), ab. Hier hängen ebenfalls die Eigenschaften der Abgase hauptsächlich von dem Verbrennungsvorgang ab.
Die genaue Steuerung des Verbrennungsvorgangs in Dieselmotoren erfordert ein Rückmeldungssignal, das den Verbrennungsvorgang anzeigt. Gegenwärtig ist das am häufigsten berücksichtigte Signal der Zylindergasdruck, gemessen durch einen Quarzkristall-Drucksensor oder andere Arten von Drucksensoren. Die Verwendung der Zylinderdrucksensoren ist auf Laborumgebungen begrenzt und kann auf Grund ihrer hohen Kosten und begrenzten Lebensdauer unter tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht in dem Serienmotor verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Es wird hierin, unter anderem, ein kostengünstiger unmittelbarer Indikator von NO_x im Zylinder von Kompressionszündungsmotoren während des Verbrennungsvorgangs beschrieben, der keine oder geringfügige Modifikationen im Zylinderkopf erfordert und ein Signal abgibt, das dazu verwendet werden kann, den Verbrennungsvorgang und die Motorabgase, insbesondere NO_x, in Dieselmotoren und dergleichen zu steuern.
Bei einer Ausführungsform werden die in einem Brennraum eines Kompressionszündungsmotors während des Verbrennungsvorgangs gebildeten NO_x-Emissionen bestimmt durch Empfangen eines Ionenstromsignals, das die Konzentration von Ionen in dem Brennraum anzeigt, und Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage einer abgeleiteten Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen. Der Motor kann zum Teil auf der Grundlage der abgeleiteten NO_x-Emissionen gesteuert werden.
Die Beziehung wird abgeleitet durch Empfangen eines Ionenstromsignals von einem Ionenstromsensor und NO_x-Abgasemissionsdaten, gewonnen von einem NO_x-Emissionsmessgerät, Vergleichen des Ionenstromsignals mit den NO_x-Emissionsdaten und Passen einer Funktion durch die NO_x-Emissionsdaten und die Ionenstromdaten. Dies kann durch Erzeugen einer Aufzeichnung der NO_x-Emissionen in Abhängigkeit von der Ionenstromgröße und Passen einer Funktion durch die Aufzeichnung ausgeführt werden. Bei einer Ausführungsform ist die Funktion ein Volumenanteil an NO_x pro Einheit des Ionenstroms.
Die Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen und dem Ionenstrom wird bei einer Ausführungsform für jede Kammer des Kompressionszündungsmotors abgeleitet. Dies wird ausgeführt durch Empfangen eines Ionenstromsignals, das die Ionenkonzentration in jedem der Zylinder anzeigt, und von NO_x-Emissionsdaten und Ableiten der Beziehung, die bei einer Ausführungsform ein Volumenanteil an NO_x pro Einheit des Ionenstroms, der in dem einen der mehreren Zylinder fließt, ist. Es können andere Funktionen für die Beziehung abgeleitet werden. Für jeden Zylinder werden die Parameter für Kraftstoffeinspritzung, AGR-(Abgasrückführungs-)geschwindigkeit und andere auf der Grundlage der abgeleiteten NO_x-Emissionen in dem Zylinder, angezeigt durch den Ionenstrom, eingestellt.
Zusätzliche Merkmale und Vorzüge werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von illustrativen Ausführungsformen offensichtlich gemacht, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren fortfährt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil derselben bilden, illustrieren verschiedene Aspekte der hierin beschriebenen Technologien und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Technologien zu erläutern. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer repräsentativen Umgebung, in der die Techniken arbeiten können,
2 eine Blockdiagrammansicht eines Ionisierungsmoduls, innerhalb dessen die Techniken einbezogen sein können,
3 eine graphische Illustration von Verbrennungsdruck und Ionisierungsstrom in Abhängigkeit vom Motorkolben-Kurbelwinkel,
4 eine graphische Darstellung, die ein Beispiel einer Aufzeichnung der Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen, aufgezeichnet als Volumenanteil in Teilen pro Million, und dem Ionenstrom illustriert,
5 ein Ablaufdiagramm, das die zum Ableiten der Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen und dem Ionenstrom durchgeführten Schritte illustriert,
6 ein Blockdiagramm, das schematisch eine Ausführungsform der zum Ableiten der Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen und dem Ionenstrom verwendeten Komponenten illustriert,
7 ein Ablaufdiagramm, das die zum Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage eines Ionensignals während des Motorbetriebs durchgeführten Schritte illustriert,
8 ein Blockdiagramm, das schematisch eine Ausführungsform der zum Steuern eines Motors auf der Grund lage des Ionenstroms und der Motorbetriebsparameter verwendeten Komponenten illustriert, und
9 ein Blockdiagramm, das schematisch eine Ausführungsform der zum unabhängigen Eichen des Ionenstroms in Abhängigkeit von den NO_x-Emissionen in jedem Zylinder und zum unabhängigen Steuern jedes Zylinders verwendeten Komponenten illustriert.
Während die Techniken in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben werden, besteht keine Absicht, sie auf diese Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegenteil besteht die Absicht darin, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente als innerhalb des Geistes und des Rahmend der Erfindung eingeschlossen abzudecken, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Vorrichtung und das Verfahren, die hierin beschrieben werden, bestimmen die NO_x-Emissionen auf der Grundlage des Ionenstroms, der während des Verdichtungsvorgangs in Kompressionszündungsmotoren unterschiedlicher Gestaltungen erzeugt wird, während sie mit herkömmlichem, alternativem oder erneuerbarem Dieselkraftstoff laufen, ohne die Verwendung eines NO_x-Sensors im Zylinder oder eine NO_x-Messung im Auspuff zu erfordern.
Unter Bezugnahme zuerst auf 1 wird ein beispielhaftes System 100, in dem die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren arbeiten, gezeigt. Das System schließt ein Ionisierungsmodul 102, einen Treiber 104 und ein elektronisches Motorsteuergerät (ECU – electronic control unit) 106 und einen Dieselmotor ein. Das Ionisierungsmodul 102 kommuniziert mit dem ECU 106 und anderen Modulen zum Beispiel über den CAN – (Controller Area Network) Bus 108. Während das Ionisierungsmodul 102, der Treiber 104 und das Motorsteuergerät 106 gesondert gezeigt werden, ist zu erkennen, dass die Komponenten 102, 104, 106 zu einem einzigen Modul kombiniert sein oder ein Teil eines Motorsteuergeräts, das andere Eingänge und Ausgänge hat, sein können. Die Komponenten 102 und 106 schließen typischerweise eine Vielzahl von rechnerlesbaren Medien ein. Rechnerlesbare Medien können ein beliebiges verfügbares Medium sein, auf das durch die Komponenten 102, 106 zugegriffen werden kann, und schließen sowohl flüchtige als auch nichtflüchtige Speicher, sowohl entfernbare als auch nichtentfernbare Medien ein. Der Dieselmotor schließt Motorzylinder 110 ein, deren jeder einen Kolben, ein Einlassventil und ein Auslassventil (nicht gezeigt) hat. Ein Ansaugrohr steht durch das Einlassventil in Verbindung mit dem Zylinder 110. Ein Abgaskrümmer nimmt über ein Auslassventil Abgase aus dem Zylinder auf. Das Einlassventil und das Auslassventil können elektronisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch gesteuert oder über eine Nockenwelle gesteuert sein. Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 112 spritzt über eine Düse 114 Kraftstoff 116 in den Zylinder 110 ein. Der Kraftstoff kann herkömmlicher Kraftstoff auf Erdölgrundlage, alternative Kraftstoffe auf Erdölgrundlage, erneuerbare Kraftstoffe oder eine beliebige Kombination der obigen Kraftstoffe sein. Eine Ionensensorvorrichtung 118 wird dazu verwendet, den Ionenstrom abzufühlen, und kann ebenfalls dazu verwendet werden, bei Kaltstarts das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 120 des Zylinders 110 zu zünden. Alternativ dazu kann eine Glühkerze dazu verwendet werden, den Zylinder aufzuwärmen, um die Kaltstarteigenschaften des Motors zu verbessern und den Ionenstrom abzufühlen.
Die Ionensensorvorrichtung 118 hat zwei Elektroden, die elektrisch isoliert, mit Zwischenraum voneinander angeordnet und den Verbrennungsprodukten innerhalb des Zylinders von Dieselmotoren ausgesetzt sind. Sie kann die Form einer Zündkerze mit einer Mittelelektrode und einer oder mehreren Seitenelektroden, die mit Zwischenraum voneinander angeordnet sind, einer von dem Motorgehäuse isolierten Glühkerze, wobei die Glühkerze und das Motorgehäuse jeweils als eine Elektrode fungieren, eines kombinierten Plasmagenerators und Ionensensors usw. haben. Die Ionensensorvorrichtung 118 nimmt eine durch den Treiber 104 bereitgestellte elektrische Spannung zwischen den zwei Elektroden auf, was bewirkt, dass in der Gegenwart von Stickoxiden und anderen Verbrennungsprodukten, die sich zwischen den zwei Elektroden befinden, ein Strom zwischen den zwei Elektroden fließt. Der Treiber 104 liefert der Ionensensorvorrichtung 118 die Energie. Der Treiber 104 kann ebenfalls eine hochenergetische Entladung liefern, um den Ionensensor-Erfassungsbereich der Ionensensorvorrichtung 118 frei von Kraftstoffverunreinigung und Kohlenstoffaufbau zu halten. Während sie gesondert von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 112 gezeigt wird, kann die Ionensensorvorrichtung 118 mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 112 integriert sein.
Das Ionisierungsmodul enthält Schaltungen zum Erfassen und Analysieren des Ionisierungssignals. Bei der illustrierten Ausführungsform schließt das Ionisierungsmodul 102, wie in 2 gezeigt, ein Ionisierungssignal-Erfassungsmodul 130, einen Ionisierungssignalanalysator 132 und ein Ionisierungssignal-Steuerungsmodul 134 ein. Um die Konzentration von Ionen in einem Zylinder zu erfassen, liefert das Ionisierungsmodul 102 über das Ionisierungssignal-Erfassungsmodul 130 Energie an die Ionensensorvorrichtung 118. Der Ionisierungssignalanalysator 132 empfängt das Ionisierungssignal von dem Ionisierungssignal-Erfassungsmodul 130 und bestimmt die unterschiedlichen Verbrennungsparameter, wie beispielsweise den Verbrennungsbeginn und die Verbrennungsdauer. Das Ionisierungssignal-Steuerungsmodul 134 steuert den Ionisierungssignalanalysator 132 und das Ionisierungssignal-Erfassungsmodul 130.
Das Ionisierungssignal-Steuerungsmodul 134 liefert, wie weiter unten beschrieben, eine Anzeige an das Motor-ECU 106. Bei einer Ausführungsform sendet das Ionisierungsmodul 102 die Anzeige an andere Module in dem Motorsystem. Während das Ionisierungssignal-Erfassungsmodul 130, der Ionisierungssignalanalysator 132 und das Ionisierungssignal-Steuerungsmodul 134 gesondert gezeigt werden, ist zu erkennen, dass sie zu einem einzigen Modul kombiniert und/oder ein Teil eines Motorsteuergeräts, das andere Eingänge und Ausgänge hat, sein können. Unter Rückkehr zu 1 empfängt nun das ECU 106 eine Rückmeldung von dem Ionisierungsmodul und steuert die Kraftstoffeinspritzung 112 und kann andere Systeme, wie beispielsweise das Luftzufuhrsystem und das AGR-System, steuern, um eine verbesserte Motorleistung, eine bessere Kraftstoffeinsparung und/oder niedrige Abgasemissionen zu erreichen.
Das Ionenstromsignal kann mit dem Niveau der NO_x-Emission und dem Zylinderinnendruck, die während der Verbrennung erzeugt werden, korreliert werden. 3 zugewandt, wird nun ein Muster des Ionenstroms und des Gasdrucks, gemessen in einem der Zylinder eines turbogeladenen 2-l-4-Zylinder-Dieselmotors mit Direkteinspritzung, gezeigt. Die Betriebsbedingungen sind 75 Nm Drehmoment, 1 600 U/min, 40% AGR und eine gewählte Einspritzungseinstellung von 13° v. d. OT (vor dem oberen Totpunkt). Die Ionenstromaufzeichnung 140 zeigt zwei Spitzen, die nicht durch die Befunde bei Funkenzündungsmotoren erklärt werden können, wo die erste Spitze durch chemische Ionisierung in der Flammenfront verursacht wird, was bei Dieselmotoren nicht der Fall ist, und die zweite Spitze durch thermische Ionisierung verursacht wird. Die Gasdruckaufzeichnung 142 zeigt deutlich, dass die Selbstzündung mit einer kalten Flamme begann, die eine leichte Zunahme beim Zylindergasdruck verursachte. Es ist bekannt, dass die durch die kalte Flamme freigesetzte Energie ziemlich klein ist und eine geringfügige Zunahme bei der Verbrennungsgastemperatur verursacht. Es ist zu erwarten, dass die während dieses Zeitraums erzeugten Ionen eine ziemlich niedrige Konzentration haben. Am Ende der kalten Flamme beginnt der Ionenstrom bei ungefähr einem halben Kurbelwinkelgrad v. d. OT (Punkt 144) stark zuzunehmen.
Bei dem gezeigten Muster erreicht der Ionenstrom eine Spitze (Punkt 146) nach 3°KW (Kurbelwinkelgrad) von seinem Startpunkt. Bis zu diesem Punkt findet die Verbrennung in dem vorgemischten Verbrennungsanteil der Ladung statt. Die Menge der Ladung, die während dieses Zeitraums verbrannt wird, und der entsprechende Anstieg bei der Temperatur hängen von vielen Faktoren ab, einschließlich der Gesamtlängen der Zündverzögerung und der Kalte-Flammen-Phasen, der Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung und den Geschwindigkeiten der Kraftstoffverdampfung und des Vermischens mit dem frischen Sauerstoff in der Ladung. Der Ionenstrom erreicht eine ziemlich hohe Spitze bei etwa drei Kurbelwinkelgrad oder etwa 0,3 ms, wonach er abfiel, einen unteren Wert (Punkt 148) erreichte, begann, wieder mit einer langsameren Geschwindigkeit zuzunehmen, und eine zweite Spitze (Punkt 150) bei 10° n. d. OT (nach dem oberen Totpunkt) erreichte. Dies zeigt an, dass die Geschwindigkeit der Bildung der Ionen, die zu der zweiten Spitze führt, viel langsamer ist als bei der ersten Spitze. Die langsamere Geschwindigkeit der Bildung von Ionen, die zu der zweiten Spitze führt, kann auf die langsamere Geschwindigkeit des Vermischens des unverbrannten Kraftstoffs mit dem Rest der Ladung, den durch die Kolbenbewegung im Ausdehnungshub verursachten Abfall bei der Temperatur der Verbrennungsprodukte und auf die Zunahme bei den Kühlverlusten an die Zylinderwände zurückgeführt werden. Da die Ionisierung in der zweiten Spitze den gleichen Charakteristika folgt wie die mischungsgesteuerten und diffusionsgesteuerten Verbrennungsanteile, ist es vernünftig, der Ansicht zu sein, dass sie durch dieses Verbrennungsregime verursacht wird. Hier wird die Ioni sierung durch eine Kombination der chemischen Ionisierung und der thermischen Ionisierung verursacht. Anschließend an die zweite Spitze nimmt das Ionisierungssignal mit einer langsamen Geschwindigkeit ab, verursacht durch den allmählichen Abfall bei der Gastemperatur während des Ausdehnungshubs. In dieser Figur wurde die Ionisierung während etwa 30 bis 40 Kurbelwinkelgrad erfasst.
Die Geschwindigkeiten der Bildung sowohl der Ionen als auch der NO_x hängen von vielen Motorentwurfsparametern und den Eigenschaften des zum Betreiben des Motors verwendeten Kraftstoffs ab. Die Entwurfsparameter können von einem Motor zu einem anderen variieren und schließen, aber ohne darauf begrenzt zu sein, die folgenden ein: Verdichtungsverhältnis, Bohrung-Hub-Verhältnis, Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Brennraums, Gestaltung von Einlass- und Auslasskanälen und -ventilen, Ventileinstellung, Brennraumgestaltung, Entwurfsparameter des Einspritzsystems und Entwurfsparameter des Kühlsystems. Die Einspritzsystemparameter schließen, aber ohne darauf begrenzt zu sein, den Einspritzdruck, die Düsengeometrie, das Eindringen in den Brennraum, die Zahl der Düsenlöcher, deren Größe und Form und den eingeschlossenen Sprühwinkel ein. Die wichtigen Kraftstoffeigenschaften, die den Verbrennungsvorgang, die NO_x-Bildung und den Ionenstrom beeinflussen, schließen das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis, den Destillationsverlauf, die Flüchtigkeit und die Cetanzahl ein. Im Ergebnis dessen beeinflussen Variationen bei den Entwurfsparametern von einem Motor zu einem anderen und bei den Kraftstoffeigenschaften die Zylindergastemperatur und den Druck, die Gemischbildung und die Verteilung des Äquivalenzverhältnisses im Brennraum, was alles die Bildung von Ionen und NO_x beeinflusst.
Aus dem Vorstehenden ist zu ersehen, dass der Ionenstrom dazu verwendet werden kann, die NO_x zu bestimmen. Es ist ebenfalls zu sehen, dass das Ionenstrom signal in Bezug auf die NO_x-Emissionen bei jedem Motorenfabrikat und -typ und für jede der verwendeten Kraftstoffarten geeicht werden sollte. 4 zugewandt, wird nun ein Muster der Eichung eines Ionenstromsignals in einem Mehrzylindermotor gezeigt. 4 ist eine Aufzeichnung der NO_x-Motoremissionen (Volumenanteile in Teilen pro Million) in Abhängigkeit von der Summierung der Spitzen der Ionenströme, gemessen in den vier Zylindern bei 1 600 U/min, unter einer breiten Palette von Betriebsbedingungen: AGR: 40%, 45%, 50% und 55%; Drehmoment: 25 Nm, 50 Nm und 75 Nm; und die Einspritzeinstellung wurde, in Abhängigkeit von der Last und dem AGR-Prozentsatz, zwischen 11° v. d. OT und 25° v. d. OT variiert. Aus der Aufzeichnung ist deutlich zu ersehen, dass es eine Beziehung zwischen der Größe der Ionenstromspitzen und dem Niveau der NO_x-Emissionen gibt.
5 zugewandt, werden nun die Schritte zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Größe der Ionenstromspitzen und dem Niveau der NO_x-Emissionen gezeigt. Das Ionenstromsignal wird von einem Ionenstromsensor empfangen (Schritt 160). Die NO_x-Motoremissionen werden von einem standardmäßigen NO_x-Emissionsmessgerät empfangen (Schritt 162). Die NO_x-Emissionsdaten und das Ionenstromsignal werden verglichen (Schritt 164) und die Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen und dem Ionenstrom wird abgeleitet (Schritt 166). Die Beziehung kann abgeleitet werden durch Aufzeichnen der NO_x-Emissionen in Abhängigkeit von der Ionenstromgröße und Passen einer Funktion durch die Daten. Die Funktion kann eine lineare Linie, eine stückweise lineare Linie, eine Polynomfunktion, eine Exponentialfunktion usw. sein. Die Beziehung wird zu den entsprechenden Steuerungsmodulen, wie beispielsweise dem Ionisierungsmodul 104, dem ECU usw., übermittelt (Schritt 168).
6 zeigt eine Umsetzung der Eichung des Ionenstromsignals. Während des Betriebs des Motors 200 zieht das NO_x-Emissionsmessgerät 202 durch eine Probensonde 206 eine Probe der Abgase aus dem Abgaskrümmer 204 und bestimmt die NO_x-Emissionen und zeigt sie auf einer wahlweisen Anzeigeeinheit 208 an. Bei einer Ausführungsform werden die NO_x-Emissionen in Volumenanteilen in ppm (Teile pro Million) bestimmt. Das NO_x-Emissionsmessgerät 202 sendet die NO_x-Daten an das Eichmodul 210. Zu Illustrationszwecken wird das Eichmodul 210 als eine separate Komponente gezeigt. Das Eichmodul kann ein unabhängiges Modul, ein Teil des Ionisierungsmoduls 102 oder ein Teil des ECU 106 sein. Das Ionenstromsignal 212 wird durch die Ionensonde erzeugt, wobei deren Elektroden den Verbrennungsprodukten in dem Brennraum 120 des Motors ausgesetzt sind. Das Eichmodul 210 empfängt das Ionenstromsignal 212 und ein Signal von der Emissionsmesseinheit, die den Volumenanteil von NO_x in dem Abgas des Zylinders misst. Das Eichmodul 210 eicht das Ionenstromsignal 212 in Bezug auf die NO_x. Sobald das Ionensignal bei einer Betriebsbedingung geeicht ist, kann es über die gesamte Palette von Motordrehzahlen, Lasten und Betriebsarten verwendet werden. Die Ausgabe des Eichmoduls 210 ergibt die Beziehung zwischen den NO_x und dem Ionenstrom (z. B., den Volumenanteil von NO_x in ppm pro Einheit und den Ionenstrom), die in das ECU 106 eingespeist wird und bei der Steuerung des Motors verwendet wird. Das Eichmodul kann die Ausgabe ebenfalls in andere Module innerhalb der Betriebsumgebung einspeisen.
7 und 8 zugewandt, empfängt nun während des Betriebs das ECU 106 das Ionenstromsignal (Schritt 220), analysiert das Ionenstromsignal und bestimmt Verbrennungsschlüsselparameter, wie beispielsweise den Verbrennungsbeginn, die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung, die maximale Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung auf Grund des vorgemischten Verbrennungsanteils, die minimale Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung zwischen dem vorgemischten Verbrennungsanteil und dem mischungs- und diffusionsgesteuerten Verbrennungsanteil und die Geschwindigkeit des Abklingens der Wärmefreisetzung während des Ausdehnungshubs. Das ECU 106 ist dafür programmiert, auf der Grundlage dieser Informationen Signale an die unterschiedlichen Stellglieder zu entwickeln und alle Systeme im Motor zu steuern. Das ECU 106 bestimmt auf der Grundlage der abgeleiteten Beziehung über das Eichmodul 210 die NO_x-Emissionen (Schritt 222) und steuert in Verbindung mit den Motorbetriebsparametern 220 den Betrieb des Motors 200 (Schritt 224). Das ECU 106 kann den Motor steuern, um die NO_x-Emissionen auf ein Minimum zu verringern, die Abstimmung zwischen NO_x- und anderen Emissionen, wie beispielsweise Schwebstaub, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Aldehyde, zu verbessern. Das ECU 106 kann das geeichte Signal ebenfalls dazu verwenden, die Motorparameter zu steuern und die Motorleistungsabgabe zu steigern und seinen Wirkungsgrad zu verbessern. Das Ionenstromsignal 212 kann von einem Zylinder sein oder, als Alternative dazu, von der Summe der Ionenströme von allen Zylindern bei einem Mehrzylindermotor. Bei einer Ausführungsform ist eine Abgasprobensonde 206 im Krümmer eines der Zylinder angeordnet oder, als Alternative dazu, in der Position, wo alle Abgase aus den Zylindern zusammentreffen. Das Eichmodul 210 kann ebenfalls dazu verwendet werden, die Beziehung von NO_x-Emissionen und Ionnenstrom zu aktualisieren, wenn sich der Motor mit der Zeit verändert, wenn neue Komponenten hinzugefügt werden usw.
9 zugewandt, kann nun das ECU 106 jeden Zylinder des Motors 200 gesondert steuern. Das Ionensignal 212_x von jedem Zylinder wird durch das Eichmodul 210. geeicht (wobei x die Zylindernummer anzeigt) und in das ECU 106 eingespeist, das die Parameter für jeden der Zylinder unabhängig von den anderen Zylindern steuert. Das ECU 106 verwendet die Eichmodulausgabe dazu, die NO_x in dem entsprechenden Motorzylinder (z. B. Zylinder 1, Zylinder 2 usw.) zu bestimmen, und steuert in Verbindung mit den Betriebsparametern 240_x jedes Zylinders den Betrieb des spezifischen Zylinders. Während der Klarheit wegen eine Zahl x von Eichmodulen gezeigt wird, können die Eichmodule in einem einzigen Eichmodul, ein Teil des Ionisierungsmoduls, ein Teil des ECU 106 usw. sein. Das ECU 106 kann jeden Zylinder steuern, um für jeden Zylinder die NO_x-Emissionen auf ein Minimum zu verringern, die Abstimmung zwischen NO_x- und anderen Emissionen, wie beispielsweise Schwebstaub, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Aldehyde, zu verbessern. Das ECU 106 kann den gesamten Motor steuern, um die NO_x-Emissionen auf ein Minimum zu verringern, die Abstimmung zwischen NO_x- und anderen Emissionen, wie beispielsweise Schwebstaub, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Aldehyde, des gesamten Motors zu verbessern. Zum Beispiel kann die Leistung der Zylinder bei einem Mehrzylinder-Dieselmotor durch Einstellen der Kraftstoffeinspritzparameter in jedem Zylinder ausgeglichen werden. Ein solcher Ausgleich verbessert die Lastverteilung zwischen den Zylindern und verbessert den Betrieb die Kraftstoffeinsparung und die Motoremissionen des gesamten Motors.
Aus dem Vorstehenden ist zu ersehen, dass eine Beziehung zwischen den NO_x-Emissionen und den Ionenstromgrößen bestimmt und bei der Steuerung von Dieselmotoren verwendet werden kann. Der Ionenstrom wird mit gemessenen NO_x-Emissionen verglichen, um die Beziehung zu bestimmen. Danach wird die Beziehung während des Betriebs durch Bestimmen der NO_x-Emissionen aus dem gemessenen Ionenstrom verwendet.
Die Verwendung der Begriffe „ein" und „eine" und „der/die/das" und ähnlicher Verweise im Kontext des Beschreibens der Erfindung (insbesondere im Kontext der folgenden Ansprüche) sind dahingehend auszulegen, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural abdecken, wenn es hierin nicht anders angezeigt wird oder dem durch den Kontext eindeutig widersprochen wird. Die Begriffe „um fassend", „aufweisend", „einschließend" und „enthaltend" sind als erweiterbare Begriffe auszulegen (d. h., sie bedeuten „einschließlich, aber ohne darauf begrenzt zu sein"), wenn es nicht anders angemerkt wird. Das Darstellen von Bereichen von Werten ist nur dafür beabsichtigt, als ein Abkürzungsverfahren zu dienen, um sich einzeln auf jeden gesonderten Wert zu beziehen, der in den Bereich fällt, wenn es hierin nicht anders angezeigt wird, und jeder gesonderte Wert wird in die Beschreibung einbezogen als wäre er einzeln hierin dargestellt. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, wenn es hierin nicht anders angezeigt oder dem ansonsten durch den Kontext eindeutig widersprochen wird. Die Verwendung aller und jeglicher Beispiele oder einer exemplarischen Sprachweise (z. B. „wie beispielsweise"), die hierin bereitgestellt werden, soll ausschließlich die Erfindung besser erläutern und stellt keine Begrenzung für den Rahmen der Erfindung dar, wenn es nicht anders geltend gemacht wird. Keine Sprachweise in der Beschreibung sollte so ausgelegt werden, dass sie irgendein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Praxis der Erfindung anzeigt.
Es werden hierin bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, einschließlich des besten dem Erfinder bekannte Modus zum Ausführen der Erfindung. Variationen dieser bevorzugten Ausführungsformen mögen Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung offensichtlich werden. Der Erfinder erwartet, dass Fachleute solche Variationen, soweit angemessen, einsetzen, und der Erfinder beabsichtigt, dass die Erfindung anders praktiziert wird als es hierin spezifisch beschrieben ist. Dementsprechend schließt diese Erfindung alle Modifikationen und Äquivalente des in den hieran angefügten Ansprüchen dargestellten Gegenstandes ein, soweit es durch geltendes Recht erlaubt ist. Darüber hinaus wird jegliche Kombination der weiter oben be schriebenen Elemente in allen möglichen Variationen derselben durch die Erfindung umfasst, wenn es hierin nicht anders angezeigt wird oder dem durch den Kontext eindeutig widersprochen wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Technik vorgestellt, die einen Ionenstrom benutzt, um die Konzentration von Stickoxiden (NO_x), die in dem Brennraum/den Brennräumen von Dieselmotoren erzeugt werden, auf einer Grundlage Zyklus auf Zyklus während der Verbrennung von herkömmlichen Kraftstoffen auf Erdölgrundlage, anderen alternativen Kraftstoffen und erneuerbaren Kraftstoffen, zu bestimmen. Die Technik verwendet ein Ionenstrom-Messmittel, ein Eichmittel und ein Signalverarbeitungsmittel, verbunden mit dem Motorsteuergerät (ECU) Das Ionenstrom-Sensormittel ist in dem Brennraum/den Brennräumen des Motors angeordnet, um den während des Verbrennungsvorgangs erzeugten Ionenstrom zu messen. Das Eichmittel benutzt in dem Auslasskanal oder dem Krümmer des Motors gemessene NO_x-Werte, um das Ionenstromsignal zu eichen. Das geeichte Ionenstromsignal wird in einen Prozessor eingespeist, der mit dem ECU verbunden ist, um verschiedene Betriebsparameter einzustellen, um die Abstimmung zwischen den NO_x- und anderen Emissionen, Kraftstoffeinsparung und Leistungsabgabe zu verbessern.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Stickoxid-(NO_x-)Emissionen in einem Brennraum eines Kompressionszündungsmotors, das die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Ionenstromsignals, das die Konzentration von Ionen in dem Brennraum anzeigt, Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage einer abgeleiteten Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, den Kompressionszündungsmotor auf der Grundlage von Motorbetriebsparametern und der abgeleiteten NO_x-Emissionen zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, die abgeleitete Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen abzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt, die abgeleitete Beziehung abzuleiten, die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Ionenstromsignals von einem Ionenstromsensor, Empfangen von NO_x-Abgasemissionsdaten von einem Abgas-Emissionsmessgerät, Vergleichen des Ionenstromsignals mit den NO_x-Emissionsdaten und Passen einer Funktion durch die NO_x-Emissionsdaten und die Ionenstromdaten.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt, eine Funktion durch die NO_x-Emissionsdaten und das Ionenstromsignal zu passen, die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Aufzeichnung der NO_x-Emissionen in Abhängigkeit von der Ionenstromgröße und Passen einer Funktion durch die Aufzeichnung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt, die Funktion durch die Aufzeichnung zu passen, umfasst, entweder eine lineare Funktion oder eine stückweise lineare Funktion durch die Aufzeichnung zu passen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt, die Funktion durch die Aufzeichnung zu passen, umfasst, eine mathematische Funktion durch die Aufzeichnung zu passen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt, die Funktion einzupassen, umfasst, eine Funktion einzupassen, die ein Volumenanteil von NO_x pro Einheit des Ionenstroms ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt, die abgeleitete Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen abzuleiten, den Schritt umfasst, die abgeleitete Beziehung mit einem Eichmodul abzuleiten, das die NO_x-Emissionen von einem Abgas-Emissionsmessgerät empfängt und das Ionenstromsignal von einem Ionenstrom-Messmittel empfängt.
Rechnerlesbares Medium, das rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen der Schritte von Anspruch 1 aufweist.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 10, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, der umfasst, den Kompressionszündungsmotor auf der Grundlage von Motorbetriebsparametern und der abgeleiteten NO_x-Emissionen zu steuern.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 10, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, die abgeleitete Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen abzuleiten.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei der Schritt, die abgeleitete Beziehung abzuleiten, die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Ionenstromsignals von einem Ionenstromsensor, Empfangen von NO_x-Abgasemissionsdaten von einem Abgas-Emissionsmessgerät, Vergleichen des Ionenstromsignals mit den NO_x-Emissionsdaten und Passen einer Funktion durch die NO_x-Emissionsdaten und die Ionenstromdaten.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 13, wobei der Schritt, eine Funktion durch die NO_x-Emissionsdaten und das Ionenstromsignal zu passen, die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Aufzeichnung der NO_x-Emissionen in Abhängigkeit von der Ionenstromgröße und Passen einer Funktion durch die Aufzeichnung.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 14, wobei der Schritt, die Funktion durch die Aufzeichnung zu passen, umfasst, entweder eine lineare Funktion durch die Aufzeichnung, eine stückweise lineare Funktion durch die Aufzeichnung oder eine Form einer mathematischen Funktion durch die Aufzeichnung zu passen.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 13, wobei der Schritt, die Funktion einzupassen, umfasst, eine Funktion einzupassen, die ein Volumenanteil von NO_x pro Einheit des Ionenstroms ist.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei der Schritt, die abgeleitete Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen abzuleiten, den Schritt umfasst, die abgeleitete Beziehung mit einem Eichmodul abzuleiten, das die NO_x-Emissionen von einem Abgas-Emissionsmessgerät empfängt und das Ionenstromsignal von einem Ionenstrom-Messmittel empfängt.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 10, wobei der Kompressionszündungsmotor mehrere Brennräume hat, wobei das rechnerlesbare Medium ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen der Schritte aufweist, die Folgendes umfassen: für jeden der mehreren Brennräume Empfangen eines Ionenstromsignals, das eine Konzentration von Ionen innerhalb des einen der mehreren Brennräume anzeigt, Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage einer abgeleiteten Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen für jeden der mehreren Brennräume.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 18, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, der Folgendes umfasst: für jeden der mehreren Brennräume: Steuern wenigstens eines Motorparameters auf der Grundlage der aus dem Ionenstromsignal aus dem einen der mehreren Brennräume abgeleiteten NO_x-Emissionen.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 19, wobei der Schritt, wenigstens einen Motorparameter einzustellen, umfasst, wenigstens einen der Kraftstoffeinspritzparameter und wenigstens einen der Zylinderbetriebsparameter einzustellen.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 19, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, der Folgendes umfasst: für jeden der mehreren Brennräume Bestimmen einer Funktion, die ein Volumenanteil von NO_x pro Einheit des Ionenstroms ist, der in dem einen der mehreren Brennräume fließt.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 10, wobei der Kompressionszündungsmotor mehrere Brennräume hat, wobei das rechnerlesbare Medium ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen der Schritte aufweist, die Folgendes umfassen: für jeden der mehreren Brennräume Empfangen eines Ionenstromsignals, das eine Konzentration von Ionen innerhalb des einen der mehreren Brennräume anzeigt, Bestimmen der NO_x-Emissionen auf der Grundlage einer abgeleiteten Beziehung zwischen dem Ionenstromsignal und den NO_x-Emissionen für die mehreren Brennräume.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 22, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, der Folgendes umfasst: für jeden der mehreren Brennräume: Steuern wenigstens eines Motorparameters auf der Grundlage der aus dem Ionenstromsignal aus den mehreren Brennräumen abgeleiteten NO_x-Emissionen.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 23, wobei der Schritt, wenigstens einen Motorparameter einzustellen, umfasst, wenigstens einen der Kraftstoffeinspritzparameter und wenigstens einen der Zylinderbetriebsparameter einzustellen.
Rechnerlesbares Medium nach Anspruch 22, das ferner rechnerausführbare Anweisungen zum Ausführen des Schrittes aufweist, der Folgendes umfasst: für den gesamten Motor Bestimmen einer Funktion, die ein Volumenanteil von NO_x pro Einheit des Ionenstroms ist, der in den mehreren Brennräumen fließt.