EP1611334B1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit selbstzündung - Google Patents

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EP1611334B1
EP1611334B1 EP04711992A EP04711992A EP1611334B1 EP 1611334 B1 EP1611334 B1 EP 1611334B1 EP 04711992 A EP04711992 A EP 04711992A EP 04711992 A EP04711992 A EP 04711992A EP 1611334 B1 EP1611334 B1 EP 1611334B1
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EP
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combustion chamber
combustion
gas temperature
exhaust gas
determined
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with auto-ignition according to the preamble of claim 1.
  • the aim of the development of new diesel engine is to minimize the formation of exhaust emissions, in particular the nitrogen oxide emissions.
  • Exhaust gas recirculation is often used as a means for reducing emissions, with an exhaust gas recirculation rate being set as a function of the load point.
  • Further reduction of nitrogen oxide emissions can be achieved by means of an SCR catalyst in which the addition or dosage of a reducing agent, e.g. Ammonia, is made proportional to the Nitoxoxidstehstehung in the internal combustion engine.
  • a reducing agent e.g. Ammonia
  • the required safety devices allow only limited sales of such an SCR catalyst, since the raw nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine can only be determined from known map data. Sensors for the direct measurement of nitrogen oxide or ammonia concentrations in exhaust gas are still in the research stage, although currently available sensors are still unreliable.
  • a method for determining the nitrogen oxide content in exhaust gases of internal combustion engines in which the internal combustion engine supplied air mass is detected, wherein from at least one current measured value of the engine operation, a determination of the center of gravity of the combustion takes place. From the value of the position of the center of gravity of the combustion and the values of the detected fuel quantity and air mass, the raw NOx emissions are calculated. The parallel determination of air mass, fuel mass and recirculated exhaust gas mass is associated with considerable effort.
  • the focal point of combustion based on the first law of thermodynamics, describes that state in the combustion chamber where 50% of the fuel energy has been converted.
  • the location of the center of gravity is the associated crank angle position, i. a crank angle position of the piston at which 50% of the amount of fuel participating in the combustion has been converted into heat.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for determining or minimizing nitrogen oxide emissions.
  • the inventive method is characterized in that during combustion in the combustion chamber an average gas temperature in the cylinder is determined so that a gradient of the average gas temperature is calculated, and from a value of the gradient of the average gas temperature and / or from a position of the gradient average gas temperature in the combustion chamber, a raw nitrogen oxide emission of the internal combustion engine is determined.
  • the NOx emission of the autoignition internal combustion engine formed is directly related to the gradient of the average gas temperature in the cylinder. Accordingly, the engine parameters are adjusted such that the combustion results in a gradient in which reduced NOx emissions are formed.
  • the method according to the invention is characterized in that a mean gas temperature in the cylinder is determined during combustion in the combustion chamber, so that from a maximum value of the average gas temperature in the combustion chamber and / or from a position of the maximum value of the average gas temperature, a raw NOx emission of the internal combustion engine is determined.
  • the NOx emission of the self-igniting internal combustion engine formed is directly related to the maximum value of the average gas temperature in the cylinder. Accordingly, the engine parameters are adjusted such that a certain maximum value is set during combustion or a predetermined maximum value is not exceeded. This allows a simplified determination of the NOx emissions are made, in which the metrological effort is reduced.
  • the inventive method is further characterized by the fact that a mean gas temperature in the cylinder is determined in the combustion chamber, and from a value of a mean gas temperature when closing the inlet valve and / or a value of a compression end in the combustion chamber, a raw NOx emission of the internal combustion engine is determined.
  • the raw NOx emission produced by the autoignition internal combustion engine is directly related to the value of the average gas temperature determined before the onset of combustion at the time of closing the intake valve and / or the end of the compression.
  • the mean gas temperature is determined in a defined crank angle range.
  • a crank angle range is selected, in which the mean gas temperature in the cylinder runs almost linearly.
  • an amount of a reducing agent for the downstream exhaust aftertreatment system is determined from the determined nitrogen oxide raw emission. Accordingly, the exhaust aftertreatment is optimized and, for example, a metered amount of an SCR catalyst is varied.
  • the metered amount of fuel is injected into the combustion chamber in such a way, that a predetermined gradient of the average gas temperature in the combustion chamber and / or a predetermined position of the maximum value of the mean gas temperature in the combustion chamber is set.
  • the mean gas temperature can be changed such that according to the invention the formation of the NOx emissions takes place at a minimum level or minimized as far as possible.
  • a predetermined increase in the gas temperature per unit time or a predetermined position of the maximum value is set.
  • a predetermined maximum temperature value of the average gas temperature at which the formation of NOx emissions increases can not be exceeded.
  • the metered amount of fuel is injected into the combustion chamber such that a focus of the combustion is at a certain crank angle position. In this case, an increased NOx formation can be avoided.
  • an exhaust gas recirculation amount for adjusting a defined oxygen concentration in the combustion chamber is set as a function of a focal point of the combustion.
  • the required exhaust gas recirculation rate is calculated from a determined raw NOx emission of the internal combustion engine and the exhaust gas recirculation is controlled until a defined oxygen concentration results in the combustion chamber.
  • a reduction of the oxygen concentration required for a nitrogen oxide reduction is calculated from the calculated raw nitrogen oxide emission, so that a device for exhaust gas recirculation is set such that after mixing combustion air with recirculated exhaust gas a defined oxygen concentration a cylinder charge takes place before or in the combustion chamber.
  • a targeted and rapid control of the internal combustion engine is achieved at the respective load point, so that a reduced NOx raw emission is achieved.
  • setpoint values of the oxygen concentration are stored in a characteristic map of the internal combustion engine in the engine control device.
  • an oxygen concentration of the combustion air is measured before entering the combustion chamber by means of an oxygen sensor, wherein a defined oxygen concentration of the combustion air is adjusted before or in the combustion chamber depending on the measured concentration by means of the device for exhaust gas recirculation.
  • an oxygen concentration of the exhaust gases is measured after exiting the exhaust gases from the combustion chamber by means of an oxygen sensor, wherein from this signal, an exhaust gas recirculation rate and a measured amount of combustion air, an oxygen concentration of the combustion air is calculated before entering the combustion chamber , And depending on the calculated concentration by means of the device for exhaust gas recirculation, a defined oxygen concentration of the combustion air is adjusted before or in the combustion chamber.
  • Fig. 1 is a cylinder block 1 of a self-igniting internal combustion engine with direct injection shown in cross section.
  • a piston 12 is slidably guided, with the top and a cylinder head 13, a combustion chamber 11 is limited.
  • An inlet valve 14 and an outlet valve 17 are arranged in the cylinder head 13, wherein the necessary combustion air is supplied via a suction pipe 15 through the inlet valve 14 to the combustion chamber 11.
  • the respective air mass is detected by an air mass meter 16, which is connected via a line 22 to a motor control device 6.
  • an exhaust gas recirculation line 19 branched off from the exhaust gas line 18 serves to recirculate combustion gases into the intake manifold 15.
  • this exhaust gas recirculation line 19 is a flow meter 20 for detecting the recirculated exhaust gas flow and for adjusting the amount of recirculated exhaust gas. The detected amount of the recirculated exhaust gas is transmitted to the engine control device 6 via a line 21.
  • a pressure sensor 3 is arranged in the cylinder head 13 in the combustion chamber 11, with which a present in the combustion chamber pressure is transmitted via a connecting line 4 to the engine control device 6.
  • a fuel injection valve 25 is further arranged in the cylinder head 13, which is connected via an injection line 26 with an injection pump 23. Between the injection pump 23 and the fuel injection valve 25, a measuring device 24 is provided for fuel quantity detection. This fuel measuring device 24 is connected via an electrical line 27 to the engine control device 6.
  • the injection pump 23 is also connected to the engine controller through a control line 28.
  • an oxygen concentration of the combustion air supplied into the combustion chamber 11 is detected by means of an oxygen sensor 29, which is preferably arranged in the intake pipe in front of the inlet valve 14 and is connected via a line 30 to the engine control device 6.
  • an oxygen sensor 29a is disposed in the exhaust pipe 18 or in the exhaust gas recirculation line 19.
  • the inventive method aims to minimize the formation of NOx emissions during operation of the internal combustion engine or to optimize the exhaust aftertreatment.
  • a load-dependent amount of fuel is introduced into the combustion chamber 11 by means of the fuel injection valve 25.
  • a profile of the mean gas temperature in the combustion chamber is determined, from which a gradient dT / dphi of the gas temperature in a defined crank angle window in accordance with Fig. 3 is formed.
  • a relatively narrow crank angle range is evaluated, in which the mean gas temperature in the cylinder is almost linear.
  • Such an area may be according to Fig. 2 eg between 0 ° CA and 30 ° CA after top dead center.
  • an instantaneous nitrogen oxide emission of the internal combustion engine is determined.
  • the average gas temperature is usually determined from the pressure curve of the combustion.
  • Fig. 3 illustrates this situation using the example of a change in the start of injection of the fuel in the direction of early, that is, the fuel is injected into the combustion chamber earlier, so that with a higher temperature gradient achieved an increase in the NOx emission is effected. If the fuel injection is made such that the obtained temperature gradient becomes smaller, then a decrease in NOx emission becomes Fig. 2 expected.
  • the nitrogen oxide raw emission of the internal combustion engine can be determined either from a value and / or from the profile of the gradient of the average gas temperature or from a maximum value of the mean gas temperature in the combustion chamber 11.
  • a mean gas temperature T ES be used for determining the NOx emission, which is determined at the time of closing of the intake valve.
  • a mean gas temperature T KE which is determined at the end of the compression phase of the internal combustion engine, also for determining the NOx emission according to Fig. 5 be taken into account.
  • T KE a mean gas temperature
  • an evaluation of the maxima of the average gas temperature in the combustion chamber for the determination of the NOx emission used which also shows an excellent correlation with the current nitrogen oxide emission of the internal combustion engine.
  • Fig. 6 causes, for example, by an advance adjustment of the combustion over the start of injection, an increase in the NOx emission.
  • a relative reduction in NOx can be achieved by exhaust gas recirculation.
  • the relative NOx reduction is directly related to the oxygen concentration of the cylinder charge.
  • the oxygen concentration of the cylinder charge is used as a measured or controlled variable. Accordingly, a defined oxygen concentration of the combustion air in the combustion chamber 11 is then set. This is according to Fig. 8 measured or used as a control and measured variable.
  • the present method is particularly suitable for diesel internal combustion engines, in which a device for recirculating exhaust gas and / or a metering device for reducing agent for exhaust aftertreatment are provided in a downstream catalyst.
  • the raw NOx emission of the diesel engine is calculated from the gradient of the average gas temperature in a defined crank angle window, and then the amount of reducing agent for the downstream exhaust gas aftertreatment system is determined therefrom.
  • the raw NOx emission from the maximum value of the average gas temperature in the cylinder can be checked for plausibility. From the calculated raw NOx emission then a necessary NOx reduction rate is calculated, with which an exhaust gas recirculation is set. Accordingly, after Mixing the combustion air with the recirculated exhaust gas set a defined oxygen concentration before or in the combustion chamber 11.
  • the desired value of the oxygen concentration can preferably be stored as a constant value in the engine map data.
  • focus position of the combustion is a consumption-optimized operation of the internal combustion engine, in which also takes place a low NOx emission.
  • the efficiency of the autoignition internal combustion engine is also directly related to the location of the combustion center. Therefore, the engine parameters, in particular the fuel injection parameters such as injection timing, injection duration and injection timing are adjusted such that the optimum position of the center of gravity is present during the respective combustion or during each combustion.
  • the optimum position of the combustion or the desired center of gravity of the combustion for example, for the respective internal combustion engine. be determined on the test bench. This desired value is then stored in the engine control device 6 for the respective internal combustion engine.
  • the adjustment of the center of gravity position or the adaptation of the current value to the desired value can be achieved by means of a variation of the start of the autoignition and / or by means of the variation of the fuel injection.
  • a targeted and rapid control of the internal combustion engine performed respective load point, so that the internal combustion engine is operated with high efficiency while reducing the NOx emission.
  • a pressure curve in the combustion chamber 11 during a working cycle is preferably detected and forwarded to the engine control device 6. From the recorded pressure curve, the current center of gravity position of the combustion can be determined. The position of the center of gravity changes with respect to the crank angle when the combustion process changes. With the aid of the detected pressure curve and the metered amount of fuel per working cycle, an efficiency of the internal combustion engine is determined with the aid of the engine control device 6, which is directly related to the position of the center of gravity of the combustion.
  • the center of gravity of the combustion can be calculated from the indexing of the cylinder pressure in combination with a measurement of the piston position in the combustion chamber via the first law of thermodynamics.
  • the raw NOx emission of the self-igniting internal combustion engine is then determined with the aid of the determined data, so that the mode of operation or adjustment in FIG Fig. 1 Not shown exhaust gas aftertreatment device is optimized.
  • a determination of the raw NOx emission of the internal combustion engine for example, to optimize a downstream exhaust aftertreatment device is precisely made and performed on a fast track. Accordingly, with proper combustion control, the formation of NOx emissions during combustion can be minimized.
  • the determined raw NOx emission of the internal combustion engine is used for a desired necessary NOx reduction and from there according to Fig. 8 the required oxygen concentration the charge mass or the combustion air determined.
  • the exhaust gas recirculation quantity is accordingly regulated in such a way that a defined oxygen concentration is established in the inlet channel 15 or in the combustion chamber 11.
  • a desired value of an oxygen concentration is preferably stored in the engine control device 6 as a constant value or in characteristic maps.
  • an oxygen concentration of the combustion air is measured before entry into the combustion chamber by means of the oxygen sensor 29.
  • the device for exhaust gas recirculation 20 is then controlled such that a certain amount of exhaust gas passes into the intake manifold 15.
  • a defined oxygen concentration in the combustion air is adjusted before or in the combustion chamber.
  • the oxygen sensor in the exhaust pipe 18 may alternatively be measured by means of the oxygen sensor 29a, an oxygen concentration of the exhaust gases after exiting the exhaust gases from the combustion chamber. From this signal, an exhaust gas recirculation rate and a measured amount of combustion air, the oxygen concentration of the combustion air is then calculated before entering the combustion chamber.
  • the device for exhaust gas recirculation 20 is then controlled so that a certain amount of exhaust gas passes into the intake manifold 15, so that a defined oxygen concentration in the combustion air is adjusted before or in the combustion chamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem während einer Verbrennung im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, so dass ein Gradient der mittleren Gastemperatur errechnet wird. Hierbei wird dann entweder aus einem Wert des Gradienten der mittleren Gastemperatur und/oder aus einem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Zylinder eine Stickoxid­Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt. Demnach werden die Motorparameter derart eingestellt, dass sich bei der Verbrennung ein Verlauf der mittleren Gastemperatur ergibt, bei dem weniger NOx-Emissionen gebildet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ziel der Entwicklung von neuen Dieselbrennkraftmaschinen ist es, die Bildung von Abgasemissionen, insbesondere die Stickoxid-Emissionen zu minimieren. Dabei wird oft eine Abgasrückführung als Mittel zur Emissionssenkung verwendet, wobei eine Abgasrückführrate lastpunktabhängig eingestellt wird. Eine weitere Senkung der Stickoxid-Emissionen kann mittels eines SCR-Katalysators erzielt werden, in dem die Zugabe bzw. die Dosierung eines Reduktionsmittels, z.B. Ammoniak, proportional zu der Stickoxidentstehung in der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Die erforderlichen Sicherheitseinrichtungen lassen nur begrenzte Umsätze eines solchen SCR-Katalysators zu, da die Stickoxid-Rohemissionen der Brennkraftmaschine nur aus bekannten Kennfeld-Daten ermittelt werden können. Sensoren zur direkten Messung der Stickoxid- oder Ammoniakkonzentrationen im Abgas befinden sich noch im Forschungsstadium, wobei die derzeit verfügbaren Sensoren noch unzuverlässig sind.
  • Aus der DE 197 34 494 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Rückführrate des Abgases auf Basis einer zweifachen Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. in der Ladeluft errechnet wird. Neben dem hohen messtechnischen Aufwand wird bei dieser Methode lediglich die Rückführrate des Abgases bestimmt.
  • Aus der EP 554 766 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Dosiereinrichtung für einen SCR-Katalysator gesteuert wird. Die hierzu erforderliche Kenntnis der Stickoxid-Rohemissionen erfolgt durch die Heranziehung von Kennfeld-Daten, die die motorische Emission in Abhängigkeit von motorischen Parametern vergleichsweise ungenau beschreiben. Zur Vermeidung von Ammoniak-Durchbruch nach Katalysator müssen aufgrund der nur näherungsweise bekannten Stickoxid-Rohemission große Sicherheitsabstände eingebaut werden, so dass eine niedrige Konvertierung im Katalysator bis etwa 70% erzielt wird.
  • Aus der DE 100 43 383 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse erfasst wird, wobei aus mindestens einem aktuellen Messwert des Motorbetriebs eine Bestimmung des Schwerpunkts der Verbrennung erfolgt. Aus dem Wert für die Lage des Schwerpunkts der Verbrennung sowie den Werten der erfassten Kraftstoffmenge und Luftmasse werden die NOx-Rohemissionen berechnet. Die parallele Bestimmung von Luftmasse, Kraftstoffmasse und rückgeführte Abgasmasse ist mit erheblichem Aufwand verbunden.
  • Aus der EP 0 288 056 ist noch ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen bekannt.
  • Der Schwerpunkt der Verbrennung beschreibt auf Basis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik jenen Zustand im Brennraum, bei dem 50% der eingebrachten Kraftstoffenergie umgewandelt wurde. Die Lage des Schwerpunkts ist die zugehörige Kurbelwinkelposition, d.h. eine Kurbelwinkelposition des Kolbens, bei der 50% der an der Verbrennung teilnehmenden Kraftstoffmenge in Wärme umgesetzt wurde.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung bzw. zur Minimierung von Stickoxid-Emissionen bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während einer Verbrennung im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, so dass ein Gradient der mittleren Gastemperatur errechnet wird, und aus einem Wert des Gradienten der mittleren Gastemperatur und/oder aus einer Lage des Gradienten der mittleren Gastemperatur im Brennraum eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die gebildete Stickoxid-Rohemission (NOx-Emission) der selbstzündenden Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit dem Gradienten der mittleren Gastemperatur im Zylinder. Dementsprechend werden die Motorparameter derart eingestellt, dass sich bei der Verbrennung ein Verlauf des Gradienten ergibt, bei dem verringerte NOx-Emissionen gebildet werden.
  • Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass während einer Verbrennung im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, so dass aus einem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Brennraum und/oder aus einer Lage des Maximalwertes der mittleren Gastemperatur eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die gebildete Stickoxid-Rohemission (NOx-Emission) der selbstzündenden Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit dem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Zylinder. Dementsprechend werden die Motorparameter derart eingestellt, dass sich bei der Verbrennung ein bestimmter Maximalwert eingestellt wird bzw. ein vorgegebener Maximalwert nicht überschritten wird. Dadurch kann eine vereinfachte Bestimmung der NOx-Emissionen vorgenommen werden, bei der der messtechnische Aufwand reduziert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, und aus einem Wert einer mittleren Gastemperatur beim Schließen des Einlassventils und/oder einem Wert einer Kompressionsendtemperatur im Brennraum eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die gebildete NOx-Rohemission der selbstzündenden Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit dem Wert der mittleren Gastemperatur, die vor dem Einsetzten der Verbrennung bestimmt wird, zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils und/oder beim Ende der Kompression. Hierdurch wird eine exakte vereinfachte Ermittlung der NOx-Emissionen erzielt, so dass der messtechnische Aufwand ebenfalls reduziert wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die mittlere Gastemperatur in einem definierten Kurbelwinkelbereich bestimmt. Vorzugsweise wird ein Kurbelwinkelbereich gewählt, in dem die mittlere Gastemperatur im Zylinder nahezu linear verläuft. Hierdurch wird eine exakte Ermittlung der NOx-Emissionen erzielt, da eine Auswertung in einem schmalen Kurbelwinkelbereich zuverlässig und weniger aufwendig ist. Somit kann der messtechnische Aufwand reduziert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird aus der ermittelten Stickoxid-Rohemission eine Menge eines Reduktionsmittels für das nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssystem bestimmt. Demnach wird die Abgasnachbehandlung optimiert und beispielsweise eine Dosiermenge eines SCR-Katalysators variiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die zugemessene Kraftstoffmenge in den Brennraum derart eingespritzt, dass ein vorgegebener Gradient der mittleren Gastemperatur im Brennraum und/oder eine vorgegebene Lage des Maximalwertes der mittleren Gastemperatur im Brennraum eingestellt wird. Somit lässt sich die mittlere Gastemperatur derart verändern, dass erfindungsgemäß die Bildung der NOx-Emissionen auf einem minimalen Niveau stattfindet bzw. möglichst minimiert wird. Hierbei wird ein vorgegebener Anstieg der Gastemperatur pro Zeiteinheit bzw. eine vorgegebene Lage des Maximalwertes eingestellt. Demnach kann ein vorgegebener maximaler Temperaturwert der mittleren Gastemperatur nicht überschritten werden, bei dem die Bildung der NOx-Emissionen ansteigt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die zugemessene Kraftstoffmenge in den Brennraum derart eingespritzt wird, dass ein Schwerpunkt der Verbrennung bei einer bestimmten Kurbelwinkelposition liegt. Hierbei kann eine erhöhte NOx-Bildung vermieden werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Abgasrückführmenge zur Einstellung einer definierten Sauerstoffkonzentration im Brennraum in Abhängigkeit von einem Schwerpunkt der Verbrennung eingestellt. Hierbei wird aus einer ermittelten NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine die notwendige Abgasrückführrate errechnet und die Abgasrückführung solange geregelt, bis sich eine definierte Sauerstoff-konzentration im Brennraum ergibt.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der errechneten Stickoxid-Rohemission eine für eine Stickoxid-Reduktion benötigte Absenkung der Sauerstoffkonzentration errechnet, so dass eine Vorrichtung zur Abgasrückführung derart eingestellt wird, dass nach Mischung von Verbrennungsluft mit rückgeführtem Abgas eine definierte Sauerstoff-Konzentration einer Zylinderladung vor oder im Brennraum erfolgt. Dadurch wird eine gezielte und schnelle Regelung der Brennkraftmaschine beim jeweiligen Lastpunkt erzielt, so dass eine reduzierte NOx-Rohemissionsbildung erzielt wird. Vorzugsweise werden Sollwerte der Sauerstoffkonzentration in einem Kennfeld der Brennkraftmaschine in der Motorsteuereinrichtung hinterlegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines Sauerstoffsensors eine Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum gemessen, wobei in Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration mittels der Vorrichtung zur Abgasrückführung eine definierte Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum eingestellt wird. Durch die Verwendung des Sauerstoffsensors wird eine gezielte und schnelle Regelung der Brennkraftmaschine zur Senkung der NOx-Rohemissionsbildung beim jeweiligen Lastpunkt erzielt.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines Sauerstoffsensors eine Sauerstoff-Konzentration der Abgase nach Austritt der Abgase aus dem Brennraum gemessen, wobei aus diesem Signal, einer Abgasrückführungsrate und einer gemessenen Verbrennungsluftmenge eine Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum errechnet wird, und in Abhängigkeit von der errechneten Konzentration mittels der Vorrichtung zur Abgasrückführung eine definierte Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum eingestellt wird. Dadurch wird durch die Verwendung des Sauerstoffsensors im Abgaskrümmer eine gezielte und schnelle Regelung der Brennkraftmaschine zur Senkung der NOx-Rohemissionsbildung beim jeweiligen Lastpunkt unter Berücksichtigung der letzten Verbrennung erzielt.
  • Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch einen Zylinder einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer mittleren Gastemperatur einer Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel,
    Fig. 3
    ein schematisches Diagramm eines Gradienten der mittleren Gastemperatur der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in Abhängigkeit von einer NOx-Emission,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung der mittleren Gastemperatur beim Schließen eines Einlassventils der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der NOx-Emissionsbildung,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung der mittleren Gastemperatur am Ende eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der NOx-Emissionsbildung,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung der Maxima einer mittleren Gastemperatur im Brennraum in Abhängigkeit von einer momentanen NOx-Rohemission einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1,
    Fig. 7
    eine schematische Darstellung des Verlaufs einer NOx-Reduktionsrate in Abhängigkeit von einer Abgasrückführungsrate, und
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung des Verlaufs einer NOx-Reduktionsrate in Abhängigkeit von einer Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1.
  • In Fig. 1 ist ein Zylinderblock 1 einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung im Querschnitt dargestellt. In einem Zylinder 2 ist ein Kolben 12 verschiebbar geführt, mit dessen Oberseite und einem Zylinderkopf 13 ein Brennraum 11 begrenzt ist. Ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 17 sind im Zylinderkopf 13 angeordnet, wobei durch das Einlassventil 14 dem Brennraum 11 die notwendige Verbrennungsluft über ein Saugrohr 15 zugeführt wird. Vorzugsweise wird die jeweilige Luftmasse durch einen Luftmassenmesser 16 erfasst, der über eine Leitung 22 mit einer Motorsteuereinrichtung 6 verbunden ist.
  • Durch das Auslassventil 17 gelangen Verbrennungsgase in eine Abgasleitung 18, die zu einer in der Zeichnung nicht dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung führt. Diese weist insbesondere zur effektiven Senkung der NOx-Emissionen einen SCR-Katalysator auf. Weiterhin dient eine aus der Abgasleitung 18 abgezweigte Abgasrückführleitung 19 dazu, Verbrennungsgase in das Saugrohr 15 zurückzuführen. In dieser Abgasrückführleitung 19 befindet sich ein Durchflussmesser 20 zur Erfassung des rückgeführten Abgasdurchflusses und zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge. Die erfasste Menge des rückgeführten Abgases wird über eine Leitung 21 an die Motorsteuereinrichtung 6 übertragen.
  • Des Weiteren ist im Zylinderkopf 13 ein Drucksensor 3 im Brennraum 11 angeordnet, mit dem ein im Brennraum vorliegender Druck über eine Verbindungsleitung 4 an die Motorsteuereinrichtung 6 übertragen wird. Ein Kraftstoffeinspritzventil 25 ist weiterhin im Zylinderkopf 13 angeordnet, welches über eine Einspritzleitung 26 mit einer Einspritzpumpe 23 verbunden ist. Zwischen der Einspritzpumpe 23 und dem Kraftstoffeinspritzventil 25 ist eine Messvorrichtung 24 zur Kraftstoffmengenerfassung vorgesehen. Diese Kraftstoffmesseinrichtung 24 ist über eine elektrische Leitung 27 mit der Motorsteuereinrichtung 6 verbunden. Die Einspritzpumpe 23 ist ebenfalls mit der Motorsteuereinrichtung durch eine Steuerleitung 28 verbunden.
  • Vorzugsweise wird eine Sauerstoffkonzentration der in den Brennraum 11 zugeführten Verbrennungsluft mittels eines Sauerstoffsensors 29 erfasst, der vorzugsweise im Saugrohr vor dem Einlassventil 14 angeordnet ist und über eine Leitung 30 mit der Motorsteuereinrichtung 6 verbunden ist. Alternativ wird ein Sauerstoffsensor 29a in der Abgasleitung 18 oder in der Abgasrückführleitung 19 angeordnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ab, die Bildung der NOx-Emissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu minimieren bzw. die Abgasnachbehandlung zu optimieren. Erfindungsgemäß wird mittels des Kraftstoffeinspritzventils 25 eine lastabhängige Kraftstoffmenge in den Brennraum 11 eingebracht. Während der Verbrennung wird ein Verlauf der mittleren Gastemperatur im Brennraum ermittelt, aus dem ein Gradient dT/dphi der Gastemperatur in einem definierten Kurbelwinkel-Fenster gemäß Fig. 3 gebildet wird. Dieser steht im Sinne der Erfindung in direktem Zusammenhang mit der Stickoxid-Emissionsbildung der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird dabei ein relativ schmaler Kurbelwinkel-Bereich ausgewertet, in dem die mittlere Gastemperatur im Zylinder nahezu linear verläuft. Ein solcher Bereich kann gemäß Fig. 2 z.B. zwischen 0°KW und 30°KW nach dem oberen Totpunkt gewählt werden. Je nach Steigung dieser Geraden in [°K]/[°KW] wird eine augenblickliche Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine ermittelt. Die mittlere Gastemperatur wird üblicherweise aus dem Druckverlauf der Verbrennung bestimmt.
  • Fig. 3 veranschaulicht diesen Sachverhalt am Beispiel einer Veränderung des Einspritzbeginnes des Kraftstoffs in Richtung früh, d.h. der Kraftstoff wird früher in den Brennraum eingespritzt, so dass mit einem höher erzielten Temperaturgradienten eine Erhöhung der NOx-Emission bewirkt wird. Wird die Kraftstoffeinspritzung derart bewerkstelligt, dass der erzielte Temperaturgradient kleiner wird, dann wird eine Abnahme der NOx-Emission gemäß Fig. 2 erwartet. Somit kann entweder aus einem Wert und/oder aus dem Verlauf des Gradienten der mittleren Gastemperatur oder aus einem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Brennraum 11 die StickoxidRohemission der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Alternativ kann gemäß Fig. 4 und Fig. 2 eine mittlere Gastemperatur TES zur Bestimmung der NOx-Emission herangezogen werden, welche zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils ermittelt wird. Weiterhin kann zusätzlich eine mittlere Gastemperatur TKE, welche beim Ende der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine ermittelt wird, ebenso zur Bestimmung der NOx-Emission gemäß Fig. 5 berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß ergaben sich dabei sehr gute Korrelationen zur motorischen StickoxidEmission. Somit können beide Signale zur zusätzlichen Bestimmung der NOx-Emission bzw. als eine Plausibilitätskontrolle verwendet werden.
  • Optional oder alternativ wird eine Auswertung der Maxima der mittleren Gastemperatur im Brennraum zur Bestimmung der NOx-Emission verwendet, welche ebenfalls eine ausgezeichnete Korrelation zur momentanen Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine feststellen lässt. Gemäß Fig. 6 bewirkt z.B. durch eine Frühverstellung der Verbrennung über den Einspritzbeginn eine Zunahme der NOx-Emission.
  • In der Regel kann eine relative NOx-Reduktion durch eine Abgasrückführung bewerkstelligt werden. Demnach steht die relative NOx-Reduktion in direktem Zusammenhang mit der Sauerstoff-Konzentration der Zylinderladung. Je nach Lastpunkt der Brennkraftmaschine ergeben sich gemäß Fig. 7 beim heutigen Stand der Technik aus den gleichen Abgasrückführraten unterschiedliche prozentuale Stickoxid-Absenkungen. Im Gegensatz hierzu wird erfindungsgemäß die Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung als eine Mess- bzw. Regelgröße verwendet. Demnach wird dann eine definierte Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft im Brennraum 11 eingestellt. Diese wird gemäß Fig. 8 gemessen bzw. als eine Stell- und Messgröße benutzt.
  • Das vorliegende Verfahren eignet sich insbesondere für Diesel-Brennkraftmaschinen, bei denen eine Vorrichtung zur Rückführung von Abgas und/oder eine Dosiervorrichtung für Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung in einem nachgeschalteten Katalysator vorgesehen sind. Die NOx-Rohemission des Dieselmotors wird aus dem Verlauf des Gradienten der mittleren Gastemperatur in einem definierten Kurbelwinkelfenstern errechnet, wobei dann daraus die Menge des Reduktionsmittels für das nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssystem bestimmt wird. Dabei kann zusätzlich die NOx-Rohemission aus dem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Zylinder auf Plausibilität überprüft werden. Aus der errechneten NOx-Rohemission wird dann eine notwendige NOx-Reduktionsrate errechnet, mit der eine Abgasrückführung eingestellt wird. Demnach wird nach Vermischung der Verbrennungsluft mit dem rückgeführten Abgas eine definierte Sauerstoff-Konzentration vor oder auch im Brennraum 11 eingestellt. Der Sollwert der SauerstoffKonzentration kann vorzugsweise als Konstantwert in den Motorkennfeld-Daten hinterlegt werden.
  • Da weiterhin die Lage des Schwerpunkts der Verbrennung den Verlauf der mittleren Gastemperatur während der Verbrennung beeinflusst, kann die Kraftstoffeinspitzung derart vorgenommen werden, dass eine Verbrennung bei einer bestimmten Lage des Schwerpunkts stattfindet. Bei dieser bestimmten und in Motorsteuereinsrichtung 6 abgelegten Schwerpunktslage der Verbrennung (Soll-Schwerpunkt) liegt ein verbrauchsoptimierter Betrieb der Brennkraftmaschine vor, bei dem ebenfalls eine niedrige NOx-Emissionsbildung stattfindet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung steht ebenfalls der Wirkungsgrad der selbstzündenden Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit der Lage des Verbrennungsschwerpunkts. Daher werden die Motorparameter, insbesondere die Kraftstoffeinspritzparameter wie Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer sowie Einspritztaktung derart eingestellt, dass bei der jeweiligen Verbrennung bzw. bei jeder Verbrennung die optimale Lage des Schwerpunkts vorliegt. Die optimale Lage der Verbrennung bzw. der Soll-Schwerpunkt der Verbrennung kann für die jeweilige Brennkraftmaschine z.B. am Prüfstand ermittelt werden. Dieser Soll-Wert wird dann für die jeweilige Brennkraftmaschine in der Motorsteuereinrichtung 6 abgelegt.
  • Die Einstellung der Schwerpunktslage bzw. die Anpassung des aktuellen Werts an den Soll-Wert kann mittels einer Variation des Beginns der Selbstzündung und/oder mittels der Variation der Kraftstoffeinspritzung erzielt werden. Dadurch wird eine gezielte und schnelle Regelung der Brennkraftmaschine beim jeweiligen Lastpunkt durchgeführt, so dass die Brennkraftmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Senkung der NOx-Emission betrieben wird.
  • Mit Hilfe des im Brennraum 11 vorgesehenen Drucksensors 3 wird vorzugsweise ein Druckverlauf im Brennraum 11 während eines Arbeitsspiels erfasst und an die Motorsteuereinrichtung 6 weitergeleitet. Aus dem erfassten Druckverlauf kann die aktuelle Schwerpunktslage der Verbrennung bestimmt werden. Die Lage des Schwerpunkts ändert sich bezüglich des Kurbelwinkels bei Änderung des Verbrennungsverlaufes. Mit Hilfe des erfassten Druckverlaufes und der zugemessenen Kraftstoffmenge pro Arbeitspiel wird ein Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine mit Hilfe der Motorsteuereinrichtung 6 bestimmt, der in einem direkten Zusammenhang mit der Lage des Schwerpunkts der Verbrennung steht. Hierbei kann der Schwerpunkt der Verbrennung aus der Indizierung des Zylinderdruckes in Kombination mit einer Messung der Kolbenposition im Brennraum über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik berechnet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dann mit Hilfe der ermittelten Daten die NOx-Rohemission der selbstzündenden Brennkraftmaschine bestimmt, so dass die Betriebsweise bzw. Einstellung der in Fig. 1 nicht dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung optimiert wird. Somit wird eine Bestimmung der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine beispielsweise zur Optimierung einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung präzise vorgenommen und auf einem schnellen Wege durchgeführt. Bei entsprechender Regelung der Verbrennung kann demgemäss die Bildung der NOx-Emissionen während der Verbrennung minimiert werden.
  • Die ermittelte NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine wird für eine angestrebte notwendige NOx-Reduktion herangezogen und daraus gemäß Fig. 8 die erforderlich Sauerstoffkonzentration der Ladungsmasse bzw. der Verbrennungsluft bestimmt. Die Abgasrückführmenge wird demnach derart geregelt, dass sich eine definierte Sauerstoffkonzentration im Einlasskanal 15 oder im Brennraum 11 einstellt. Dabei wird ein Sollwert einer Sauerstoffkonzentration vorzugsweise in der Motorsteuereinrichtung 6 als ein Konstantwert bzw. in Kennfeldern hinterlegt. Somit wird eine im Brennraum gebildete NOx-Emission reduziert und die dafür vorgesehene Abgasnachbehandlung optimiert, so dass in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator z.B. die Zudosierung einer NH3 Menge mit Hilfe der vorliegenden Erfindung optimal vorgenommen werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird mittels des Sauerstoffsensors 29 eine Sauerstoff-Konzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum gemessen. In Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration wird die Vorrichtung zur Abgasrückführung 20 dann derart geregelt, dass eine bestimmte Abgasmenge in das Saugrohr 15 gelangt. Hierdurch wird eine definierte Sauerstoff-Konzentration in der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum eingestellt. Bei einer Anordnung des Sauerstoffsensors in der Abgasleitung 18 kann alternativ mittels des Sauerstoffsensors 29a eine Sauerstoff-Konzentration der Abgase nach Austritt der Abgase aus dem Brennraum gemessen werden. Aus diesem Signal, einer Abgasrückführungsrate und einer gemessenen Verbrennungsluftmenge wird dann die SauerstoffKonzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum errechnet. In Abhängigkeit von der errechneten Konzentration wird die Vorrichtung zur Abgasrückführung 20 dann derart geregelt, dass eine bestimmte Abgasmenge in das Saugrohr 15 gelangt, so dass eine definierte SauerstoffKonzentration in der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum eingestellt wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (11) angeordnet ist, einer Motorsteuereinrichtung (6), einer Kraftstoffzufuhreinrichtung und einem Abgasnachbehandlungssystem, bei welchem dem Brennraum (11) Verbrennungsluft zugeführt wird und während eines Arbeitspiels eine Kraftstoffmenge betriebspunktabhängig zugemessen wird, wobei während einer Verbrennung ein zeitlicher Verlauf einer mittleren Gastemperatur (T) in dem Brennraum (11) ermittelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - aus dem zeitlichen Verlauf der mittleren Gastemperatur (T) ein Gradient (dT/dphi) der mittleren Gastemperatur (T) in einem vorgebbaren Kurbelwinkelteilbereich des Arbeitsspiels gebildet wird und
    - aus dem Wert des Gradienten (dT/dphi) und/oder aus einer Lage des Gradienten (dT/dphi) im Kurbelwinkelteilbereich eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  2. Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (11) angeordnet ist, einer Motorsteuereinrichtung (6), einer Kraftstoffzufuhreinrichtung und einem Abgasnachbehandlungssystem, bei welchem dem Brennraum (11) Verbrennungsluft zugeführt wird und während eines Arbeitspiels eine Kraftstoffmenge betriebspunktabhängig zugemessen wird, wobei eine mittlere Gastemperatur (T) in dem Brennraum (11) ermittelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - aus einem Wert (TES) der mittleren Gastemperatur (T) beim Schließen eines Einlassventils (14) des Zylinders (2) und/oder aus einem Wert (TKE) einer Kompressionsendtemperatur im Brennraum eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Gradient (dT/dphi) der mittleren Gastemperatur (T) in einem Kurbelwinkelbereich von 0 °KW bis 30 °KW nach dem oberen Totpunkt ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mittlere Gastemperatur (T) aus einem im Brennraum (11) gemessenen Druckverlauf ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus der ermittelten Stickoxid-Rohemission eine Menge eines Reduktionsmittels für das Abgasnachbehandlungssystem bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zugemessene Kraftstoffmenge in den Brennraum (11) derart eingespritzt wird, dass ein vorgegebener Gradient (dT/dphi) der mittleren Gastemperatur (T) im Brennraum (11) und/oder eine vorgegebene Kurbelwinkelposition eines Maximalwerts (Tmax) der mittleren Gastemperatur im Brennraum (11) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zugemessene Kraftstoffmenge in den Brennraum (11) derart eingespritzt wird, dass ein Schwerpunkt der Verbrennung bei einer bestimmten Kurbelwinkelposition liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Abgasrückführmenge zur Einstellung einer definierten Sauerstoffkonzentration im Brennraum (11) in Abhängigkeit von einer Schwerpunktslage der Verbrennung eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus der errechneten Stickoxid-Rohemission eine für eine Stickoxid-Reduktion benötigte Absenkung der Sauerstoff-konzentration errechnet wird und eine Vorrichtung zur Abgasrückführung derart eingestellt wird, dass sich nach Mischung von Verbrennungsluft mit rückgeführtem Abgas eine definierte Sauerstoffkonzentration einer Zylinderladung vor oder im Brennraum (11) ergibt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mittels eines Sauerstoffsensors (29) eine Sauerstoff-konzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum (11) gemessen wird und in Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration mittels einer Vorrichtung zur Abgasrückführung eine definierte Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum (11) eingestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mittels eines Sauerstoffsensors (29a) eine Sauerstoffkonzentration der Abgase nach Austritt aus dem Brennraum (11) gemessen wird und aus diesem Signal, einer Abgasrückführrate und einer gemessenen Verbrennungsluftmenge eine Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Brennraum (11) errechnet wird und in Abhängigkeit von der errechneten Konzentration mittels der Vorrichtung zur Abgasrückführung eine definierte Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft vor oder im Brennraum (11) eingestellt wird.
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