EP3221573A1 - Steuergerät für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Steuergerät für einen verbrennungsmotor

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EP3221573A1
EP3221573A1 EP15795168.2A EP15795168A EP3221573A1 EP 3221573 A1 EP3221573 A1 EP 3221573A1 EP 15795168 A EP15795168 A EP 15795168A EP 3221573 A1 EP3221573 A1 EP 3221573A1
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EP
European Patent Office
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combustion engine
internal combustion
emission
emissions
control device
Prior art date
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EP15795168.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3221573B1 (de
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Benjamin Segtrop
Michael Mazur
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP3221573A1 publication Critical patent/EP3221573A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3221573B1 publication Critical patent/EP3221573B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1406—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method with use of a optimisation method, e.g. iteration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/36—Control for minimising NOx emissions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/38—Control for minimising smoke emissions, e.g. by applying smoke limitations on the fuel injection amount

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine for determining at least one reference variable for an internal combustion engine.
  • Control units are used to control important engine functions in the vehicle area.
  • control unit receives information about an operating state of the engine (for example, speed, torque, desired torque, temperature, DPF (Diesel Particulate Filter)) load and determine reference variables that influence the consumption and emissions during operation.
  • an operating state of the engine for example, speed, torque, desired torque, temperature, DPF (Diesel Particulate Filter)
  • control unit engine maps in which, for example, a desired exhaust gas recirculation rate or a target boost pressure in dependence on the above-mentioned operating condition are stored.
  • Suitable reference variables are for example exhaust gas recirculation rate
  • Command values are then derived manipulated variables (for example, throttle position, position of a VTG (Variable Turbine Geometry)).
  • Combustion engine system with all its units, auxiliary units and control elements.
  • This strategy can be used to ensure that emission limits are not exceeded in defined speed profiles through optimized allocation of certain reference variables.
  • An example of such velocity profiles are normalized Driving cycles, such as the NEDC (New European Driving Cycle), which are used to determine exhaust gas and / or fuel consumption.
  • NEDC New European Driving Cycle
  • For such cycles for example, global optimization approaches are known, as indicated in Heiko Sequence: Emission Modeling and Model-Based Optimization of the Engine Control, D17 Darmstadt Dissertations 2012.
  • Diesel engine in the case of soot (particulate) emissions and nitrogen oxide emissions situations may occur in which, for example, in a speed profile the permissible nitrogen oxide emissions are exceeded and the permissible soot emissions are significantly undercut.
  • Exhaust gas recirculation rate EGR rate
  • AG R-division high pressure / low pressure
  • filling rail pressure
  • exhaust aftertreatment systems such as diesel particulate filter and SCR (Selective Catalytic Reduction) in terms of fuel and AdBlue consumption and emissions to optimize.
  • An inventive control unit of an internal combustion engine taking into account operating state information, emission upper limits and a cumulative actual emission quantity, determines a reference variable (for example EGR rate, EGR distribution, charge) which is output to the internal combustion engine.
  • a reference variable for example EGR rate, EGR distribution, charge
  • the operating state information includes, for example, the rotational speed, the current one
  • the cumulated actual emission size includes the sum of all in a given one
  • At least one operating state of the internal combustion engine is adjusted by way of this reference variable (s) in such a way that a plurality of actual emission quantities are subject to upper emission limits in a specific operating period with a combination of any different operating states of the internal combustion engine set in a random order for this operating period (mg / km) and a target function is reduced as much as possible.
  • this reference variable (s) is adjusted by way of this reference variable (s) in such a way that a plurality of actual emission quantities are subject to upper emission limits in a specific operating period with a combination of any different operating states of the internal combustion engine set in a random order for this operating period (mg / km) and a target function is reduced as much as possible.
  • Exhaust aftertreatment systems such as particulate filters, AdBlue consumption, NOx emissions etc. or a combination of such variables).
  • Such a control concept has the advantage that, for example, an uncritical actual emission quantity is increased to such an extent by a change in the reference variable that a critical actual emission quantity is reduced to such an extent that it is ensured that the
  • one or more reference variable (s) are replaced by a
  • Indifferenzkurve from Pareto-optimal alternatives selected from, for example, injection quantity, actual emissions and / or AdBlue dosage. This happens after a heuristic, which the
  • the reference variable is determined or adapted dynamically and situation-dependent.
  • the operating state information comprises at least one rotational speed (n) and a nominal torque (M).
  • the actual emission quantities include at least two of the following quantities.
  • the quantities include NOx output, HC output, CO output, CO 2 output, combined HC and NO x emission, soot particle count, soot particle mass, state of a diesel particulate filter, state of a NO x storage catalyst.
  • the command variable includes at least one of the following variables that affect emissions behavior, namely, EGR rate, EGR split, fill, spark timing.
  • the manipulated variables derived from this include one of the following variables, via which the desired reference variable can be effected in modern engines, namely throttle valve position; Adjustment of the variable turbine geometry, injection timing, camshaft adjustment.
  • two actual emission quantities are considered, in particular the nitrogen oxide output and the soot output, which are competitively related in diesel engines.
  • an internal combustion engine With the aid of an internal combustion engine with a control unit according to the invention, improved consumption values and emission values can be realized.
  • Such an internal combustion engine is particularly suitable for vehicles.
  • Fig. 1 shows schematically an engine system with a control device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of input and output variables
  • Fig. 3 is a graph showing soot and NOx emissions versus EGR rate; 4 shows Pareto-optimal operating points for which a certain soot emission and a certain NOx emission apply;
  • FIG. 6 shows a selection for a lower cumulative NOx emission shown
  • FIG. 7 shows a selection for excessive accumulated NOx emission shown
  • Fig. 8 shows the selection shown in Fig. 5 based on the relationship of C02 and
  • a motor scheme is shown, which is controlled or controlled by an inventive control unit 1.
  • Shown is as a reciprocating engine 2 (diesel or gasoline engine), trained internal combustion engine, which is filled via valves 3 and a charge air line 4 and is emptied via an exhaust line 5.
  • the supply air passes through an air filter 6 and an exhaust gas turbocharger 7 with adjustable turbine geometry through an intercooler 8 via an inlet valve 3 into the cylinder, where optionally via an injection system fuel is supplied.
  • the resulting exhaust gas is discharged through an exhaust valve 3 via the exhaust line.
  • the compressed exhaust gas passes through the exhaust gas turbocharger 7, drives it and thus compresses the charge air. Subsequently, it passes through a nitrogen storage catalyst 10 and a diesel particulate filter 1 1 and finally passes through an exhaust valve 12 into the exhaust 13th
  • the valves 3 are driven by an adjustable camshaft 14. The adjustment takes place via a camshaft adjusting device 15, which can be activated by the control unit 1.
  • a portion of the exhaust gas can be introduced via a high-pressure exhaust gas recirculation valve 16 into the charge air line 4.
  • An exhaust-treated partial flow can, in the low-pressure region downstream of the exhaust gas turbocharger 7, be exhausted via a corresponding exhaust gas cooling 17 and an exhaust gas recirculation system.
  • Low pressure valve 18 are guided in the charge air line 4.
  • the turbine geometry of the exhaust gas turbocharger 7 is adjustable via an adjusting device 19.
  • the charge air supply (“gas”) is controlled via the main throttle valve 20.
  • Actuating device 19 the main throttle valve 20, the exhaust gas recirculation high-pressure valve 16, the camshaft adjusting device 15 and the exhaust valve 12 can be controlled (solid lines).
  • control unit 1 via sensors and setpoint generator, for example with
  • Temperature information (intercooler 8, exhaust gas cooling 17) and with actual emission values (for example, from a sensor or physical / empirical model) supplied.
  • further operating state information can come as: accelerator pedal position, throttle position, air mass, battery voltage, engine temperature, crankshaft speed and top dead center, gear stage, vehicle speed.
  • the following exemplary embodiments relate to the control and regulation of emission values as a function of predetermined emission upper limits and cumulated actual values.
  • control unit 1 determines one or more required and effective for influencing the emissions and effective reference variables x (t).
  • Influencing emissions for example, NOx, HC, CO, soot
  • Em DS for example mass per time [mg / s]
  • Cumulated actual values Em K of emissions are derived from these emissions (integration of emission rates over time). From these cumulated actual values Em K are in the control unit 1 together with the elapsed operating time t or the distance traveled s, known or predetermined upper emission limits Em G and information about the driver's request FW (eg
  • FIG. 3 shows, by way of example, the relationship between NOx emissions and soot emissions as a function of the exhaust gas recirculation rate (EGR), which forms a reference variable x (t) here.
  • EGR exhaust gas recirculation rate
  • FIG. 4 shows a graph of command variable combinations of certain soot emissions plotted against certain NOx emissions.
  • the emission history accumulated actual values Em G for past (possibly arbitrary, in random order set, different operating conditions) are taken into account.
  • Pareto-optimal target size combinations in which the soot emission can only be further reduced if the NOx emission is increased, are marked by the points x. All pareto-optimal target size combinations form the so-called pareto front, which connects the points x together. In a minimization problem, points to the left below the Pareto front (shaded area) are unrealizable and all right above target size combinations are not Pareto optimal, since there are combinations (points x) for both soot emission and NOx emission cheaper on the Pareto front can be realized.
  • the emission upper limit Em G is a NOx limit value NOx-G (dashed line) and the figure below Column shows in the shaded area as accumulated actual value Em K the previous accumulated NOx emissions NOx-Ki. Since the cumulative NOx emissions NOx-Ki are already relatively close to the NOx limit NOx-G, here is a relatively high
  • Fig. 6 shows an example in which the cumulative NOx emissions (NOX-K2) are further below the NOX limit NOx-G.
  • NOX-K2 the cumulative NOx emissions
  • the exchange ratio of the indifference curve I is smaller (the straight line is flatter).
  • a higher NOx emission can be accepted without the risk that the NOx limit value NOx-G is exceeded.
  • the soot emission can be kept lower.
  • the flattening straight line is shifted to the next target size combination at which a specific NOx emission and a corresponding soot emission with an associated reference variable x (t) (here the corresponding EGR from FIG. 3) can be realized.
  • Fig. 7 shows an example in which the cumulative NOx emissions (NOX-K3) have exceeded the NOx limit NOx-G.
  • NOX-K3 the cumulative NOx emissions
  • NOx-G the NOx limit
  • FIG. 8 shows, analogously to FIG. 5, an example in which CO2 is to be minimized as a function of the cumulative NOx emissions.
  • FIG. 9 shows, analogously to FIG. 5, an example in which the indifference curve does not extend linearly.
  • the emission values can be improved during operation and depending on changing boundary conditions.

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Abstract

Steuergerät (1) für einen Verbrennungsmotor (2), mit einer Funktion, die unter Berücksichtigung einer Betriebszustandsinformation (FW, SB) einer Obergrenze und einer kumulierten Ist-Größe eine Führungsgröße (x(t)) bestimmt, die einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (2) so beeinflusst, so dass mehrere Ist-Größen so eingestellt werden, dass kumulierte Ist-Größen in einem Betriebszeitraum mit einer Zusammenstellung aus beliebigen, in zufälliger Reihenfolge eingestellten, unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (2) Obergrenzen für diesen Betriebszeitraum nicht überschreiten, wobei eine Zielfunktion minimiert wird, indem die Führungsgröße (x(t)) mittels einer Indifferenzkurve (I) aus pareto-optimalen Alternativen ausgewählt wird.

Description

Beschreibung
„Steuergerät für einen Verbrennungsmotor"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor zur Bestimmung wenigstens einer Führungsgröße für einen Verbrennungsmotor.
Steuergeräte dienen dazu, im Fahrzeugbereich wichtige Motorfunktionen zu steuern.
Insbesondere dienen sie auch dazu, ergänzend zu konstruktiven Maßnahmen wie
Brennraumgestaltung und der Beeinflussung der Gemischbildung durch Einspritzsysteme und Einspritzverfahren, im Motorbetrieb den Kraftstoffverbrauch und die damit
zusammenhängenden C02-Emissionen sowie wesentliche Abgaskomponenten wie
Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NOx) sowie Ruß und Partikel zu senken.
Bekannte Funktionen eines Steuergeräts erhalten Informationen über einen Betriebszustand des Motors (zum Beispiel Drehzahl, Drehmoment, gewünschtes Drehmoment, Temperatur, DPF (Diesel-Partikelfilter)beladung und bestimmen Führungsgrößen, welche den Verbrauch und die Emissionen im Betrieb beeinflussen.
Zur Bestimmung dieser Führungsgrößen dienen oft ebenfalls im Steuergerät hinterlegte Motorkennfelder, in denen bspw. eine Soll-Abgasrückführungsrate oder ein Soll-Ladedruck in Abhängigkeit zum oben genannten Betriebszustand hinterlegt sind.
Geeignete Führungsgrößen sind zum Beispiel Abgasrückführungsrate,
Abgasrückführungsaufteilung, Füllung, Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt. Von diesen
Führungsgrößen werden dann Stellgrößen abgeleitet (zum Beispiel Drosselklappenstellung, Stellung einer VTG (Variable Turbinengeometrie)).
Der Begriff„Verbrennungsmotor" umfasst in diesem Zusammenhang das vollständige
Verbrennungsmotorsystem mit all seinen Aggregaten, Hilfsaggregaten und Stellelementen.
Mit dieser Strategie kann sichergestellt werden, dass in festgelegten Geschwindigkeitsprofilen durch eine optimierte Zuordnung bestimmter Führungsgrößen die Emissionsobergrenzen nicht überschritten werden. Ein Beispiel für solche Geschwindigkeitsprofile sind normierte Fahrzyklen, zum Beispiel der NEFZ (neuer Europäischer Fahrzyklus), die zur Bestimmung der Abgas- und/oder Verbrauchswerte gefahren werden. Für solche Zyklen sind beispielsweise globale Optimierungsansätze bekannt, wie sie in Heiko Sequenz: Emission Modelling and Model-Based Optimisation of the Engine Control, D17 Darmstädter Dissertationen 2012 angegeben sind.
Im realen Fahrbetrieb (und ggf. bei sogenannten Real-Driving-Emissions-Testverfahren) treten nun beliebige, unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile und Betriebszustände auf, die vor und während der Fahrt nicht bekannt sind.
Da die einzelnen Betriebszustände auch unabhängig von der Motorsteuerung schon
unterschiedliche Emissionswerte aufweisen, können die Verbrauchs- und Emissionswerte (1/100km bzw. mg/km) bei diesen beliebigen, unterschiedlichen Fahrprofilen teilweise erheblich nach unten oder oben abweichen. Eine globale Optimierung von bspw. Kraftstoffverbrauch oder C02-Emissionen bei NichtÜberschreiten von Emissionsgrenzen ist durch die bekannten Steuerstrategien somit nicht mehr gegeben.
Insbesondere bei konkurrierenden Emissionsgrößen, wie sie beispielsweise in einem
Dieselmotor bei den Ruß(partikel)emissionen und den Stickoxidemissionen auftreten, können Situationen auftreten, bei denen beispielsweise in einem Geschwindigkeitsprofil die zulässigen Stickoxidemissionen überschritten werden und die zulässigen Rußemissionen deutlich unterschritten werden.
Es besteht also die Aufgabe, ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor mit einer Funktion bereitzustellen, das die oben geschilderten Probleme wenigstens teilweise löst und geeignet ist, bei Real-Driving-Emissions-Testverfahren die Führungsgrößen wie beispielsweise
Abgasrückführungsrate (AGR-Rate), AG R- Aufteilung (Hochdruck/Niederdruck), Füllung, Raildruck, aber auch die Nutzung von Abgasnachbehandlungssystemen wie beispielsweise Dieselpartikelfilter und SCR (selektive katalytische Reduktion) im Hinblick auf den Kraftstoff- und AdBlue-Verbrauch sowie die Emissionsgrößen zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Steuergerät nach Anspruch 1 , einen
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8 und ein Fahrzeug nach Anspruch 9 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein erfindungsgemäßes Steuergerät eines Verbrennungsmotors bestimmt unter Berücksichtigung einer Betriebszustandsinformation, Emissionsobergrenzen und einer kumulierten Ist-Emissionsgröße eine Führungsgröße (zum Beispiel AGR-Rate, AGR-Aufteilung, Füllung), die an den Verbrennungsmotor abgegeben wird.
Die Betriebszustandsinformationen umfassen zum Beispiel die Drehzahl, das aktuelle
Drehmoment, das gewünschte Drehmoment, die Temperatur, die DPF-Beladung und andere Größen.
Die kumulierte Ist-Emissionsgröße umfasst die Summe aller in einem bestimmten
Betriebszeitraum vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen Emissionen.
Über diese Führungsgröße(n) wird wenigstens ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors so eingestellt, dass mehrere Ist-Emissionsgrößen so beeinflusst werden, dass die kumulierten Ist- Emissionsgrößen in einem bestimmten Betriebszeitraum mit einer Zusammenstellung aus beliebigen, in zufälliger Reihenfolge eingestellten, unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors Emissionsobergrenzen für diesen Betriebszeitraum nicht überschreiten (mg/km) und eine Zielfunktion so weit wie möglich reduziert wird. Hier wird eine zu
minimierende bzw. zu optimierende Größe als Zielfunktion bezeichnet (z.B. Kraftstoffverbrauch bzw. die davon abhängigen C02-Emissionen, Regenerationsintervalle diverser
Abgasnachbehandlungssysteme wie Rußpartikelfilter, AdBlue-Verbrauch, NOx Emissionen etc. oder eine Kombination solcher Größen).
Der Begriff„beliebige" Betriebszustände soll alle technisch sinnvollen Betriebszustände umfassen, die im sachgerechten Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors auftreten können.
So ein Steuerungskonzept hat den Vorteil, dass beispielsweise eine unkritische Ist- Emissionsgröße durch eine Veränderung der Führungsgröße so weit erhöht wird, dass eine kritische Ist-Emissionsgröße so weit verringert wird, dass sichergestellt wird, dass das
Emissionsgrenzniveau (Emissionsgrenzwert) einer Emissionsgröße für die kritische
Emissionsgröße nicht erreicht oder in einem Zeitraum nicht überschritten wird.
In einer Ausführung werden dabei eine oder mehrere Führungsgröße(n) durch eine
Indifferenzkurve aus pareto-optimalen Alternativen - von bspw. Einspritzmenge, Ist-Emissionen und/oder AdBlue-Dosierung - ausgewählt. Dies geschieht nach einer Heuristik, die die
Abstände der kumulierten Ist-Emissionen zu ihrem Grenzniveau berücksichtigt. Die Führungsgröße wird also bei diesem Verfahren dynamisch und situationsbedingt bestimmt bzw. adaptiert.
Dabei gibt es Ausführungen, bei denen die Betriebszustandsinformation wenigstens eine Drehzahl (n) und ein Soll-Drehmoment (M) umfasst.
Bei einer Ausführung umfassen die Ist-Emissionsgrößen wenigstens zwei der folgenden Größen. Zu den Größen gehören NOx-Ausstoß, HC-Ausstoß, CO-Ausstoß, C02-Ausstoß, kombinierter HC- und NOx-Ausstoß, Rußpartikelanzahl, Rußpartikelmasse, Zustand eines Dieselpartikelfilters, Zustand eines NOx-Speicherkatalysators.
In einer anderen Ausführung umfasst die Führungsgröße wenigstens eine der folgenden Größen, die sich auf das Emissionsverhalten auswirken, nämlich AGR-Rate, AGR-Aufteilung, Füllung, Zündzeitpunkt. Die daraus abgeleiteten Stellgrößen umfassen dabei eine der folgenden Größen, über die bei modernen Motoren die gewünschte Führungsgröße bewirkt werden kann, nämlich Drosselklappenstellung; Einstellung der variablen Turbinengeometrie, Einspritzzeitpunkt, Nockenwellenverstellung.
In einer anderen Ausführung werden zwei Ist-Emissionsgrößen betrachtet, und zwar insbesondere der Stickoxidausstoß und der Rußausstoß, die bei Dieselmotoren konkurrierend zusammenhängen.
Mit Hilfe eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät, lassen sich verbesserte Verbrauchswerte und Emissionswerte realisieren. So ein Verbrennungsmotor ist besonders für Fahrzeuge geeignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Motorsystem mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Input- und Output-Größen, sowie der
Informationsverarbeitung eines erfindungsgemäßen Steuergeräts;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem Ruß- und NOx-Emissionen in Abhängigkeit der AGR-Rate dargestellt sind; Fig. 4 pareto-optimale Arbeitspunkte, für die eine bestimmte Rußemission und eine bestimmte NOx-Emission gilt;
Fig. 5 Auswahl einer Führungsgröße durch eine Indifferenzkurve basierend auf dem
Zusammenhang von Rußemissionen und NOx-Emissionen bei einer bestimmten (erhöhten) kumulierten NOx-Emission;
Fig. 6 Fig. 5 dargestellte Auswahl für eine niedrigere kumulierte NOx-Emission;
Fig. 7 Fig. 5 dargestellte Auswahl für eine überhöhte kumulierte NOx-Emission;
Fig. 8 die in Fig. 5 dargestellte Auswahl basierend auf dem Zusammenhang von C02- und
NOx-Emissionen;
Fig. 9 Fig. 5 dargestellte Auswahl durch eine nichtlineare Indifferenzkurve;
In Fig. 1 ist ein Motorschema dargestellt, welches über ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 geregelt bzw. gesteuert wird. Dargestellt ist ein als Hubkolbenmotor 2 (Diesel- oder Otto-Motor), ausgebildeter Verbrennungsmotor, der über Ventile 3 und über einen Ladeluftstrang 4 befüllt wird und über einen Abgasstrang 5 entleert wird. Die Zuluft gelangt durch einen Luftfilter 6 und einen Abgasturbolader 7 mit verstellbarer Turbinengeometrie durch einen Zwischenkühler 8 über ein Einlassventil 3 in den Zylinder, wo gegebenenfalls über ein Einspritzsystem Kraftstoff zugeführt wird. Nach der Verdichtung und Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs wird das entstandene Abgas durch ein Auslassventil 3 über den Abgasstrang abgeführt.
Das verdichtete Abgas passiert dabei den Abgasturbolader 7, treibt diesen an und verdichtet so die Ladeluft. Anschließend passiert es einen Stickstoffspeicherkatalysator 10 sowie einen Dieselpartikelfilter 1 1 und gelangt schließlich durch eine Abgasklappe 12 in den Auspuff 13.
Die Ventile 3 werden über eine verstellbare Nockenwelle 14 angetrieben. Die Verstellung erfolgt über eine Nockenwellenverstelleinrichtung 15, die vom Steuergerät 1 ansteuerbar ist.
Ein Teil des Abgases kann über ein Hochdruck-Abgasrückführventil 16 in den Ladeluftstrang 4 eingeleitet werden. Ein abgasbehandelter Teilstrom kann im Niederdruckbereich nach dem Abgasturbolader 7 über eine entsprechende Abgaskühlung 17 und ein Abgasrückführungs- Niederdruckventil 18 in den Ladeluftstrang 4 geführt werden. Die Turbinengeometrie des Abgasturboladers 7 ist über eine Stelleinrichtung 19 einstellbar. Die Ladeluftzufuhr („Gas") wird über die Hauptdrosselklappe 20 geregelt.
Über das Steuergerät 1 sind u.A. das Abgasrückführungs-Niederdruckventil 18, die
Stelleinrichtung 19, die Hauptdrosselklappe 20, das Abgasrückführungs-Hochdruckventil 16, die Nockenwellenverstelleinrichtung 15 sowie die Abgasklappe 12 ansteuerbar (durchgezogene Linien).
Weiterhin wird das Steuergerät 1 über Sensoren und Sollwertgeber beispielsweise mit
Temperaturinformationen (Zwischenkühler 8, Abgaskühlung 17) und mit Ist-Emissionswerten (z.B. aus einem Sensor oder physikalischen/empirischen Modell) versorgt.
Dazu können noch weitere Betriebszustandsinformationen kommen wie: Fahrpedalstellung, Drosselklappenstellung, Luftmasse, Batteriespannung, Motortemperatur, Kurbelwellendrehzahl und oberer Totpunkt, Getriebestufe, Fahrzeuggeschwindigkeit.
Es besteht also ein komplexes Steuer- und Regelsystem, welches den Motorbetrieb in unterschiedlichsten Betriebszuständen hinsichtlich unterschiedlicher Zielgrößen einstellen, regeln und möglichst optimieren soll.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich dabei auf die Steuerung und Regelung von Emissionswerten in Abhängigkeit von vorgegebenen Emissionsobergrenzen und kumulierten Ist-Werten.
Ein solches Grundsystem ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei bestimmt das Steuergerät 1 eine oder mehrere zur Beeinflussung der Emissionen erforderliche und wirksame Führungsgrößen x(t).
Daraus werden Stellgrößen abgeleitet, die im Verbrennungsmotor 2 bzw. dessen Komponenten (zum Beispiel Stellung der Hauptdrosselklappe 20, Nockenwelleneinstellung, Einstellung der Turbinengeometrie des Abgasturboladers 7, Einstellung der Abgasklappe 12, etc.) die
Emissionen (zum Beispiel NOx, HC, CO, Ruß) des Verbrennungsmotors beeinflussen. Diese werden als Massenströme (Emissionsraten) EmDS erfasst (zum Beispiel Masse pro Zeit [mg/s]). Aus diesen Emissionen werden kumulierte Ist-Werte EmK der Emissionen abgeleitet (Integration der Emissionsraten über die Zeit). Aus diesen kumulierten Ist-Werten EmK werden im Steuergerät 1 zusammen mit der verstrichenen Betriebszeit t bzw. der zurückgelegten Strecke s, bekannten bzw. vorgegebenen Emissionsobergrenzen EmG und Informationen über den Fahrerwunsch FW (z.B.
Beschleunigung: aSo"; Drehmoment: MSo") und sonstige Betriebsbedingungen SB (z.B.
Geschwindigkeit: v; Drehzahl: n) des Verbrennungsmotors 2 die Führungsgröße(n) x(t) bestimmt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft den Zusammenhang zwischen NOx-Emissionen und Rußemissionen in Abhängigkeit von der Abgasrückführrate (AGR), die hier eine Führungsgröße x(t) bildet. Das Diagramm zeigt, dass durch Erhöhung der AGR die NOx-Emissionen zwar gesenkt werden können, dabei aber die Rußemissionen ansteigen.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit Führungsgrößenkombinationen von bestimmten Rußemissionen, die über bestimmte NOx-Emissionen aufgetragen sind. Besteht nun z.B. die Aufgabe, in einem (beliebigen) Betriebszustand die Rußemissionen zu minimieren/zu senken, dabei aber einen (kumulierten) NOx-Grenzwert einzuhalten, muss die Emissionshistorie (kumulierte Ist-Werte EmG) für zurückliegende (ggf. beliebige, in zufälliger Reihenfolge eingestellte, unterschiedliche Betriebszustände) berücksichtigt werden.
Pareto-optimale Zielgrößenkombinationen, bei denen der Ruß-Ausstoß nur weiter gesenkt werden kann, wenn die NOx-Emission erhöht wird, sind durch die Punkte x gekennzeichnet Alle pareto-optimalen Zielgrößenkombinationen bilden die sogenannte Paretofront, welche die Punkte x miteinander verbindet. Bei einem Minimierungsproblem sind Punkte links unterhalb der Pareto-Front (schraffierter Bereich) nicht realisierbar und alle rechts oberhalb vorgesehenen Zielgrößenkombinationen nicht pareto-optimal, da es jeweils Kombinationen (Punkte x) gibt, die sowohl hinsichtlich Ruß- Emission als auch der NOx-Emission günstiger auf der Paretofront realisiert werden können.
Die Auswahl aus pareto-optimalen Zielgrößenkombinationen von zwei Zielgrößen (NOx- Emissionen und Rußemissionen) zeigt die Darstellung in Fig. 5. In der rechten Säule ist als Emissionsobergrenze EmG ein NOx-Grenzwert NOx-G (gestrichelte Linie) angegeben und die darunter dargestellte Säule zeigt im schraffierten Bereich als kumulierten Ist-Wert EmK die bisherigen kumulierten NOx-Emissionen NOx-Ki. Da die kumulierten NOx-Emissionen NOx-Ki bereits relativ nah am NOx-Grenzwert NOx-G sind, ist hier ein relativ hohes
Austauschverhältnis zwischen den Zielgrößen Rußemissionen und NOx-Emissionen gewählt (erhöhte Rußemissionen, zugunsten von geringen NOx), um den NOx-Grenzwert NOx-G nicht zu überschreiten. Diese hier gewünschte Austauschrate wird durch die Indifferenzkurve I angegeben, die hier relativ steil abfallend dargestellt ist, und dann an die nächstliegende Zielgrößenkombination verschoben wird, in dem für diesen Betriebspunkt eine bestimmte Rußemission und eine bestimmte NOx-Emission realisierbar ist. Dieser Zielgrößenkombination wird dann mit Hilfe der im Diagramm aus Fig. 3 bekannten Informationen eine AGR als geeignete pareto-optimierte Führungsgröße x(t) zugeordnet.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem die kumulierten NOx-Emissionen (NOX-K2) weiter unter dem NOx-Grenzwert NOx-G liegen. Hier ist das Austauschverhältnis der Indifferenzkurve I kleiner (die Gerade fällt flacher ab). Hier kann also eine höhere NOx-Emission in Kauf genommen werden, ohne dass Gefahr bestünde, dass der NOx-Grenzwert NOx-G überschritten wird. Damit kann die Rußemission geringer gehalten werden. Die flacher verlaufende Gerade wird an die nächste Zielgrößenkombination verschoben, an dem eine bestimmte NOx-Emission und eine entsprechende Rußemission mit einer zugehörigen Führungsgröße x(t) (hier die entsprechende AGR aus Fig.3) realisierbar ist.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem die kumulierten NOx-Emissionen (NOX-K3) den NOx- Grenzwert NOx-G überschritten haben. Hier ist das Austauschverhältnis der Geraden I
(senkrechte Indifferenzkurve) quasi unendlich. Ungeachtet der Höhe der Rußemissionen wird die Führungsgröße x(t) für minimale NOx-Emission ausgewählt.
Fig. 8 zeigt analog zu Fig. 5 ein Beispiel, bei dem in Abhängigkeit der kumulierten NOx- Emissionen CO2 minimiert werden soll.
Fig. 9 zeigt analog zu Fig. 5 ein Beispiel, bei dem die Indifferenzkurve nicht linear verläuft.
Mit dem dargestellten Ansatz lassen sich im Betrieb und in Abhängigkeit von sich ändernden Randbedingungen die Emissionswerte (Zielfunktionen) verbessern. Neben den hier
dargestellten Problemen, bei denen Emissionsgrößen paarweise berücksichtigt wurden, kann das Verfahren auch auf mehrdimensionale Probleme ausgedehnt werden. So ist es zum
Beispiel möglich, pareto-optimierte Führungsgrößen x(t) für Mehrfach-Kombinationen (z.B. für C02-Ausstoß, Rußemission und NOx-Emission) zu bestimmen. Es können auch in Ergänzung zur Führungsgröße AGR noch andere Führungsgrößen x(t) pareto-optimiert zur Regelung bestimmt werden (z.B. VTG-Stellung oder Raildruck). Bezugszeichenliste
1 Steuergerät
Hubkolbenmotor
a Getriebe
Ventile
Ladeluftstrang
Abgasstrang
6 Luftfilter
7 Abgasturbolader
8 Zwischenkühler
9 Zylinder
10 NOx-Speicherkatalysator
1 1 Dieselpartikelfilter
12 Abgasklappe
13 Auspuff
14 Nockenwelle
15 Nockenwellen-Verstelleinrichtung
16 AG R- H och d ru ckven ti I
17 Abgaskühlung
18 AGR-Niederdruckventil
19 Stelleinrichtung
20 Hauptdrossel
x(t) Führungsgröße
NOx-G Grenzwert
NOx-Ki kumulierter Ist-Wert
FW Fahrerwunsch
SB Sonstige Betriebsbedingungen
EMG Emissionsobergrenze
EMK kumulierte Emissionswerte
EMDS Emissionsdurchsätze
I Indifferenzkurve

Claims

Patentansprüche
1. Steuergerät (1 ) für einen Verbrennungsmotor (2), mit einer Funktion, die unter
Berücksichtigung einer Betriebszustandsinformation (FW, SB)
- einer Obergrenze und
- einer kumulierten Ist-Größe
eine Führungsgröße (x(t)) bestimmt, die einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (2) so beeinflusst, so dass mehrere Ist-Größen so eingestellt werden, dass kumulierte Ist- Größen in einem Betriebszeitraum mit einer Zusammenstellung aus beliebigen, in zufälliger Reihenfolge eingestellten, unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (2) Obergrenzen für diesen Betriebszeitraum nicht überschreiten, wobei eine Zielfunktion minimiert wird, indem die Führungsgröße (x(t)) mittels einer Indifferenzkurve (I) aus pareto-optimalen Alternativen ausgewählt wird.
2. Steuergerät nach Anspruch 1 , wobei die Zielfunktion eine Ist Emissionsgröße (EmDS), einen Kraftstoffverbrauch und/oder eine C02-Emission umfasst.
3. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebszustandsinformation (SB, FW) eine Drehzahl (n(t)) und ein Solldrehmoment (MSoll(t)) umfasst.
4. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei der Betriebszeitraum und die
unterschiedlichen Betriebszustände einer Fahrt bekannt sind.
5. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, wobei die Ist-Emissionsgrößen (EmDS) wenigstens zwei der folgenden Größen umfassen: NOx-Ausstoß, HC-Ausstoß, CO- Ausstoß, C02-Ausstoß, kombinierter HC- und NOx-Ausstoß, Rußpartikelanzahl,
Rußpartikelmasse, AdBlue- Verbrauch.
6. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5 wobei die Führungsgröße (x(t))
wenigstens eine der folgenden Größen umfasst: AGR-Rate, AGR-Aufteilung, Füllung, Ladedruck, Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt, Raildruck.
7. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei wenigstens zwei Ist- Emissionsgrößen (EmDS), insbesondere NOx-Ausstoß und Rußausstoß, betrachtet werden.
8. Verbrennungsmotor (2) mit einem Steuergerät (1 ) nach Anspruch 7.
9. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 8.
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