EP1164286A2 - Verfahren zur Überwachung der verstärkten Bildung von Stickoxiden - Google Patents

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EP1164286A2
EP1164286A2 EP00127160A EP00127160A EP1164286A2 EP 1164286 A2 EP1164286 A2 EP 1164286A2 EP 00127160 A EP00127160 A EP 00127160A EP 00127160 A EP00127160 A EP 00127160A EP 1164286 A2 EP1164286 A2 EP 1164286A2
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EP
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combustion
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conductivity
during
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EP1164286A3 (de
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Joseph A. Engel
Henri M.A.F. Dufaux
Magnus P. Glavmo
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Delphi Technologies Inc
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    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
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    • F02D41/146—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the increased education of nitrogen oxides during the combustion of fossil fuels, in particular during combustion in a cylinder of an internal combustion engine.
  • This known method is used in particular in gasoline engines and in diesel engines in order to monitor the course of the individual combustion processes in the cylinder of the internal combustion engine and, if appropriate, to take suitable measures, such as by changing the injection timing, the amount of fuel injected or the course of the injection, to specifically control the further combustion processes influence. Furthermore, the known method is used to keep the temperatures arising during the combustion processes in a desired temperature range at which the increased formation of undesired exhaust gas components such as nitrogen oxides (NO x ) does not occur, the formation of which should be avoided for environmental reasons. It is observed in particular in internal combustion engines that from a temperature of approximately 2000 K, nitrogen oxides are increasingly produced in the cylinder during the combustion processes. After detecting the increased formation of undesired exhaust gas components, the temperature in the cylinder can be reduced using the measures described above.
  • NO x nitrogen oxides
  • the problem is that due to the excessive formation of nitrogen oxides released electrons, which due to their low mass also hike from more distant areas to the measuring device, the detected first Falsify conductivity values of the combustion gas, so that Measurement signal disturbed and thus an exact monitoring of the combustion processes is prevented.
  • the invention solves the problem by a method with the features according to claim 1 and in particular in that in the method a Follow the first conductivity values during a combustion process existing combustion gases is determined based on the negatively charged particles contained in the combustion gas are formed the sequence of first conductivity values with a sequence of second conductivity values is compared, based on positively charged particles has been formed, which in an at least approximately identical Boundary conditions occurred further combustion process in the combustion gas occur, and increased formation of nitrogen oxides is determined during combustion if the sequence is first Conductivity values and the sequence of second conductivity values during the Comparisons increasingly differ from one another.
  • the fact is specifically used that that with increasing combustion temperature in addition to the electrons contained in the combustion gas the content of negatively charged Nitrogen and oxygen ions compared to the positive content charged ions, such as hydrogen ions, disproportionately increases.
  • This has the consequence that at low temperatures in the combustion gas at least approximately a balance between the salary of negatively charged particles and the content of positively charged Particle.
  • With increasing combustion temperature decreases a temperature value of about 2000 K due to the sudden splitting of nitrogen molecules and oxygen molecules the content of negative charged particles in the combustion gas, while the proportion of positive charged particles in the combustion gas remains approximately constant or possibly even decreases.
  • the method according to the invention now proposes a sequence of first conductivity values of the one present during a combustion process Determine combustion gas based on that in the combustion gas contained negatively charged particles is formed. This episode first conductivity values is followed by a sequence of second conductivity values compared, which was formed based on positively charged particles which has been in an at least approximately identical Boundary conditions occurred further combustion process in the combustion gas occur.
  • first conductivity values is followed by a sequence of second conductivity values compared, which was formed based on positively charged particles which has been in an at least approximately identical Boundary conditions occurred further combustion process in the combustion gas occur.
  • the formation of nitrogen oxides becomes the two consequences of the conductivity values compared with each other. Differentiate at low temperatures the conductivity values of the two sequences from the aforementioned For reasons that are at most insignificant, so that one desired balance between the positively charged particles and the negatively charged particles in the combustion gas are assumed can.
  • the consequence of two conductivity values during the further combustion process to be determined by those contained in the combustion gas positively charged particles can be detected.
  • This has the advantage that the actually occurring conditions during the further combustion process can be recorded and for comparison with the Following the first conductivity values.
  • the consequence of second Conductivity values are preferably during a combustion process detected, either before or after the combustion process, at which the sequence of first conductivity values is determined.
  • the sequence of two conductivity values from a series of stored ones Select sequences of second conductivity values.
  • the selection is made in Dependence on the boundary conditions of the combustion process, during which the sequence of first conductivity values is determined. So be in internal combustion engines, for example, the boundary conditions amount of fuel injected, the injection duration, the course of the injection, the crankshaft angle or the ignition timing is used.
  • the consequence of the second conductivity value is both current by detecting the positively charged ions in the combustion gas as well as the consequence of two conductivity values from a multitude select stored second conductivity values so that the method for example with boundary conditions of the observed combustion process, which is a current determination of the sequence of two conductivity values make it more difficult to access the stored second conductivity values can be.
  • the stored second conductivity values are based on empirical Evaluations determined. Another option is the stored second conductivity values at least partially Approximation from the amount of fuel injected, from the injection duration and / or to determine from the injection course, so that the required Memory for the second conductivity values to be saved is comparatively small.
  • the stored second conductivity values are proposed additionally by suitable algorithms to the boundary conditions to adjust the actual combustion process arithmetically.
  • a preferred embodiment is used to determine the reinforced Formation of nitrogen oxides to compare the difference between each two conductivity values of the two sequences are formed and one is increased Formation of nitrogen oxides is taken for granted if the Differences between the two conductivity values compared in the following of the two episodes remain at least constant or if necessary grow.
  • Another way to determine the increased formation of nitrogen oxides is to compare the two episodes the first and second conductivity values curves related to the Form time, which are then compared.
  • the comparison is preferably done by calculating the area of the two Curves and by subtracting the areas from each other, whereby the amount of nitrogen oxides produced can be determined indirectly can.
  • This process increases the formation of nitrogen oxides then determined when the area difference calculated by subtraction a predetermined maximum value between the areas of the curves exceeds.
  • the measuring device can determine the proportion of in the combustion gas capture negatively charged particles.
  • the use of a measuring device is proposed on the a negative electrical voltage is applied, so that positively charged Particles in the combustion gas influence the signal from the measuring device can.
  • the spark plug is used as a gasoline engine Measuring device used by the conductivity of the combustion gas in the spark gap between the center electrode and the ground electrode is detected in order to determine the sequence of first conductivity values.
  • the Sequence of second conductivity values is determined by looking at the spark plug a negative voltage is applied and the conductivity of the combustion gas is detected in the spark gap.
  • the glow plug protruding into the cylinder as a measuring device be used.
  • the conductivity of the between the Glow plug and the inner wall of the cylinder located combustion gas by applying a positive or a negative electrical Voltage detected.
  • a separate measuring device in the cylinder of the internal combustion engine protrude to the conductivity of the To determine combustion gas.
  • the inventive Process used in a diesel engine To measure the conductivity of the combustion gas in the cylinder becomes a Glow plug of the respective cylinder of the diesel engine is used.
  • the Glow plug of the respective cylinder is in with a reference resistance Series connected and conductively connected to the inner wall of the cylinder.
  • Particles are attached to the glow plug during part of the compression stroke and part of the working stroke is applied with a positive voltage. Due to the negative arising during the combustion process charged particles changes the conductivity of the combustion gas between the glow plug and the inner wall of the cylinder the voltage drop across the reference resistor changes, which is measured and is strengthened for evaluation.
  • the different voltage values are stored in a memory as a result of the first conductivity values.
  • a positive measurement signal curve is shown as an example in FIGS 10, which related to the change in the first conductivity values points to the crank shaft angle.
  • a negative measurement signal curve 12 is referred to in FIG. 1 as an example shown on the crankshaft angle.
  • the invention according to the invention is described below with reference to FIG. 1 Procedure explained in more detail.
  • the two measurement signal curves 10 and 12 show a value of approximately 0 volts.
  • TDC of the piston From a crankshaft angle of approximately 20 ° before top dead center TDC of the piston begins the engine control of the diesel engine a pre-injection with a small amount of diesel fuel in the Cylinder is injected to the inside of the cylinder before the actual one Main injection to warm up. This can be seen in the two measurement curves 10 and 12 due to the small signal fluctuations 14 in the signal curve.
  • the positive measurement signal curve 10 and negative measurement signal curve 12 except for minor deviations at least almost identical. Now the temperature of 2000 K, at which one increased formation of nitrogen oxides occurs, would not be reached, the positive Measurement signal curve 10 approximately the course of the negative measurement signal curve 12 show how it can be seen in FIG. 1, and finally to about 0 volts sink.
  • the negative measurement signal curve 12 rises to only one Value of approximately 2.2 volts, as shown by the second signal peak 22. Then the negative measurement signal curve 12 falls to form a third signal peak 26 with a value of approximately 1.2 volts at a crankshaft angle of about -15 ° based on the top dead center OT of Piston gently until it reaches a crankshaft angle of around -40 ° to the top dead center of the piston likewise at least approximately 0 volts reached.
  • the course of the measurement signal curves 10 and 12 is assumed, in which the temperature was less than 2000 K in the cylinder and consequently no increased formation of nitrogen oxides occurred.
  • the two measurement signal curves 10 and 12 related to the relevant crankshaft angle range from -10 ° to -40 ° integrated at the top dead center of the piston.
  • the calculated here Subsequently, areas are subtracted from each other and the resulting area difference, which is shown hatched in Fig. 1 is compared with a maximum permissible area difference. Is the calculated Area difference above the maximum permissible value is one increased formation of nitrogen oxides. However, the calculated area difference lies below the specified maximum permissible value an increased formation of nitrogen oxides cannot be demonstrated.
  • the two previously described measurement signal curves 10 and 12 were at immediately consecutive combustion processes in the cylinder of the diesel engine at a speed of about 1000 revolutions per minute recorded so that a direct comparison between the two measurement signal curves 10 and 12 is possible.
  • the determination is the negative measurement signal curve 12 either not useful or not possible.
  • the inventive Method also proposed, additionally in the memory of the engine control to store a large number of second conductivity values that were previously determined with the help of test engines, empirical methods or the like were. 2 shows a negative reference curve 30 which is based on such stored second conductivity values based.
  • the reference curve too 30 shows at a crankshaft angle of about 14 ° before top dead center OT of the piston a first signal peak 32, which then drops again and at a crankshaft angle of about -2 ° after the top dead center OT of the piston, forming a second signal peak 34 rises again.
  • the second signal peak 34 then falls a crankshaft angle of about -7 ° after the top dead center OT of Piston starting to form a straight line until finally at one Crankshaft angle of about -40 ° shows at least approximately 0 volts.
  • the Reference curve 30 was based on the negative measurement signal curve 12 is created and is used in the same way to determine a possible increased formation of nitrogen oxides together with the positive measurement signal curve 10 used.
  • the course of the positive measurement signal curve 10 can either at least approximately the course of the reference curve 30 correspond, indicating that no increased formation of Nitrogen oxides has occurred. Or the course of the positive measurement signal curve 10 shows a clear deviation from the course of the reference curve 30, which can be seen as an indication of an increased formation of nitrogen oxides.
  • the result of this Verification for various functions to be processed. So the result of the evaluation can be used for diagnostic purposes, for example to indicate that despite the predefined Injection quantity of fuel, the injection duration and the injection timing a deviation from the theoretically assumed conductivity of the combustion gas and thus of the proportion of nitrogen oxides in the Exhaust gas is present. Furthermore, the evaluation can be compared with a signal be seen that the motor control from the flow direction Lambda probe arranged after the catalyst. To step For example, during combustion, nitrogen oxides increase and if these are not adequately catalyzed by the catalyst, this is detected by the lambda probe and can be an indication of the presence malfunction of the catalytic converter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der verstärkten Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere während der Verbrennung im Zylinder eines Verbrennungsmotors. Hierzu wird eine Folge erster Leitfähigkeitswerte auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativen Teilchen gebildet und anschließend mit einer Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen, die auf Grundlage positiv geladener Teilchen im Verbrennungsgas gebildet worden ist. Eine verstärkte Bildung von Stickoxiden wird dann festgestellt, wenn die Folge erster Leitfähigkeitswerte und die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte während des Vergleiches zunehmend voneinander abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der verstärkten Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere während der Verbrennung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors.
Es ist bekannt, mit Hilfe des sogenannten Ionenstrom-Meßverfahrens den Verbrennungsablauf während der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu überwachen. Hierzu wird in dem Verfahrensraum, in dem die Verbrennung der fossilen Brennstoffe stattfindet, eine Meßeinrichtung angeordnet, an der während eines üblicherweise zeitlich begrenzten Verbrennungsvorganges eine positive elektrische Spannung angelegt wird. Durch die Verbrennung entstehen im Verbrennungsgas, d.h. in dem Gemisch aus verbranntem und unverbranntem Brennstoff, negativ geladene Teilchen und positiv geladene Teilchen. Mit Hilfe der Meßeinrichtung können die im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen, wie Elektronen und negativ geladene Moleküle, erfaßt und auf diese Weise die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases bestimmt werden. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Folge erster Leitfähigkeitswerte über einen vorgegebenen Zeitraum erfaßt, die anschließend zur Beurteilung des Ablaufes des überwachten Verbrennungsvorganges ausgewertet wird. Dieses bekannte Verfahren eignet sich unter anderem zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge in Heizanlagen, Gasboilern oder auch Verbrennungsmotoren.
Insbesondere bei Benzinmotoren und bei Dieselmotoren wird dieses bekannte Verfahren eingesetzt, um den Ablauf der einzelnen Verbrennungsvorgänge im Zylinder des Verbrennungsmotors zu überwachen und gegebenenfalls durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise durch die Veränderung des Einspritzzeitpunktes, der eingespritzten Kraftstoffmenge oder des Einspritzverlaufes, die weiteren Verbrennungsvorgänge gezielt zu beeinflussen. Des weiteren wird das bekannte Verfahren dazu verwendet, die während der Verbrennungsvorgänge entstehenden Temperaturen in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten, bei dem die verstärkte Bildung von unerwünschten Abgaskomponenten wie Stickoxiden (NOx) nicht auftritt, deren Bildung aus Umweltschutzgründen vermieden werden soll. So wird insbesondere bei Verbrennungsmotoren beobachtet, daß ab einer Temperatur von etwa 2000 K während der Verbrennungsvorgänge im Zylinder verstärkt Stickoxide entstehen. Nach Erfassen der verstärkten Bildung von unerwünschten Abgaskomponenten kann mit Hilfe der zuvor beschriebenen Maßnahmen die Temperatur im Zylinder reduziert werden.
Insbesondere bei der Verwendung des bekannten Meßverfahrens zur Bestimmung einer verstärkten Bildung von Stickoxiden im Verbrennungsgas besteht das Problem, daß die durch die übermäßige Bildung von Stickoxiden freiwerdenden Elektronen, die aufgrund ihrer geringen Masse auch aus entfernteren Bereichen zur Meßeinrichtung wandern, die erfaßten ersten Leitfähigkeitswerte des Verbrennungsgases verfälschen, so daß das Meßsignal gestört und somit eine exakte Überwachung der Verbrennungsvorgänge verhindert ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung der verstärkten Bildung von Stickoxiden anzugeben, das eine verglichen mit den bekannten Verfahren bessere Auswertgenauigkeit zeigt.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und insbesondere dadurch, daß bei dem Verfahren eine Folge erster Leitfähigkeitswerte der während eines Verbrennungsvorganges vorliegenden Verbrennungsgase bestimmt wird, die auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen gebildet wird, die Folge erster Leitfähigkeitswerte mit einer Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen wird, die auf Grundlage positiv geladener Teilchen gebildet worden ist, welche in einem unter zumindest annähernd identischen Randbedingungen erfolgten weiteren Verbrennungsvorgang im Verbrennungsgas auftreten, und eine verstärkte Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung dann festgestellt wird, wenn die Folge erster Leitfähigkeitswerte und die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte während des Vergleiches zunehmend voneinander abweichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gezielt die Tatsache ausgenutzt, daß mit zunehmender Verbrennungstemperatur zusätzlich zu den im Verbrennungsgas enthaltenen Elektronen der Gehalt an negativ geladenen Stickstoff- und Sauerstoffionen im Vergleich zu dem Gehalt an positiv geladenen Ionen, wie beispielsweise Wasserstoffionen, überproportional zunimmt. Dies hat zur Folge, daß bei niedrigen Temperaturen im Verbrennungsgas zumindest annähernd ein Gleichgewicht zwischen dem Gehalt an negativ geladenen Teilchen und dem Gehalt an positiv geladenen Teilchen besteht. Bei zunehmender Verbrennungstemperatur nimmt ab einem Temperaturwert von etwa 2000 K durch die plötzliche Aufspaltung von Stickstoffmolekülen und Sauerstoffmolekülen der Gehalt an negativ geladenen Teilchen im Verbrennungsgas zu, während der Anteil an positiv geladenen Teilchen im Verbrennungsgas in etwa konstant bleibt oder gegebenenfalls sogar abnimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt nun vor, eine Folge erster Leitfähigkeitswerte des während eines Verbrennungsvorganges vorliegenden Verbrennungsgases zu bestimmen, die auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen gebildet wird. Diese Folge erster Leitfähigkeitswerte wird mit einer Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen, die auf Grundlage positiv geladener Teilchen gebildet worden ist, welche in einem unter zumindest annähernd identischen Randbedingungen erfolgten weiteren Verbrennungsvorgang im Verbrennungsgas auftreten. Zur Feststellung einer eventuell vorliegenden, verstärkten Bildung von Stickoxiden werden die beiden Folgen der Leitfähigkeitswerte miteinander verglichen. Bei niedrigen Temperaturen unterscheiden sich die Leitfähigkeitswerte der beiden Folgen aus den zuvor genannten Gründen allenfalls unwesentlich voneinander, so daß von einem gewünschten Gleichgewicht zwischen den positiv geladenen Teilchen und den negativ geladenen Teilchen im Verbrennungsgas ausgegangen werden kann. Sobald jedoch im Verbrennungsvorgang Temperaturen von 2000 K und mehr erreicht werden, kommt es schlagartig zu einer verstärkten Bildung negativ geladener Ionen, die die auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen bestimmten ersten Leitfähigkeitswerte ansteigen läßt, während die auf Grundlage positiv geladener Teilchen gebildete Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen mit der Folge erster Leitfähigkeitswerte abnimmt. Sobald es zu einer deutlichen Abweichung der Folge zweiter Leitfähigkeitswerte von der Folge erster Leitfähigkeitswerte kommt, ist dies als Hinweis auf eine verstärkte Bildung von Stickoxiden zu werten.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung, sowie den Unteransprüchen.
So wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte während des weiteren Verbrennungsvorganges zu bestimmen, indem die im Verbrennungsgas enthaltenen positiv geladenen Teilchen erfaßt werden. Dies hat den Vorteil, daß die tatsächlich auftretenden Bedingungen während des weiteren Verbrennungsvorganges erfaßt werden können und zum Vergleich mit der Folge erster Leitfähigkeitswerte herangezogen werden. Die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte wird vorzugsweise während eines Verbrennungsvorganges erfaßt, der entweder vor oder nach dem Verbrennungsvorgang, bei dem die Folge erster Leitfähigkeitswerte bestimmt wird, auftritt.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird vorgeschlagen, die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte aus einer Reihe gespeicherter Folgen zweiter Leitfähigkeitswerte auszuwählen. Die Auswahl erfolgt in Abhängigkeit von den Randbedingungen des Verbrennungsvorganges, während dem die Folge erster Leitfähigkeitswerte bestimmt wird. So werden bei Verbrennungsmotoren als Randbedingungen beispielsweise die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Einspritzdauer, der Verlauf der Einspritzung, der Kurbelwellenwinkel oder auch der Zündzeitpunkt verwendet.
Es ist auch denkbar, die Folge zweiter Leitfähigkeitswert sowohl aktuell durch Erfassen der positiv geladenen Ionen im Verbrennungsgas zu bestimmen als auch die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte aus einer Vielzahl gespeicherter zweiter Leitfähigkeitswerte auszuwählen, so daß das Verfahren beispielsweise bei Randbedingungen des beobachteten Verbrennungsvorganges, die ein aktuelles Bestimmen der Folge zweiter Leitfähigkeitswerte erschweren, auf die abgespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte zurückgegriffen werden kann.
Die gespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte werden auf Grundlage empirischer Auswertungen bestimmt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die gespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte zumindest teilweise durch Approximation aus der eingespritzten Kraftstoffmenge, aus der Einspritzdauer und/oder aus dem Einspritzverlauf zu bestimmen, damit der erforderliche Speicher für die abzuspeichernden zweiten Leitfähigkeitswerte vergleichsweise klein ist.
Des weiteren wird vorgeschlagen, die abgespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte zusätzlich durch geeignete Algorithmen an die Randbedingungen des tatsächlich erfolgenden Verbrennungsvorganges rechnerisch anzupassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Feststellen der verstärkten Bildung von Stickoxiden zum Vergleich jeweils die Differenz zwischen zwei Leitfähigkeitswerten der beiden Folgen gebildet und eine verstärkte Bildung an Stickoxiden dann als gegeben angesehen, wenn die Differenzen der jeweils nachfolgend miteinander verglichenen zwei Leitfähigkeitswerte der beiden Folgen zumindest konstant bleiben oder gegebenenfalls größer werden.
Eine weitere Möglichkeit, die verstärkte Bildung von Stickoxiden festzustellen, besteht darin, für die beiden miteinander zu vergleichenden Folgen der ersten und der zweiten Leitfähigkeitswerte Kurven bezogen auf die Zeit zu bilden, die anschließend miteinander verglichen werden. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise durch Berechnen der Flächeninhalte der beiden Kurven und durch Subtraktion der Flächeninhalte voneinander, wodurch die Menge entstehenden Stickoxides indirekt bestimmt werden kann. So wird bei diesem Verfahren eine verstärkte Bildung von Stickoxiden dann festgestellt, wenn die durch Subtraktion berechnete Flächendifferenz zwischen den Flächeninhalten der Kurven einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.
Zum Bestimmen der Folge erster Leitfähigkeitswerte wird die Verwendung einer Meßeinrichtung vorgeschlagen, an der zum Bestimmen der Leitfähigkeit des Verbrennungsgases eine positive elektrische Spannung angelegt wird. Durch Anlegen der positiven elektrischen Spannung an die Meßeinrichtung kann die Meßeinrichtung den Anteil an im Verbrennungsgas negativ geladenen Teilchen erfassen.
Als Meßeinrichtung für die Bestimmung der Folge zweiter Leitfähigkeitswerte wird die Verwendung einer Meßeinrichtung vorgeschlagen, an der eine negative elektrische Spannung angelegt wird, so daß positiv geladene Teilchen im Verbrennungsgas das Signal der Meßeinrichtung beeinflussen können. So wird beispielsweise bei Benzinmotoren die Zündkerze als Meßeinrichtung eingesetzt, indem die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases in der Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode erfaßt wird, um die Folge erster Leitfähigkeitswerte zu ermitteln. Die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte wird bestimmt, indem an die Zündkerze eine negative Spannung angelegt wird und die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases in der Funkenstrecke erfaßt wird. In analoger Weise kann beim Dieselmotor die in den Zylinder ragende Glühkerze als Meßeinrichtung eingesetzt werden. Hierzu wird die Leitfähigkeit des zwischen der Glühkerze und der Innenwand des Zylinders befindlichen Verbrennungsgases durch Anlegen einer positiven bzw. einer negativen elektrischen Spannung erfaßt. Alternativ kann auch eine separate Meßeinrichtung in den Zylinder des Verbrennungsmotors ragen, um die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases zu bestimmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
ein Diagramm, in dem zwei im Zylinder eines Verbrennungsmotors aufgenommene Leitfähigkeit-Meßsignalkurven bezogen auf den Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors gezeigt sind, und
Fig. 2
ein Diagramm, in dem eine im Zylinder des Verbrennungsmotors aufgenommene Leitfähigkeits-Meßsignalkurve im Vergleich zu einer theoretisch ermittelten Leitfähigkeits-Referenzkurve bezogen auf den Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors gezeigt ist.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Dieselmotor eingesetzt. Zum Messen der Leitfähigkeit des im Zylinder befindlichen Verbrennungsgases wird eine Glühkerze des jeweiligen Zylinders des Dieselmotors verwendet. Die Glühkerze des jeweiligen Zylinders ist mit einem Referenzwiderstand in Reihe geschaltet und mit der Innenwand des Zylinders leitend verbunden. Zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Verbrennungsgases im jeweiligen Zylinder auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen wird an die Glühkerze während eines Teils des Verdichtungshubes und eines Teils des Arbeitshubes eine positive Spannung angelegt. Durch die während des Verbrennungsprozesses entstehenden negativ geladenen Teilchen ändert sich die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases zwischen der Glühkerze und der Innenwand des Zylinders wodurch sich die am Referenzwiderstand abfallende Spannung ändert, die gemessen und zur Auswertung verstärkt wird. Die verschiedenen Spannungswerte werden als Folge erster Leitfähigkeitswerte in einem Speicher abgespeichert. Als Beispiel ist in den Figuren 1 und 2 eine positive Meßsignalkurve 10 dargestellt, die die Änderung der ersten Leitfähigkeitswerte bezogen auf den Kurbenwellenwinkel zeigt.
Nachdem die Folge erster Leitfähigkeitswerte abgespeichert und die positive Meßsignalkurve 10 erzeugt worden ist, wird anschließend an die Glühkerze eine negative Spannung angelegt und die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases zwischen der Glühkerze und der Innenwand des Zylinders erneut erfaßt. Dabei wird eine Folge zweiter Leitfähigkeitswerte abgespeichert. Als Beispiel ist in Fig. 1 eine negative Meßsignalkurve 12 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel dargestellt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahmen auf Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Zu Beginn des Überwachungszeitraumes bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 30° vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens zeigen die beiden Meßsignalkurven 10 und 12 einen Wert von etwa 0 Volt. Ab einem Kurbelwellenwinkel von etwa 20° vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens beginnt die Motorsteuerung des Dieselmotors mit einer Voreinspritzung, bei der eine geringe Menge Dieselkraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, um das Innere des Zylinders vor der eigentlichen Haupteinspritzung zu erwärmen. Dies zeigt sich in den beiden Meßkurven 10 und 12 durch die kleinen Signalschwankungen 14 im Signalverlauf.
Ab einem Kurbelwellenwinkel von etwa 14° vor dem oberen Totpunkt OT entzündet sich der im Zylinder befindliche Kraftstoff, wodurch die Leitfähigkeit des Abgases zunimmt, wie den beiden Meßsignalkurven 10 und 12 durch die ersten Signalspitzen 16 und 18 zu entnehmen ist. Die beiden Signalspitzen 16 und 18 der beiden Meßsignalkurven 10 und 12 flachen nach einem plötzlichen Anstieg mit sehr steiler Flanke kontinuierlich wieder ab, bis sie bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 5° vor dem oberen Totpunkt OT etwa wieder 0 Volt zeigen. Etwa während dieses Zeitpunktes wird die eigentliche Haupteinspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder vorgenommen. Durch die Voreinspritzung wurde, wie zuvor bereits erläutert, der Innenraum des Zylinders vorgewärmt, so daß der während der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff zumindest teilweise verdampft und sich gleichmäßig im Innenraum des Zylinders verteilt. Bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 2° nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens entzündet sich der Kraftstoff im Inneren des Zylinders, wodurch sich die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases verändert, wie die beiden zweiten Signalspitzen 20 und 22 in den Meßsignalkurven 10 und 12 zeigen, die ihr Maximum bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -7° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens besitzen.
Bis zu diesem Zeitpunkt verlaufen die positive Meßsignalkurve 10 und die negative Meßsignalkurve 12 bis auf kleinere Abweichungen zumindest annähernd identisch. Wird nun die Temperatur von 2000 K, bei der eine verstärkte Bildung von Stickoxiden auftritt, nicht erreicht, würde die positive Meßsignalkurve 10 in etwa den Verlauf der negativen Meßsignalkurve 12 zeigen, wie er in Fig. 1 zu sehen ist, und schließlich auf etwa 0 Volt absinken.
Liegt dagegen die Temperatur im Inneren des Zylinders über 2000 K, kommt es zu einer verstärkten Bildung von Stickoxiden im Verbrennungsgas, die aufgrund des unterschiedlichen Meßprinzips zu einer Abweichung in den Verläufen der beiden Meßsignalkurven 10 und 12 führt, wie nachfolgend erläutert wird. So nimmt der Verlauf der positiven Meßsignalkurve 10 nach der zweiten Signalspitze 20 noch einmal zu und zeigt eine dritte Signalspitze 24, deren Maximum bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -17° bezogen auf den oberen Totpunkt OT bei etwa 3 Volt liegt. Nach Erreichen dieser dritten Signalspitze 24 fällt das Signal kontinuierlich ab, bis es bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -40° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens etwa 0 Volt zeigt.
Im Gegensatz dazu steigt die negative Meßsignalkurve 12 nur auf einen Wert von etwa 2,2 Volt, wie durch die zweiten Signalspitze 22 gezeigt wird. Anschließend fällt die negative Meßsignalkurve 12 unter Bildung einer dritten Signalspitze 26 mit einem Wert von etwa 1,2 Volt bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -15° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens sanft ab, bis sie bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -40° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens gleichfalls zumindest annähernd 0 Volt erreicht.
Zur Bestimmung, ob während des Verbrennungsprozesses im Zylinder des Dieselmotors eine verstärkte Bildung von Stickoxiden auftritt oder nicht, wird die die positive Meßsignalkurve 10 bildende Folge erster Leitfähigkeitswerte mit der die negative Meßsignalkurve 12 bildenden Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen. Liegt die Spitzentemperatur während des Verbrennungsprozesses unter einem Wert von etwa 2000 K, zeigen die beiden Meßsignalkurven 10 und 12 einen zumindest annähernd identischen Verlauf, wie vorher bereits erläutert wurde. Steigt dagegen die Spitzentemperatur während des Verbrennungsprozesses über 2000 K, die eine verstärkte Bildung von Stickoxiden im Verbrennungsgas zur Folge hat, weichen die beiden Meßsignalkurven 10 und 12 in ihrem Verlauf deutlich voneinander ab, wie vorher bereits erläutert wurde.
Hierdurch besteht die Möglichkeit, durch direkten Vergleich der Leitfähigkeitswerte der beiden Folgen zu erfassen, ob die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases in Abhängigkeit vom Meßprinzip voneinander abweichen oder nicht. Hierzu stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung.
Bei der ersten Möglichkeit wird die Differenz zwischen jeweils zwei Leitfähigkeitswerten, die bei identischen Kurbelwellenwinkeln auftreten, gebildet und anschließend ermittelt, ob die Differenzen der nachfolgend miteinander verglichenen Leitfähigkeitswerte zunehmen oder zumindest eine Mindestabweichung zeigen. Ist dies der Fall, wird von einer verstärkten Bildung von Stickoxiden ausgegangen. Liegt dagegen die Differenz unter dieser maximal zulässigen Abweichung bzw. zeigen die beiden Kurven in ihrem Verlauf keine zunehmende Abweichung, wird von einem normalen Verlauf der Meßsignalkurven 10 und 12 ausgegangen, bei dem die Temperatur im Zylinder unter 2000 K lag und demzufolge keine verstärkte Bildung von Stickoxiden auftrat.
Bei der zweiten Möglichkeit werden die beiden Meßsignalkurven 10 und 12 über den relevanten Kurbelwellenwinkelbereich von -10° bis -40° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens integriert. Die dabei berechneten Flächeninhalte werden anschließend voneinander subtrahiert und die dabei entstehende Flächendifferenz, die in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist, mit einer maximal zulässigen Flächendifferenz verglichen. Liegt die berechnete Flächendifferenz über dem maximal zulässigen Wert, liegt eine verstärkte Bildung von Stickoxiden vor. Liegt dagegen die berechnete Flächendifferenz unter dem vorgegebenen maximal zulässigen Wert, konnte eine verstärkte Bildung von Stickoxiden nicht nachgewiesen werden.
Die beiden zuvor beschriebenen Meßsignalkurven 10 und 12 wurden bei unmittelbar aufeinanderfolgenden Verbrennungsvorgängen im Zylinder des Dieselmotors bei einer Drehzahl von etwa 1000 Umdrehung pro Minute erfaßt, damit ein möglichst unmittelbarer Vergleich zwischen den beiden Meßsignalkurven 10 und 12 möglich ist.
Bei bestimmten Betriebsbedingungen des Dieselmotors ist die Bestimmung der negativen Meßsignalkurve 12 entweder nicht sinnvoll oder nicht möglich. Um dennoch einen Rückschluß auf eine eventuell verstärkte Bildung von Stickoxiden ziehen zu können, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgeschlagen, zusätzlich im Speicher der Motorsteuerung einer Vielzahl zweiter Leitfähigkeitswerte abzuspeichern, die zuvor mit Hilfe von Testmotoren, empirischen Verfahren oder ähnliches ermittelt wurden. In Fig. 2 ist eine negative Referenzkurve 30 gezeigt, die auf derartigen, abgespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerten basiert. Auch die Referenzkurve 30 zeigt bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 14° vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens eine erste Signalspitze 32, die anschließend wieder abfällt und bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -2° nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens unter Bildung einer zweiten Signalspitze 34 erneut ansteigt. Die zweite Signalspitze 34 fällt anschließend bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -7° nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens unter Bildung einer Geraden ab, bis sie schließlich bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -40° zumindest annähernd 0 Volt zeigt. Die Referenzkurve 30 wurde in Anlehnung an die negativen Meßsignalkurve 12 erstellt und wird in gleicher Weise zum Bestimmen einer möglichen, verstärkten Bildung von Stickoxiden gemeinsam mit der positiven Meßsignalkurve 10 verwendet.
So wird zunächst entsprechend den bei der Bestimmung der positiven Meßsignalkurve 10 vorliegenden Randbedingungen des beobachteten Verbrennungsvorganges, wie beispielsweise auf Grundlage der eingespritzten Menge an Kraftstoff, der Einspritzdauer, dem Einspritzverlauf und ähnlichem, aus den abgespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerten eine Folge zweiter Leitfähigkeitswerte gebildet, die bei den vorliegenden Randbedingungen am geeignetsten erscheint. Anschließend wird die ausgewählte Folge zweiter Leitfähigkeitswerte, die durch die Referenzkurve 30 in Fig. 2 dargestellt ist, mit der gemessenen Folge erster Leitfähigkeitswerte verglichen, die in Fig. 2 durch die positive Meßsignalkurve 10 dargestellt ist.
Auch hier wird entweder die Differenz zwischen den Leitfähigkeitswerten gebildet oder aber über einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereich das Integral der beiden Kurven 10 und 30 gebildet und anschließend die Flächendifferenz berechnet. Der Verlauf der positiven Meßsignalkurve 10 kann entweder zumindest annähernd dem Verlauf der Referenzkurve 30 entsprechen, wodurch angezeigt wird, daß keine verstärkte Bildung von Stickoxiden aufgetreten ist. Oder der Verlauf der positiven Meßsignalkurve 10 zeigt eine deutliche Abweichung von dem Verlauf der Referenzkurve 30, was als Hinweis auf eine verstärkte Bildung von Stickoxiden zu werten ist.
Sollte nun die Motorsteuerung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine verstärkte Bildung von Stickoxiden erfassen, kann das Ergebnis dieser Überprüfung für verschiedene Funktionen weiterverarbeitet werden. So kann das Ergebnis der Auswertung zu Diagnosezwecken eingesetzt werden, beispielsweise um anzuzeigen, daß trotz der vorgegebenen definierten Einspritzmenge an Kraftstoff, der Einspritzdauer und des Einspritzzeitpunktes eine Abweichung von der theoretisch angenommenen Leitfähigkeit des Verbrennungsgases und damit von dem Anteil an Stickoxiden im Abgas vorliegt. Des weiteren kann die Auswertung mit einem Signal verglichen werden, das die Motorsteuerung von der in Strömungsrichtung gesehen nach dem Katalysator angeordneten Lambdasonde erhält. Treten beispielsweise während der Verbrennung verstärkt Stickoxide auf und werden diese durch den Katalysator nicht ausreichend katalysiert, wird dies von der Lambdasonde erfaßt und kann als Hinweis auf das Vorliegen einer Fehlfunktion des Katalysators gewertet werden.
Des weiteren besteht die Möglichkeit, das Ergebnis der Auswertung für eine Regelung des Motorbetriebes zu verwenden, um beispielsweise die Verbrennungsvorgänge durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise durch eine Abgasrückführung, eine Veränderung des Einspritzzeitpunktes, eine Veränderung der Einspritzmenge, eine Veränderung des Zeitpunktes der Voreinspritzung und ähnliches, gezielt zu beeinflussen. Durch die Einbeziehung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den geschlossenen Regelkreis des Dieselmotors kann überprüft werden, ob durch eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Einstellmöglichkeiten der Verbrennungsprozeß so zuvor beeinflußt worden ist, daß eine verstärkte Bildung von Stickoxiden nicht mehr auftritt.
Bezugszeichenliste
10
positive Meßsignalkurve
12
negative Meßsignalkurve
14
Signalschwankungen
16
erste Signalspitze der positiven Meßsignalkurve
18
erste Signalspitze der negativen Meßsignalkurve
20
zweite Signalspitze der positiven Meßsignalkurve
22
zweite Signalspitze der negativen Meßsignalkurve
24
dritte Signalspitze der positiven Meßsignalkurve
26
dritte Signalspitze der negativen Meßsignalkurve
30
Referenzkurve
32
erste Signalspitze der Referenzkurve
34
zweite Signalspitze der Referenzkurve

Claims (17)

  1. Verfahren zur Überwachung der verstärkten Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere während der Verbrennung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors,
    bei dem eine Folge erster Leitfähigkeitswerte der während eines Verbrennungsvorganges vorliegenden Verbrennungsgase bestimmt wird, die auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen gebildet wird,
    bei dem die Folge erster Leitfähigkeitswerte mit einer Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verglichen wird, die auf Grundlage positiv geladener Teilchen gebildet worden ist, welche in einem unter zumindest annähernd identischen Randbedingungen erfolgten weiteren Verbrennungsvorgang im Verbrennungsgas auftreten, und
    bei dem eine verstärkte Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung dann festgestellt wird, wenn die Folge erster Leitfähigkeitswerte und die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte während des Vergleiches zunehmend voneinander abweichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte während des weiteren Verbrennungsvorganges bestimmt wird, indem die im Verbrennungsgas enthaltenen positiv geladenen Teilchen erfaßt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Folge zweiter Leitfähigkeitswerte aus einer Vielzahl gespeicherter zweiter Leitfähigkeitswerte in Abhängigkeit von den Randbedingungen des Verbrennungsvorganges ausgewählt wird, während dem die Folge erster Leitfähigkeitswerte bestimmt wird bzw. wurde.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, bei dem in Abhängigkeit von den Randbedingungen des Verbrennungsvorganges entweder die auf Grundlage der während des weiteren Verbrennungsvorganges erfaßten positiv geladenen Teilchen bestimmte Folge zweiter Leitfähigkeitswerte oder die aus den gespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerten ausgewählte Folge zweiter Leitfähigkeitswerte verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die gespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte zumindest teilweise auf Grundlage empirischer Auswertungen bestimmt wurden.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die gespeicherten zweiten Leitfähigkeitswerte zumindest teilweise durch Approximation aus der eingespritzten Kraftstoffmenge der Einspritzdauer und/oder dem Einspritzverlauf bestimmt worden sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die aus den abgespeicherten Leitfähigkeitswerten ausgewählte Folge zweiter Leitfähigkeitswerte vor dem Vergleich mit der Folge erster Leitfähigkeitswerte in Abhängigkeit von den Randbedingungen des tatsächlich erfolgenden Verbrennungsvorganges rechnerisch angepaßt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Vergleich der beiden Folgen von Leitfähigkeitswerten der Reihe nach aus jeder Folge jeweils ein Leitfähigkeitswert mit einem Leitfähigkeitswert der anderen Folge verglichen wird und die beiden miteinander zu vergleichenden Leitfähigkeitswerte bei zumindest annähernd identischen Randbedingungen der Verbrennungsvorgänge auftreten.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils die Differenz zwischen zwei Leitfähigkeitswerten der beiden Folgen zum Vergleich gebildet wird, und bei dem eine verstärkte Bildung an Stickoxiden dann festgestellt wird, wenn die Differenz der jeweils nachfolgend miteinander verglichenen zwei Leitfähigkeitswerte der beiden Folgen zumindest konstant bleibt oder größer wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus den Folgen der ersten und der zweiten Leitfähigkeitswerte Kurven bezogen auf die Zeit gebildet werden, die miteinander verglichen werden, und bei dem vorzugsweise durch Berechnen der Flächeninhalte der beiden Kurven und durch Subtraktion der Flächeninhalte voneinander das Vorliegen einer verstärkten Bildung von Stickoxiden beurteilt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine verstärkte Bildung von Stickoxid festgestellt wird, wenn die durch Subtraktion berechnete Flächendifferenz einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases durch eine die Verbrennung zumindest zeitweise überwachende Meßeinrichtung erfaßt wird, wobei zum Bestimmen der Folge erster Leitfähigkeitswerte eine positive elektrische Spannung an die Meßeinrichtung angelegt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases durch eine die Verbrennung zumindest zeitweise überwachende Meßeinrichtung erfaßt wird, wobei zum Bestimmen der Folge zweiter Leitfähigkeitswerte eine negative elektrische Spannung an die Meßeinrichtung angelegt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbrennungsvorgänge im Zylinder eines Verbrennungsmotors erfolgen und jeweils über einen vorgegebenen Zeitraum überwacht werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der jeweilige Verbrennungsvorgang während des Verdichtungshubs und während des Arbeitshubs des betreffenden Zylinders überwacht wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem aus den Folgen der ersten und zweiten Leitfähigkeitswerte Kurven bezogen auf den Kurbelwellenwinkel des überwachten Zylinders gebildet werden, die miteinander verglichen werden.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Folgen erster und zweiter Leitfähigkeitswerte bei unmittelbar aufeinander folgenden Verbrennungsvorgängen bestimmt werden.
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