JP5946269B2 - 内部および外部の排ガスリサーキュレーションを有するｎｏｘコントローラー - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンにおける窒素酸化物排出物を減少するための方法であって、燃焼の排ガスの少なくとも一部が、内部の排ガスリサーキュレーションによって燃焼室に戻される方法に関する。さらに本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンであって、少なくとも内部の排ガスリサーキュレーションを有するものに関する。

内燃機関および特にディーゼルエンジンがさらされる一つの要求は、窒素酸化物の限界値を守ることであり、その際、だんだんと低くなっている法上の限界値は、この窒素酸化物排出物の減少を要求している。窒素酸化物排出物の減少のための一つの可能性は、排ガスの部分部分を燃焼室に戻し、これによってシリンダーの燃焼室内の酸素濃度を調節することである。このいわゆる排ガスリサーキュレーション、短縮してＡＧＲは公知であり、シリンダーの燃焼室内の酸素濃度を減少する可能性を表している。この際、過渡的および静的な運転中のシリンダー内の酸素濃度の正確な調節は、中心的な意味を有する。内燃機関の静的な運転が、コントロールに対して大きな要求をなさないとき、良好な窒素酸化物排出物の相互関係を表すことができるために、特に、過渡的な運転中に排ガスリサーキュレーションが可能な限り正確に求められなければならない。排ガスリサーキュレーションにおいて、内部と外部の排ガスリサーキュレーションが区別される。バルブのオーバーラップフェーズ中にアウトレットチャネルから燃焼室内へ、排ガスを戻して流すことが、内部の排ガスリサーキュレーションと称される。その際、内部の排ガスリサーキュレーションの程度は、新気供給部と排ガスシステムの間の圧力差、バルブオーバーラップの期間、バルブによってリリースされる開口部の断面積に依存する。バルブオーバーラップを意図して変化することによって、内部の排ガスリサーキュレーションが、各負荷条件および運転条件に対して最適化される。ここで例えばフェーズ調節装置によって、バルブリフト（Ventilerhebung）に影響を及ぼし、内部の排ガスリサーキュレーションを調整することができるということが可能である。別の公知の排ガスリサーキュレーションは、外部の排ガスリサーキュレーションである。ここで、エキゾーストマニフォールドの領域の排ガスが、インレットチャネルの新気供給部へと直接戻される高圧排ガスリサーキュレーションと、排ガスが、排ガスシステム中に組み込まれたタービンの後方で分岐し、そしてさらに過給によって新気供給部に案内される低圧排ガスリサーキュレーションが区別される。

内部の排ガスリサーキュレーションを制御する可能性が、特許文献１に記載される。ここでは、可変のバルブ制御が記載され、これによって作動媒体の流入および流出が制御可能である。そのような柔軟な制御によって、内燃機関の静的でない運転中に作動媒体の供給が、異なる運転状態に対して適合可能であるという利点が与えられる。インレットバルブおよびアウトレットバルブの適切な制御によって、シリンダー中の排ガス量は上昇するので、新たな混合器を吸入するためのシリンダー残量は引き下げられる。減少した新たな吸入混合気量によって、負荷が減少する。この処置は、最大負荷のおよそ半分まで考慮に入れられる。更なる負荷引き下げは、先行する作動サイクルから燃焼室内に残る排ガス量が、上死点のおけるインレットバルブおよびアウトレットバルブの適当な制御時間によって減少されることによっても、燃焼室に至る新気量が、インレットバルブの適当な制御時間によって減少されることによっても達成されることができる。よって、可変バルブ制御、短縮するとＶＶＴを用いることによって、内部の排ガスリサーキュレーションを制御する可能性が達成される。印刷物の内容、特にＶＶＴに関するものは、これによって完全に本発明の開示に取り入れられる。

内燃機関の排ガス中の窒素酸化物排出物を最少化するためのコントロールが、特許文献２中に開示されている。窒素酸化物排出物の調節の為に、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物値が監視され、そして、窒素酸化物限界値との相互関係が設定され、そして燃焼コントロール部が、窒素酸化物調整の値に基づいて窒素酸化物限界値を守るための適合を行う方法が開示されている。空気消費量、排ガスリサーキュレーション率、および酸素量比率の仮想の値の他に、排ガス中のパティキュレート濃度の計算と、排ガス中の窒素酸化物の仮想の物質量比率（Stoffmengenanteil）の計算とに、計測されたかまたは特性マップから取得された窒素酸化物の物質量比率の値が入れられる。排ガス中の窒素酸化物比率の把握のために、窒素酸化物プローブが使用され、この窒素酸化物プローブの取得した値が、排ガスリサーキュレーションバルブのコントロールの為のコントロールユニット内で使用される。この印刷物の開示の内容は、特に外部の排ガスリサーキュレーションとモデリングに関して、同様に完全に本発明の開示の中に取り込まれる。

内燃機関の排ガス中の窒素酸化物比率に影響を与える別の可能性が、特許文献３に開示されている。窒素酸化物センサーに対する適応性を有する仮想の窒素酸化物センサーを使って、排ガスリサーキュレーション率をコントロールするためのコントロールシステムが開示されている。窒素酸化物センサーの時間的な遅延を考慮するために、第一のコントロール部は、仮想の窒素酸化物センサーをシミュレートする第一のコントロール手段を有しており、第二のコントロール手段は、仮想の窒素酸化物センサーの適応されたコントロールを行い、そして、第三のコントロール手段は、窒素酸化物コントロールを実現する。その際、第一のコントロール部は、仮想の窒素酸化物センサーが、コントロールの為のプリセットを実施するよう構築されている。開示された方法によって、排ガスリサーキュレーション質量流のコントロールが可能となり、その際好ましくは、排ガスリサーキュレーション質量流は調整値として使用される。排ガスリサーキュレーション質量流の調節を介して、内燃機関のインテークパイプ中の酸素含有量が調節される。仮想の窒素酸化物センサーは、仮想の酸素含有量を分析し、この含有量は適応された値によって修正される。これによって、排ガス中の仮想の窒素酸化物値を推量することができる。公知の、窒素酸化物値の単独での把握および計算の他に、窒素酸化物値のモデルベースの計算によって、窒素酸化物センサーの把握の時間的遅延が計算に入れられる。この印刷物もまた、特にモデリングとコントロールに関して、完全に本発明の開示に含まれる。

独国特許出願公開第 34 01 362 A1号明細書 国際公開第2008/131788号明細書 国際公開第2008/131789号明細書

本発明の課題は、同一の運転領域に対する内燃機関の改善された排ガス態様を可能とし、その際迅速なコントロールが可能であることである。

この課題は、方法に関して請求項１によって、および内燃機関に関して請求項１２に従い解決される。有利な実施形は、各下位の請求項に記載される。請求項に記載の個々の特徴は、これに限定されず、以下に記載の他の特徴や、下位の請求項の他の特徴と、更なる実施形のためにリンク可能である。

ディーゼルエンジンにおいて窒素酸化物排出物を減少するための方法であって、この方法において、燃焼室内のエンジン内燃焼の排ガスの少なくとも各一部が、以下のように分割される、つまり、
・ 排ガスの第一の部分は、内部の排ガスリサーキュレーションとして、ディーゼルエンジンの燃焼室から、燃焼室に付設されたアウトレットバルブを介して、後続する排ガス経路へと排出され、そして再びアウトレットバルブを介して後続する排ガス経路からディーゼルエンジンの燃焼室へと戻され、
・ 排ガスの第二の部分は、燃焼室内にとどまり、押し出されず、
・ 排ガスの第三の部分は、外部の排ガスリサーキュレーションとして、アウトレットバルブから排出された後に、排ガスリサーキュレーションバルブを介して燃焼室に戻され、および、
・ 排ガスの各部分は、燃焼行程のために燃焼室内における残留排ガスを共に形成し、
その際、残留排ガス、及び/又は、燃焼室内の排ガスの部分の間の少なくとも比率が調節されることが提案される。

ディーゼルエンジンにおいて窒素酸化物排出物を減少するための方法であって、燃焼室内のエンジン内燃焼の排ガスの少なくとも一部が、内部の排ガスリサーキュレーションによって戻されるこの方法は、第一の改良形に従い、第一の方法ステップ中において、少なくとも一つの物理量、特に残留排ガスの温度及び圧力が検出され、そして別の方法ステップ中において、残留排ガスの密度および残留排ガスの質量が計算されることが意図されている。このようにして、例えばこれに続いて、計算された残留排ガスの質量に基づいて、燃焼室内への新気の供給、及び/又は、燃焼室内の酸素濃度が検出され、好ましくは調整されることが可能である。内燃機関が、いまだ始動過程にある場合、残留排ガスの質量は、一つの実施形に従い、予め定められることもまた可能である。このため例えば特性マップが援用されることがある。この特性マップから、例えば他のパラメーターに応じた値を取り出すことが可能である。このパラメーターは、例えば以下の一または複数のグループであることが可能である：燃料特性値（Treibstoffcharakterisierung）、周囲温度、内燃機関のオイル温度、周囲圧力、空気中の湿度（Luftfeuchte）、排ガス浄化装置の状態。

残留排ガスの質量を求めることにより、燃焼室内への新気供給、及び/又は、燃焼室内での酸素濃度が、好ましくは、燃焼室の既知の幾何寸法を考慮しつつそれぞれ求められ、好ましくは調整されるという可能性が達成される。燃焼室の既知の形状、例えば作動媒体の供給および排出のために使用されるシリンダーの一部から、そして燃焼室内に存在する残留排ガスの質量をふまえ、燃焼室内の酸素濃度及び/又は新気供給を計算することが可能である。燃焼室内の酸素濃度及び/又は新気供給は、よって、残留排ガスを考慮しつつ極めて正確に求めることが可能であり、および各運転に対して、特に、過渡的な運転と静的な運転に対して調節することが可能である。

排ガスリサーキュレーションはまた、特に、上述した先行技術から明らかであるように、好ましくは提案された過程とリンクすることによって、センサーによって排ガス中の窒素酸化物比率を計測することに基づき、考慮されることが可能である。

他の実施形は、新気供給及び/又は燃焼室内の酸素濃度の直接の調節が、その作動ストローク（Arbeitstakt）中及び/又はその直後の作動ストローク中に可能とされることが意図される。特に、過渡的な領域中において、これは、残留排ガスの組成と、新気の供給を、燃料流入の変化、特に噴射の変化の現在支配的である条件に合わせて適合することを可能とする。残留排ガスの組成が、少なくとも基本的に内部の排ガスリサーキュレーションを介して、例えばもっぱらバルブリフトのフェーズ位置を介して行われるとき、内部の排ガスリサーキュレーションは、新気供給に対する尺度と、内燃機関の窒素酸化物排出物に対する調整量を形成する。窒素酸化物比率の調整はまた、内燃機関が、インレットバルブとアウトレットバルブの固定されたフェーズ位置（フェーズタイミング）でもって運転されるとき、可能である。残留排ガスの検出されたか、または計算された質量に依存して、新気供給が、インレットバルブによって行われ、これによってシリンダーの燃焼室中の酸素濃度の調整が行われることが可能である。例えば、残留排ガスの第一の部分に依存して、内部の排ガスリサーキュレーションに関して、燃焼室内の新気で充填すべき容量を修正する結果、過渡的な運転に対しても、正確なシリンダー充填とその組成を計算することが可能であるという可能性が存在する。

特に、燃焼ストロークのための燃焼室中の残留排ガスの検出は、内燃機関のシリンダーの各燃焼室中の酸素濃度の正確な調節を、好ましくは過渡的な運転中と静的な運転中に可能とする。一つの実施形に従い、多気筒内燃機関の各燃焼室に対してこの方法が適用されることが意図される。例えば、この方法は永続的に適用されることが可能である。他の実施形に従い、一時的にのみ使用されることも可能である。例えば、内燃機関の過渡的な運転領域、例えば、加速運転中や減速運転中に、方法が使用されることが可能である。さらに、内燃機関の始動フェーズにおいて方法が使用可能である。酸素濃度の調節と、窒素酸化物排出物の減少は、過渡的なおよび始動運転中に、特に法定の排ガス値を守るために有利である。

本方法の別の実施形は、吸入された、燃焼室に対して求められた新気の第一の温度と、残留排ガスの第二の温度が求められ、そして数値演算ユニット、点火遅れを計算するためのモデルを使って、および少なくとも新気と残留排ガスの第一および第二の温度に基づいて、シリンダー充填温度が計算されることを意図している。一つの改良は、シリンダー充填温度、好ましくは計算されたシリンダー充填温度から、残留排ガスの第三の部分と第一の部分お比率の分配が推量され、好ましくはこの比率が調整されることを意図している。別の実施形は、少なくとも、残留排ガス一または複数の部分、及び/又は、残留排ガスの部分部分の互いの一または複数の比率が、目標値としてコントロール部中で予め定められることを意図している。残留排ガスの第一の部分、及び/又は、残留排ガスの第三の部分が調整されると、有利である。

例えば、内部及び/又は外部のリサーキュレートされた排ガスの一部が、残留排ガスの形成のために調整されると有利である。シリンダー充填温度を求めることによって、温度に直接燃焼室内で影響を及ぼし、そして残留排ガスの質量の目標値を求めることが可能である。特に、内燃機関によって少ない負荷が要求されている結果、少ない過給圧であるという場合、高い排ガスリサーキュレーション率は、極めて低い圧縮終了温度とよって低い圧縮圧力に通じることが可能である。これら条件は、低い酸素濃度と共に、極めて劣悪な点火条件に通じる。このことから、とても長い点火遅れが生じ、この点火遅れは、ミスファイアと言えるほどの、著しく高められた炭化水素排出と一酸化炭素排出に通じる。よって、必要な窒素酸化物境界値を満たすために、酸素濃度を高めること、または排ガスリサーキュレーション率を低めることは役に立たない。窒素酸化物境界値を守るために、高温の内部の排ガスリサーキュレーションの割当てを高めることが提案される。点火遅れの計算のためのモデルによって、シリンダー充填温度が計算されるとき、内部及び/又は外部のリサーキュレーションされる排ガスの比率の分配によって、窒素酸化物排出物の減少のためのコントロールを提供することが可能である。よって、内燃機関の運転状態及び/又は負荷に応じて、多くのまたは少ない内部のまたは外部の排ガスが燃焼室に戻される。

例えば、算出された点火遅れに基づいて、最大の点火遅れ期間に属する最低の圧縮終了温度が計算され、そして最低の圧縮終了温度によって最低のシリンダー充填温度が計算され、最低の圧縮温度が達成されるとき、本方法の最適化が行われる。最低の圧縮終了温度を達成するために、内部及び/又は外部のリサーキュレートされる排ガスの組成の分配を求め、好ましくはこれを調整することは有利である。点火遅れによって、燃焼と、よって内燃機関の排出物態様が制御可能である。提案されるように、最大の点火遅れ期間とこれに属する最低の圧縮終了温度が計算されるとき、これによって、最低の圧縮終了温度に基づいて、シリンダー充填温度を求めることが可能である。最低の圧縮終了温度の調整は、よって残留排ガスの調整を介して、特に、残留排ガスの組成の分配を介して調整可能である。よって例えば、シリンダー充填中の温度が、内部および外部のリサーキュレートされる排ガスの割当ての供給の制御を介して調節可能である。例えば、残留排ガスの質量の求めることが可能な目標値と、また例えば、内部の排ガスリサーキュレーションの第一の部分の決定は、望ましいシリンダー充填温度に影響を与えることができ、特に直接決定することができる。

好ましくは、逆算的に計算された点火遅れのモデルによって、最大可能な点火遅れ期間に属する最低の可能な圧縮終了温度が計算されることが提案される。これに続いて、最低のシリンダー充填温度が計算され、圧縮終了温度が達成される。供給される新気の温度および残留排ガスの温度から、燃焼室内の残留排ガスの第一の部分と第三の部分の比率の分配が、およびこれに伴い、内部および外部の排ガスリサーキュレーションが求められ、制御され、及び/又は調整される。

別の実施形においては、物理量、特に少なくとも温度及び/又は圧力が、特定の時点、例えば、エンジンのアウトレットバルブが閉じる時点に対する点火遅れの計算の為に探出されることが意図されている。点火遅れの計算の為に、内燃機関のアウトレットバルブが閉じるその時点に関するある物理量が基礎とされると、燃焼室内の残留排ガスの質量のための正確なあたりが、より正確に求められることができ、このことは、燃焼室内の酸素濃度の調節にまたもや良い影響を与える。

窒素酸化物排出物の減少のコントロールと計算の為の物理量は、センサーによって直接であったり、及び/又は、例えば特性マップからの存在する値によったり、及び/又は、計算された値として存在したりする。その際、少なくとも、供給される新気及び/又は残留排ガスの圧力及び/又は温度が、センサーによって、及び/又は、存在するデータ及び/又は計算されたデータによって求められると有利である。センサーによる窒素酸化物排出物の調整の為の値としての温度値及び/又は圧力値の決定は、内燃機関内の具体的および現実の状況が探出されるという利益を与える。センサーにおけるデメリットは、検出時間が長いことがあるので、特性マップからの存在している温度値と圧力値を用いると、場合によってはより迅速な調整が可能となることがある。これは、個々の場合に慎重に検討し、チェックしなければならない。計算されたデータは、センサーにより取得されたデータを用いて考慮し、そして例えば存在するデータ、つまり特性マップからの物理量を考慮するという可能性を与える。例えば、モデルベースの値を援用し、そしてそれによって調整値の直接の適合を可能とするという可能性が存在する。また、燃焼の現実のシーケンスを、新気供給及び/又は酸素濃度の調整において、または残留排ガスの調整において考慮するという可能性も存在する。

残留排ガスの組成と、特に内部の排ガスリサーキュレーションを可変のバルブ制御によって制御し及び/又は調整すると有利である。本方法が、可変バルブ制御と、およびこれによって変更可能なバルブ制御時間をともない実施されるとき、内部の排ガスリサーキュレーションは極めて正確に調節可能である。例えば、能動的な内部の排ガスリサーキュレーションによって、目標残留排ガス質量が決定されるとき、これから、バルブ制御時間が直接導き出されることができる。これによって、新気供給と点火遅れに影響を与えることに関して燃焼過程に影響を与える他に、エンジンの窒素酸化物排出物に影響を与えるという更なる可能性が達成される。例えばアウトレットバルブが閉じる時点に対して、戻される排ガスの能動的質量を正確に求めることは、また、目標残留排ガス質量を正確に求めることを可能とするので、目標バルブタイミングを調節することが可能である。

本発明の別の実施形は、内部及び/又は外部の排ガスリサーキュレーションの比率を、形状に関するシリンダーデータによって探出することを意図している。内部の排ガスリサーキュレーションの質量を決定することは、シリンダーの形状寸法に基づいて行われるので、内部の排ガスリサーキュレーションに対する目標値が極めて正確に決定可能である。例えば排ガスの温度及び圧力に基づいて、排ガスの密度を求めるとき、形状寸法を使って、燃焼室内の残留排ガスの正確な質量を求めることができる。その際同時に、インレットバルブの直前の吸入システムまたはインテークマニホールド内の吸入される新気の圧力および温度もまた考慮されるとき、正確な質量決定または比率決定が、燃焼室内の新気について可能である。内燃機関が、可変バルブタイミングを伴って実施されるとき、燃焼室内の残留排ガスの検出された質量に基づいて、および検出された圧縮終了温度に基づいて、後続するシリンダー充填、例えば次の作動ストロークにおけるシリンダー充填のための正確な目標排ガスリサーキュレーション質量が決定可能である。目標残留排ガス質量から、例えばバルブ制御時間が、直接導き出されることができる。運転状態、つまり過渡的なまたは静的な運転を考慮することによって、残留排ガスの質量が決定可能である。

さらに、内燃機関、特にディーゼルエンジンであって、上述したような、組み込まれた方法を有するものが提案される。例えば、内燃機関は、各燃焼室のための新気供給部、内部の排ガスリサーキュレーションを実行するための少なくとも一つの可変バルブ駆動部、少なくとも一つの排ガスリサーキュレーションバルブ、残留排ガス及び/又はその部分の圧力及び温度を求めるための少なくとも一つの装置、および数値演算ユニットを有し、その際、数値演算ユニットは、点火遅れを計算するため、並びに残留排ガスの密度および質量を求めるための少なくとも一つのモデルを有し、これは、算出された残留排ガスの質量に基づき、好ましくは各燃焼室のための新気供給を求める。

新気供給によって、燃焼室内の酸素濃度が得られ、これは、本方法を使って各運転ポイントに対して少なくとも残留排ガスを探出することによって求められる。

よって、酸素濃度の調節を、内燃機関の過渡的なおよび静的な運転に対して調節する可能性が達成される。シリンダーの燃焼室の充填の際に、供給空気の質量流及び/又は排ガスリサーキュレーションバルブによって同様に燃焼室内に流れる質量流が影響を受け、その際、このために、バルブ燃焼室のインレットバルブが使用されることが可能である。外部の排ガスリサーキュレーションは、代替として、しかしまた、インレットバルブに依存せずに、燃焼室への独自のアクセスを介して行われることができる。好ましくは、燃焼室内への供給空気流は、正確な酸素濃度が、燃焼室内に存在する残留排ガスの求められた質量に基づいて検出された要求に基づいて調節されるよう制御される。

内燃機関の一つの実施形は、可変バルブタイミングによって調節可能な内部の排ガスリサーキュレーションを有する。可変バルブタイミングは、酸素濃度を決定するための新気供給の独占的（専有的）な調整を介して、酸素濃度を、直接、アウトレットバルブまたはインレットバルブのフェーズタイミングにより制御しまたは調整することを可能とする。内燃機関の各運転状態に応じて、内燃機関におけるバルブの様々なフェーズ位置（Phasenlagen）が調節可能である。例えば、自動車の過渡的な運転に関係して、過剰の窒素酸化物排出物が検出されるかまたは計算されるとき、燃焼室内の酸素濃度に対する直接の影響を及ぼすことが可能である。内部の排ガスリサーキュレーションの質量の決定によって、新気供給が直接制御されることが可能である。その際、内部の排ガスリサーキュレーションは、可変バルブ制御によって制御せれて、算出された燃焼室内の質量に基づき、目標排ガスリサーキュレート質量のための基準値に調節可能であるので、後続する燃焼サイクルに対して、目標排ガスリサーキュレート率および対応するバルブ開口時間またはオーバーラップ時間を予め設定することが可能である。

内部および外部の排ガスリサーキュレーションの比率を調整することにより、一方で燃焼室内の酸素濃度が調節可能であり、他方で点火遅れに影響を与えることができる。例えば低い酸素濃度に基づいて、劣悪な点火条件が検出されるとき、内部の排ガスリサーキュレーションを高めることにより、燃焼室内の温度が高められることが可能であり、詳しく言うとこれは、良好な点火条件を保障する圧縮終了温度が達成可能であるよう行われる。よって、内部の排ガスリサーキュレーションにより間接的に内燃機関の排出物態様が改善される。残留排ガスの質量に対する別の影響は、外部の排ガスリサーキュレーションが低圧および高圧の排ガスリサーキュレーションとして実施可能であることによって知覚可能である。例えば、高圧排ガスリサーキュレーションによって、供給される新気を含む混合物（Gemisch）の温度を迅速に上昇可能であるので、点火態様に対する影響を短期間に及ぼすことができる。低圧排ガスリサーキュレーションは、さらに、新気組成を有する混合物（Mischung）のより低い温度を可能とする。

燃焼室内の温度への別の影響を与えるために、外部の排ガスリサーキュレーションは、冷却されるまたは冷却されない排ガスリサーキュレーションであることが可能である。冷却された排ガス質量流が新気に混合されるとき、燃焼室内の低い温度が生じる。仮定されたまたは取得された新気の温度に基づいて、および既知のまたは取得された残留排ガスの温度に基づいて、燃焼室内の残留排ガスの質量を求められるとき、冷却された排ガスリサーキュレーションによって、点火態様に影響を与え、それによって内燃機関の排出物に影響を与える更なる可能性が達成される。

本発明の別の実施形は、以下の図より明らかとなる。図より明らかである実施形は、しかしながら本発明を限定するために与えられるものでない。これらはむしろ説明のためのものである。以下の図の実施形の一または複数の特徴は、図における、または、上述した説明の他の実施形の一または複数の特徴と、本発明の別の組み合わせのために結合可能である。

調整ダイアグラムの第一の実施形 第一の調整ダイアグラムの拡張形 酸素およびNOX濃度の間の関係 ススを考慮する可能性 内部および外部の排ガスリサーキュレーションの間の配分を求める一つの可能性 低圧および高圧排ガスリサーキュレーションの間の比率を求める補足 本方法が図式的にどのように実施されうるかを示す改良形 高圧排ガスリサーキュレーションに対するモデルベースの予制御の例示的実施形 特に低圧排ガスリサーキュレーションを考慮した、調整ストラテジーに関する例示的オーバービュー 図１または２に表された図の補足 紹介された本方法が組み込まれる内燃機関の簡略図

図１は、内燃機関の簡略図を、特に内燃機関に対して組み込まれた本方法タイプに関して示している。この内燃機関においては、高圧および低圧パスEGR-HP、EGR-LPが排ガスリサーキュレーションのために存在しており、考慮される。ここで排ガスリサーキュレーションの各パスに対して望ましいＯ２濃度が求められる（決定される）。Ｏ２濃度は、例えば、内燃室内に含まれる空気のパーセント比率でありえ、また、ボリュームパーセントでの記載、化学量論的（stoechiometrisch）記載、他の記載でありえ、特に内燃室に関する値であることが可能である。図１に表されたモデルは、Ｏ２及びＮＯＸの為の各濃度に関する少なくとも一つの基準値と、取得されたＮＯＸ値が、センサーによって、好ましくはラムダゾンデによって、ＮＯＸモデルに入力されることを示している。更に、クランク軸の回転速度ｎ、または与えられる若しくは発生されるトルクｑのような例示的な値によって表される、内燃機関が存在している運転条件に基づいて、基準値が検出（探出）されることが可能である。これら基準値は、例えば一または複数の特性マップから取得されることが可能である。これによって、ＮＯＸの濃度の値が設定されることができ、その際、この設定された濃度値が、周辺条件の影響によって適合されることが可能である。さらに、内燃機関の運転条件関して、ＮＯＸまたはＯ２の濃度に関する各基準値が設定される。ＮＯＸモデルは、そのようにして、例えば、一つには、個々の値として排ガスコントロール部に入る、酸素濃度を決定することができる状態である。他方ではこの酸素濃度は、これより発生するシリンダー温度と、この酸素濃度が、予め定められたＣＯリミットを保持しているかどうかのチェック部に入る。このために、例えば、４ストロークサイクルにわって、特に燃焼サイクルにわたって、検出されるか、または予め設定される圧力または温度が、共に考慮される。その後これより望まれる酸素濃度が導きだされる。これは、一方では、例えば排ガスリサーキュレーションの高圧パスに関する調整部または制御部に入り、他方では、高圧および低圧排ガスリサーキュレーションパスの間の排ガスリサーキュレーションの配分の計算へと入る。その後、これより、低圧パスのための酸素濃度が求められることができ、これはまた、例えば低圧排ガスリサーキュレーションバルブまたはアウトレットバルブのポジションの決定中において参考とされている。他方では、このようにして求められた酸素濃度の値は、高圧排ガスリサーキュレーションの調整部へと入る。望まれる酸素濃度と共に、この調整は、インレット酸素濃度を求めることができ、これは再び排ガスを介して、可変バルブ運転中の可変のバルブの特別な位置決めまたは駆動のための内部的調整に通じることができる。他方では、例えば、高圧排ガスリサーキュレーションバルブのポジション、および開口または平行の為の相応する制御時間が決定される。このようにして、残留排ガスの異なる部分部分が、内部の排ガスリサーキュレーションとして内燃室に侵入する排ガスの第一の部分、燃焼室内に留まり、押し出されない排ガスの第二の部分、および、外部の排ガスリサーキュレーションとして排ガスリサーキュレーションバルブを介して燃焼室内へ戻される排ガスの第三の部分が、一方では検出され、および調節されることが可能であるということが可能であり、その際、このために好ましくは燃焼室の酸素濃度が使用され、よって、これから窒素酸化物排出物の減少が、特にディーゼルエンジンにおいて可能である。

図２は、本方法タイプの図１からの改良形を示す。ここでは、ディーゼルエンジンの運転中に、燃焼室の温度および圧力が検出され、さらに残留排ガスの密度と、これから残留排ガスの質量が計算されることが可能であることが意図されている。このために、排ガスリサーキュレーション制御または調整の中に、排ガス質量流が入り、この排ガス質量流が、内部の排ガス質量流として、ＮＯＸモデルから内燃室または燃焼室を考慮し、そしてそれから生じる圧力、温度およびＣＯに関するリミットを生じる。

図３は、酸素とＮＯＸ濃度の間の可能性のある関係の例示的形態を示しており、これがどのようにしてＮＯＸモデル中で使用されることが可能であるかを示している。Ｙ軸には、ＮＯＸ値が表され、Ｘ軸にはインレットにおける酸素濃度が表される。ＮＯＸモジュールが使用される、というのは、ＮＯＸセンサーの反応は遅すぎることがあるからであり、これによって検出されるＮＯＸのＮＯＸ調整における決定を可能とすることができる。このため例えば、相関関係を使用するＮＯＸモデルを使用することが提案される。表されるとおり、よって、一方ではＮＯＸの濃度と、他方では酸素濃度の間の相関関係が使用されることが可能であり、その際、指数ｋもまた同様に採用される（mit Eingang befindet）。指数ｋは、例えば、内燃機関の運転条件にわたって一定であることが可能である。予め決定することにより、相関関係が、モデリングの際に方法タイプへ取り込まれることができるように、使用されおよび調節されることが可能である。

図４は、本方法テーマの中に入ることが可能である別の関係をしめす。ここではススが考慮される可能性である。そのようなものとしてススのセンサーは存在していない。しかしながら、ススによる影響は検出される（べきである）。このため例えば、Ｙ軸にススの数が表され、一方、Ｘ軸に空燃比が表されている。計測によって、例示的に示されているような相関関係が推論される。このような相関関係は、同様に、本方法の別の実施形においても考慮されることが可能である。

図５は、内部及び外部の排ガスリサーキュレーションの間の配分が、どのようにして決定されるかの例示的可能性を示す。属する圧力値、望ましい酸素濃度、そしてまた、現在の内燃機関の状態が、現在の運転ポイントに関して採用されることにより、例えば、燃焼室内の最低温度の計算の計算が可能である。これから、最低温度が求められ、そしてその後、温度または圧力を援用しつつ、内部的にリサーキュレートされる排ガスの見積もりを行うために使用される。これに基づいて、例えば可変バルブ駆動部の予制御が行われ、他方で一または複数のシリンダーの充填モデルが、操作される。充填モデルは、その後、望ましいインレット酸素濃度を決定することができるという可能性を有する。これは、本方法においてさらに使用されることが可能である。

更に図６は、低圧および高圧排ガスリサーキュレーションの間の比率の決定の別の補足を示している。例えば、図５において決定された酸素の濃度値が使用され、これを評価ツールおよび優先順位付ツール内で使用することができる。例えば、ここでも同様に、内燃機関における過給が意図されていることもあるという点、意図されている。このため、圧縮モデルが意図されており、その際、望ましい圧力、例えば、圧縮された質量流の最善状態が検出され、そしてこれが、排ガスリサーキュレーション比率の廃部の計算に採用される。更にこれは、重みづけおよび優先順位付の枠内でも考慮される。更に、排ガスリサーキュレーション比率の計算は、シリンダー内の望ましい空気温度の計算によって、高圧パス中の排ガスリサーキュレーション温度の見積もりによって、および低圧パス中の排ガスリサーキュレーションの温度またはインレットの温度の見積もりによって、可能とされる。これらは共通して、排ガスリサーキュレーション比率の配分の計算の第一のステップにおいて、採用されることにもまた同様に、使用されることができる。さらに、内燃機関の現在の運転ポイントに基づく基本値が、高圧または低圧排ガスリサーキュレーションパスに対して設定される。これらは同様に重みづけと優先順位づけにも取り上げられる。さらにオプションとして、例えばＨ２Ｏ含有量、特に低圧排ガスリサーキュレーションパスの前のものが、例えば制限された値として、重みづけ及び優先順位付に取り上げられることが意図されることが可能である。そこで検出された一または複数の値は、さらに一つの処理へと取り上げられる。この処理においては、一方で、触媒装置の見積もられた温度を介して、触媒の状態が推論される。これによって、酸素濃度の値が、望ましい値として設定されたかどうかと、どのように望ましい値として設定されたか、その後どのように使用されるかが、決定されることが可能である。このため、本方法はまた、あらかじめ定められた酸素濃度の化学量論的値が、使用されるべきであることの決定を下すことが意図されている。

図７は、本方法が図式的にどのように形成されるかの改良実施形を示す。運転ポイントにおける条件、特に例えば回転数ｎ、または、与えられる若しくは望まれるトルクの決定に基づいて、様々な値が、さらなる方法のために予め与えられることができるか、またはテーブルもしくは他のメモリー装置から取り出されることが可能である。例えば上述した方法シーケンス中で取り出された値はまた、ここでも考慮されることが可能である。このようにして、ＮＯＸ決定および相関関係を介して、酸素値が決定されることができる。この値は、現在の決定された酸素値との比較へともたらされることが可能である。これは、再び、調整ループ中で取り上げられ、その際、モデルベースであって、シリンダーの相応する圧力値および温度値へと取り上げられる予調整に基づいて、高圧排ガスパス中の排ガスリサーキュレーションバルブのポジションが決定される。

図８は、高圧排ガスリサーキュレーションのためのモデルベースの予制御の例示的実施形を示す。異なるモデルに取り入れられる様々な値によって、最終的に、一方では酸素濃度、適合されたラムダ値、および質量流を求めるために、排ガスリサーキュレーション質量流の予制御が発生されることができる。これは、シリンダー内の温度または圧力を考慮して、インバーテッド排ガスリサーキュレーションモデル内で考慮されることも可能である。これらかさらに、高圧または低圧排ガスリサーキュレーションの比率が求められることができ、調整へと取り込まれる。調整の枠内で、その後、高圧パス内における排ガスリサーキュレーションバルブのバルブポジションが推量される。

図９は、調整ストラテジー、特に低圧排ガスリサーキュレーションを考慮したものに関する例示的なオーバービューを示す。ここでもまた、内燃機関の与えられた運転ポイントに基づく様々な値が、予め定められまたは求められることができ、そして、様々なモデルと適合中の更なる計算、特にNOX補正モデルのものに、酸素濃度値を求めるために取り込まれる。低圧及び高圧排ガスリサーキュレーションの間の比率およびその配分の更なる決定、並びに、低圧排ガスリサーキュレーションパスにおける現在の質量流の決定によって、調整が行われ、この調整を介して、高圧パス中の排ガスリサーキュレーションバルブポジションへ影響を及ぼすことができる。ここで求められたポジションへの迅速な方法は、オプションとして示唆的に表されるように、予調整が使用されるとき達成されることができる。予調整が、バルブの開口時間及び/又はポジションの略値の見積もりを可能とする。調整の枠内におけるより正確な制御によって、迅速な方法が可能とされることができる。

図１０は、図１または図２の図を補足して、NOxモデル、NOx補正の予調節を考慮のもと、および圧縮ストラテジーおよび充填ストラテジーおよび各酸素濃度の決定を考慮のもと、各AGRバルブまたはバルブ駆動部の一若しくは複数のバルブ、並びに排ガスフラップのポジション決定が、どのように調節されることができ、これによって窒素排出物の減少が可能とするかを示している。

図１１は、内燃機関を例示的形式としてディーゼルエンジン１として簡略的に示している。このディーゼルエンジン１は、圧縮装置２を有している。圧縮装置２は、この場合排ガスターボチャージャーとして表されている。このためコンプレッサー３と排ガスタービン４が、吸入経路及び排ガス経路に保持されている。さらにディーゼルエンジン１は、低圧排ガスリサーキュレーション５および高圧排ガスリサーキュレーション６を有している。低圧排ガスリサーキュレーション５および高圧排ガスリサーキュレーション６は、この特別な場合、外部の排ガスリサーキュレーション７を形成している。外部の排ガスリサーキュレーション７は、各排ガスリサーキュレーション内に、排ガスリサーキュレーションバルブ８を有している。排ガスリサーキュレーションバルブ８は、互いに依存し合わずに、制御または調整装置によって、そのポジション、つまり開口および閉口に関して、並びにその開口断面積に関して調節可能である。制御または調整装置は、例えばエンジン制御部９内に組み込まれて存在している。エンジン制御部９は、さらに数値演算ユニット１７を有している。数値演算ユニット１０は、例えばエンジン制御部９内に保持されたCPUである。エンジン制御部９は、別の制御装置と接続されており、パラメーターおよび他の信号をそれらと交換する。よって例えば、バルブ制御装置１１は設けられることが可能である。バルブ制御装置１１は、例えば、ディーゼルエンジン１の一または複数のバルブの開口時間および閉口時間または開口期間および閉口期間を変化させることができる。このためバルブ駆動部は、機械式バルブ駆動部、電機機械式バルブ駆動部、マグネット式バルブ駆動部、液圧式バルブ駆動部、およびこれらのコンビネーションを、一または複数のバルブにおいて、好ましくは少なくとも全てのアウトレットバルブにおいて、特に好ましくはすべてのインレットバルブ及びアウトレットバルブにおいて意図していることが可能である。さらにディーゼルエンジン１は、例えば冷却部１２を有している。冷却部１２は、例えば新気供給部１３にもたらされている。特に、あらわされた個々の圧縮装置の他に、別の追加的な圧縮装置段が存在している可能性がある。この圧縮装置段も、同様に冷却部を付設されていることが可能である。さらに、ディーゼルエンジン１は、排ガス経路１４を有している。排ガス経路１４は、ディーゼルエンジン１の個々のシリンダーから発生する排ガスを受け入れ、そしてこれを少なくとも部分的に排ガスタービン４へと案内する。排ガスの一部は、排ガスリサーキュレーション７を介して新気供給部１３へも供給されることが可能である。さらに排ガス浄化装置１５が設けられている。排ガス浄化装置１５は、簡略的に示唆されている。これは、例えば触媒（Katalysator）であり、すす粒子フィルター、NOx吸収装置、またはディーゼルエンジン１から発生する排ガスの後処理の際に使用される他の装置を有している。例えばラムダゾンデもまた同様にセンサー１７として使用される。さらに様々な多数のセンサー１７が設けられることができる。センサーは、一または複数の計測パラメーターを知覚する。例えば、温度、質量流、圧力、または他の値が取得され、そして後続する、後置された装置に受け渡される。例えば、一または複数のセンサー１７の一または複数のシグナルが、エンジン制御部９及び様々な制御装置、例えばバルブ制御装置１１に供給されることが可能である。このため例えば、バスシステムが使用されることができる。このシステムを介して、情報が、これを場合によっては必要とする制御装置、調整部及び/又は制御部に取得されることができる。特にこのようにして、異なる機能の冗長性が確保される。例えばエンジン制御部９が、残留排ガスの圧力及び温度の決定のための装置１６を有していることが可能である。この装置１６は、しかしながら、これから分離されて配置される制御装置内に追加的または代替的に設けられることも可能である。センサー１７によって、複数のパラメーターが検出可能であり、これらパラメーターが本法に取り込まれる。

図１には、さらにシリンダーの各大豆が表されている。シリンダーは、燃焼室１８を有している。燃焼室１８ないには、残留排ガス１９が存在しており、この残留排ガスが、燃焼ストロークの為に燃焼室１８内に留まる。残留排ガス１９は、異なる矢印によってその都度簡略的に示唆されている様々な比率に構成される。内部の排ガスリサーキュレーションに起因する、排ガスの第一の部分２０が燃焼室１８内に存在している。これに加えて、第一の部分２０は、アウトレットバルブ２１を介して排ガス経路１４へと入り、そしてその後、排ガス経路１４からアウトレットバルブ２１を介して燃焼室１８内へと戻される。排ガスの第二の部分２２は、燃焼室１８からのガス新排気入替の際にも、燃焼室１８内部に留まる。排ガスの第三の部分は、外部の排ガスリサーキュレーション７を介して燃焼室１８に再び供給される。これら三つの部分２０，２２，２３は、共に残留排ガス１９を形成する。

ディーゼルエンジン１は、上にて提案された方法を有し、これは、好ましくは少なくとも部分的にエンジン制御部９内に保管されている。このようにして、各酸素含有量の検出及び適合によって、排ガス中の窒素酸化物の減少が可能とされる。特に、内部および外部の排ガスリサーキュレーションによって内燃室内に供給される残留排ガスにおいて、どのような残留排ガス比率が燃焼室内に留まるかを考慮し、その際、これによって各組成に対して、特に酸素濃度と、これによって次の燃焼ストローク中で生じる窒素酸化物形成の発生に対して与える影響が生じるかを考慮することによって、特に予め定められ、同様に考慮されるパラメーターの調整により、エンジン内部の燃焼を排ガス減少の為の法的規制に適合することができることが可能となる。特に、提案される方法は、４ストローク原理に従い作動する自己着火エンジンにおいて、個々の燃焼ストロークに合わされた適合を可能とする速度における調整を可能とすることができる状態にある。これはシリンダーセレクト式であり得る。これはまた、すべてのシリンダーに対してまたはある数量にまとめられたシリンダーに対する包括的な調整として行われることも可能である。

1 ディーゼルエンジン
2 圧縮装置
3 コンプレッサー
4 排ガスタービン
5 低圧排ガスリサーキュレーション
6 高圧排ガスリサーキュレーション
7 外部の排ガスリサーキュレーション
8 排ガスリサーキュレーションバルブ
9 エンジン制御部
10 数値演算ユニット
11 バルブ制御装置
12 冷却部
13 新気供給部
14 排ガス経路
15 排ガス浄化装置
16 残留排ガスの圧力および温度を決定するための装置
17 センサー
18 燃焼室
19 残留排ガス
20 第一の部分
21 アウトレットバルブ
22 第二の部分
23 第三の部分

Claims (16)

1. ディーゼルエンジンにおいて窒素酸化物排出物を減少するための方法であって、この方法において少なくとも、燃焼室（１０）内のエンジン内燃焼の排ガスが、以下のように分割される、つまり、
   ・ 排ガスの第一の部分（２０）は、内部の排ガスリサーキュレーションとして、ディーゼルエンジンの燃焼室から、燃焼室（１８）に付設されたアウトレットバルブ（２１）を介して、後続する排ガス経路（１４）へと排出され、そして再びアウトレットバルブ（２１）を介して後続する排ガス経路（１４）からディーゼルエンジン（１）の燃焼室（１８）へと戻され、
   ・ 排ガスの第二の部分（２２）は、燃焼室（１８）内にとどまり、押し出されず、
   ・ 排ガスの第三の部分（２３）は、外部の排ガスリサーキュレーションとして、排ガスリサーキュレーションバルブ（８）を介して燃焼室（１８）に戻され、および、
   ・ 排ガスの各部分（２０，２２，２３）は、燃焼行程のための燃焼室内における残留排ガス（１９）を共に形成し、
   その際、残留排ガス（１９）の温度及び／又は圧力、及び／又は、少なくとも燃焼室（１８）内の排ガスの部分（２０，２２，２３）の間の比率が調節され、
   その際、吸入された、燃焼室（１８）に対して求められた新気の第一の温度と、残留排ガス（１９）の第二の温度が求められ、および数値演算ユニット（１０）、点火遅れを計算するためのモデルを使用して、および少なくとも第一および第二の温度を考慮して、シリンダー充填温度が計算されることを特徴とする方法。
2. ディーゼルエンジン（１）の運転中に、方法ステップ中において、燃焼室（１８）内の残留排ガス（１９）の温度及び圧力を含む、少なくとも一つの物理量が検出され、別の方法ステップ中において、残留排ガス（１９）の密度および残留排ガス（１９）の質量が計算されるか、または始動過程において予め定められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 計算されたか、または予め定められた残留排ガス（１９）の質量を使用して、燃焼室（１８）内の酸素濃度が調節され、又は調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 計算されたシリンダー充填温度を介して、残留排ガス（１９）の第一の部分（２０）および第三の部分（２３）の比率の分配が推量されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 残留排ガス（１９）の少なくとも一または複数の部分（２０，２２，２３）の温度及び／又は圧力、及び／又は、残留排ガス（１９）の部分（２０，２２，２３）の一または複数の比率が、互いに目標値としてコントロール部内で予め定められることを特徴とする請求項１から４いずれか一項に記載の方法。
6. 残留排ガス（１９）の第一の部分（２０）、及び／又は、残留排ガスの第三の部分（２３）の比率が、調整されることを特徴とする請求項１から５いずれか一項に記載の方法。
7. 算出された燃焼室（１８）内の点火遅れを介して、最大点火遅れ期間に属する最少の圧縮終了温度が計算され、および最少の圧縮終了温度を達成するために、最少の圧縮終了温度を使って最少のシリンダー充填温度が計算されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 最少の圧縮終了温度を達成するために、燃焼室内の残留排ガスの第一の部分（２０）及び／又は第二の部分（２２）の比率が調整されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも温度及び／又は圧力を含む、一つの物理量が、点火遅れを計算するためにある時点に対して検出され、これに対してエンジンのアウトレットバルブ（２１）が閉じられ、そして検出された点火遅れが残留排ガス及び／又は残留ガスの部分の密度及び質量の計算へと取り入れられることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも、燃焼室に供給される新気の温度及び／又は圧力が、センサー（１７）を使って、存在するデータ及び／又は計算されたデータを使って求められることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 少なくとも、残留排ガス（１９）の温度及び／又は圧力、及び／又は、少なくとも残留排ガス（１９）の一つの部分（２０，２２，２３）の比率が、センサー（１７）を使って、存在するデータ及び／又は計算されたデータを使って、求められることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 可変バルブ制御を使って、残留排ガス（１９）の第一の部分（２０）の比率が、燃焼室（１８）内のシリンダー充填温度を考慮して、少なくとも制御されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 残留排ガス（１９）の部分（２０，２２，２３）の互いの比率、及び／又は、残留排ガス（１９）の部分（２０，２２，２３）の温度及び／又は圧力が、シリンダーの幾何データの助けを借りて検出されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ディーゼルエンジン（１）を含む、内燃機関であって、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法を組み込まれており、各燃焼室のための新気供給部（１３）、内部の排ガスリサーキュレーションを実行するための少なくとも一つの可変バルブ駆動部、少なくとも一つの排ガスリサーキュレーションバルブ（８）、少なくとも一つの、残留排ガス（１９）及び／又はその部分（２０，２２，２３）の温度および圧力を求めるための装置（１６）、および数値演算ユニット（１０）を有する内燃機関において、
    数値演算ユニット（１０）が、少なくとも、点火遅れを計算し、および残留排ガス及び／又はその部分（２０，２２，２３）の密度及び質量を求めるためのモデルを有し、および、算出された戻される排ガスの質量を基に、各燃焼室のための新気供給部を求める又は調整を行うコントロール部を有することを特徴とする内燃機関。
15. 外部の排ガスリサーキュレーション（７）が設けられており、この排ガスリサーキュレーションが、低圧および高圧排ガスリサーキュレーション（５，６）を含むことを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関。
16. 外部の排ガスリサーキュレーション（７）が、冷却部を備えることを特徴とする請求項１４または１５に記載の内燃機関。

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