WO2012139727A1 - Verfahren zur regelung der nox-konzentration im abgas einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur regelung der nox-konzentration im abgas einer brennkraftmaschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the NOx concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • NOx nitrogen oxide emission limits
  • the invention has the object to optimize a NOx control circuit with respect to the control quality.
  • the method consists in that the start of injection is changed by means of an adaptation injection start, wherein the adaptation injection start is in turn determined from the manipulated variable of the NOx regulator.
  • At least one state variable of the cylinder inlet flow of the internal combustion engine is set via the manipulated variable of the NOx regulator.
  • state variable of the cylinder inlet flow is to be understood as meaning the boost pressure and / or the recirculated exhaust gas.
  • the start of the adaptation injection always causes a change in the start of injection when the manipulated variable of the NOx regulator is at the positive or negative stop. So then, if the corresponding actuator, for example, the EGR valve, is mechanically at the stop.
  • the adaptation injection start is determined by evaluating the manipulated variable of the NOx regulator based on limit values and, depending on the evaluation, setting a first adaptation function, a second adaptation function or a normal function.
  • first adaptation function When the first adaptation function is set, the start of injection is changed to late via the adaptation injection start. Late means that injection begins at a smaller crankshaft angle before top dead center. For example at 5 ° before top dead center instead of 7 ° before top dead center.
  • the second adaptation function is set, the commencement of injection is changed to early, for example at 10 ° before top dead center instead of 5 ° before top dead center, via the start of injection injection.
  • the start of injection remains unchanged.
  • the invention impresses with its simple implementation, since it can be fully implemented in the engine control software.
  • the simple implementation is also reflected in the fact that only the limits of the adaptation are bedatet and therefore costly votes are not required. Permanent deviations are effectively prevented by then the adaptation injection start comes to fruition if the stroke of the manipulated variable of the NOx regulator is not sufficient to reduce the NOx control deviation.
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a NOx control loop with adaptation
  • FIG. 3 shows a block diagram of the adaptation
  • FIG. 4 shows a state diagram
  • FIG. 5 is a timing diagram
  • FIG. 6 shows a program flow chart
  • Figure 7 is a subroutine
  • Figure 8 is a subroutine.
  • FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled
  • the mechanical components are a fuel tank 2, a low-pressure pump 3, a suction throttle 4, a
  • High pressure pump 5 a rail 6 and injectors 7 for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • an individual memory 8 is optionally integrated as an additional buffer volume.
  • the 1-stage charge with exhaust gas recirculation includes an exhaust gas turbocharger 11 with compressor 12 and turbine 13, a charge air cooler 14, an EGR valve 16 for adjusting the recirculated exhaust gas and a wastegate 17 to bypass the turbine 13 of the exhaust gas turbocharger 11.
  • the functionality the 1-stage charge and exhaust gas recirculation is assumed to be known.
  • the arrangement is supplemented by a pressure sensor 15 for determining the boost pressure, signal p5, and a NOx sensor 18 downstream of the turbine 13.
  • the operation of the internal combustion engine 1 is determined by an electronic control unit (ECU) 10.
  • the electronic control unit 10 includes the usual
  • Components of an icrocomputersystems such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM).
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • RAM random access memory
  • Memory chips are the relevant for the operation of the internal combustion engine 1 operating data applied in maps / curves. About this calculates the
  • the electronic control unit 10 from the input variables the output variables.
  • the following input variables are shown by way of example in FIG. 1: the rail pressure pCR, which is measured by means of a rail pressure sensor 9, an individual accumulator pressure pE, the pressure level p5 of the charge air, the NOx raw values of the NOx sensor 18 and an input variable EIN.
  • the further sensor signals are combined, for example the engine speed or an accelerator pedal signal.
  • Figure 1 are as
  • Output variables of the electronic control unit 10 a PWM signal PWMSD for controlling the suction throttle 4 as a pressure actuator, a signal ve for driving the injectors 7, the drive signal WGR for the wastegate 17, the drive signal AGRR for the EGR valve 16 and an output variable OFF.
  • the signal ve is representative of a start of injection (SB) and an injection end.
  • the output variable OFF is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 1.
  • the drive signal WGR for the wastegate 17 the exhaust gas flow WG past the turbine 13 is set. Due to the mechanical coupling turbine 13 / compressor 12, the boost pressure p 5 is set in an inlet line 30 of the internal combustion engine 1 via the exhaust gas flow WG bypassing.
  • the boost pressure p5 therefore indicates a state variable of the cylinder intake flow ZAS of the internal combustion engine 1.
  • the recirculated exhaust gas AGR is set via the drive signal AGRR.
  • the recirculated exhaust gas AGR therefore identifies another one
  • FIG. 2 shows a NOx control circuit 19 for regulating nitrogen oxide emissions.
  • the input variable of the NOx control loop ie the reference variable, is the NOx setpoint NOx (SL).
  • the output variable of the NOx control loop, ie the controlled variable is the raw NOx value of the nitrogen oxide emissions.
  • the elements of the NOx control loop are a NOx regulator 20, typically with PI D behavior, the controlled system 21 and a (software) filter 22.
  • the raw NOx values are filtered via the optional filter 22.
  • the filtered values correspond to the NOx actual value NOx (IST).
  • the NOx actual NOx (IST) is compared with the NOx target NOx (SL), resulting in the NOx control deviation dNOx.
  • the NOx controller 20 calculates its control signal SG.
  • the control signal SG at least one state variable of the cylinder inlet flow of the internal combustion engine is set, for example the boost pressure (FIG. 1: p5).
  • the controlled system 21 then corresponds to the wastegate and / or the EGR valve.
  • the NOx sensor (Fig. 1: 18) detects the nitrogen oxide emissions in the exhaust gas. Thus, the NOx control circuit 19 is closed.
  • the NOx control loop is supplemented by an adaptation 23.
  • the NOx regulator 20 and the adaptation 23 form a master-slave arrangement in which the NOx regulator is the master and the adaptation 23 is the slave.
  • the input variables of the adaptation 23 are the manipulated variable SG of the NOx regulator 20 and an input variable E1, which
  • adaptation injection start SB (A) is changed by starting injection start, for example by starting the injection with the
  • Adaptation injection start is added.
  • the start of injection is calculated via a characteristic map as a function of the operating point of the internal combustion engine, for example as a function of the power requirement and the engine speed.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the adaptation 23.
  • the adaptation comprises a logic 24, an integrator 25 as an I-controller and finally a limit 26.
  • the logic value 24 is used to evaluate the manipulated variable SG on the basis of limit values and to enable the integrator 25.
  • the limit values shown are a maximum value MAX1 for the evaluation of the recirculated exhaust gas AGR and a maximum value MAX3 for the assessment of the supercharging pressure p5.
  • Hysteresis value HY3 provided as further input variables.
  • the output values of the logic 24, here: the values +1, 0, -1, are summed by the integrator 25. This can be reset via the signal RS.
  • the integrated start of injection SB (I), ie the output signal of the integrator 25, is then limited by the limit 26. If the integrated start of injection SB (I) lies between the second minimum value MIN2 and the second maximum value MAX2, the value of the adaptation injection start SB (A) is identical to the integrated start of injection SB (I). Otherwise, the integrated injection start SB (I) is limited to the second minimum value MIN2 or the second maximum value MAX2.
  • adaptation 23 The functionality of adaptation 23 is that the adaptation is always enabled when the manipulated variable of the NOx regulator is at the positive or negative stop.
  • the positive or negative stop means that the corresponding actuator, for example the EGR valve, is mechanically stopped.
  • Adaptive function or a second adaptation function set or maintained the normal function or returned to this. If, for example, the boost pressure p5 is greater than the maximum value MAX3, then the first adaptation function is set and a value of -1 is output by the logic 24. When set first adaptation function is over the
  • Adaption injection start SB (A) The injection start is retarded.
  • the various states will be explained in connection with FIG.
  • FIG. 4 shows a state diagram.
  • Reference symbol 27 denotes the normal function.
  • the normal function 27 is set when the manipulated variable SG of the NOx controller is within a predetermined value range. So if the NOx regulator can compensate for the NOx control deviation itself.
  • the manipulated variable SG of the NOx regulator sets the state variables of the cylinder inlet flow of the internal combustion engine.
  • state variables of the cylinder inlet flow are the boost pressure p5 (unit: bar), and / or the proportion of recirculated exhaust gas
  • the NOx controller reacts by raising its manipulated variable SG. If one of the state variables of the cylinder intake flow exceeds a limit value, then the first adaptation function 28 is set, ie if the recirculated exhaust gas AGR becomes greater than or equal to the maximum value MAX1 or if the boost pressure p5 becomes greater than or equal to the maximum value MAX3.
  • the two limits correspond to the physical stop of the EGR valve ( Figure 1: 16) and the wastegate ( Figure 1: 17). In other words, the NOx regulator, ie the master, is at the positive stop and thus has no further opportunity to exert influence.
  • the adaptation 23 becomes a negative one
  • Adaptation function 28 is therefore to change the NOx actual value via the adaptation injection start SB (A) so that the blocked master (NOx regulator) returns to the controllable range.
  • the first adaptation function 28 is then reset and returned to the normal function 27 when the recirculated exhaust gas flow AGR becomes smaller than the maximum value MAX1 decreased by the hysteresis value HY1 or when the boost pressure p5 becomes smaller than the maximum value MAX3 decreased by the hysteresis value HY3 or if
  • Adaptions moussebegin SB (A) is greater than / equal to the maximum value MAX2.
  • the NOx regulator reduces its manipulated variable SG. Is now recognized in set normal function 27 that either the recirculated exhaust gas AGR smaller is reduced as the maximum value MAX1 by the hysteresis HY1 or that of
  • Boost pressure p5 is smaller than the maximum value MAX3 reduced by the hysteresis HY3 and also if at the same time the adaptation injection start SB (A) is greater than the minimum value MIN2, a second adaptation function 29 is set. About the second
  • Adaption function 29 the start of injection is adjusted to early.
  • a positive adaptation injection start SB (A) is calculated via the adaptation 23.
  • SB (A) + 2 °.
  • the functionality of the second adaptation function 29 thus consists in the blocked master (NOx regulator) being returned to the controllable range.
  • the second adaptation function 29 is then reset and returned to the normal function 27 when the recirculated exhaust gas EGR becomes equal to the maximum value MAX1 or when the boost pressure p5 becomes equal to the maximum value MAX3 or when adaptation injection start SB (A) becomes equal to or smaller than the minimum value MIN2 will.
  • the current value of the adaptation injection start SB (A) is maintained.
  • FIG. 5 shows a time diagram.
  • FIG. 5 consists of FIGS. 5A to 5C.
  • FIG. 5A shows a course of nitrogen oxide in grams / kilowatt-hour (g / kWh)
  • FIG. 5B shows by way of example the recirculated exhaust gas AGR
  • FIG. 5C shows a time diagram.
  • FIG. 5 consists of FIGS. 5A to 5C.
  • FIG. 5A shows a course of nitrogen oxide in grams / kilowatt-hour (g / kWh)
  • FIG. 5B shows by way of example the recirculated exhaust gas AGR
  • FIG. 5C shows a time diagram.
  • FIG. 5C shows a time diagram.
  • FIG. 5 consists of FIGS. 5A to 5C.
  • FIG. 5A shows a course of nitrogen oxide in grams / kilowatt-hour (g / kWh)
  • FIG. 5B shows by way of example the recirculated exhaust gas AGR
  • Adaption injection start SB (A) in degrees crankshaft angle.
  • the NOx actual value NOx (IST) is shown as a solid line and the NOx target value NOx (SL) is shown as a dashed line.
  • the internal combustion engine Before the time t1, the internal combustion engine is in the steady state. In the steady state, the NOx actual value NOx (IST) corresponds to the NOx target value NOx (SL), the NOx control deviation is therefore zero.
  • the NOx controller calculates a manipulated variable SG of zero. This sets the normal function (Fig. 4: 27). When the normal function is set, the adaptation injection start is not decisive.
  • the NOx target value from the initial value NOx (SL) 4 g / kWh becomes the new value
  • NOx (SL) 2 g / kWh reduced. Due to the now negative NOx control deviation, the NOx regulator successively increases its manipulated variable SG. As a result, the recirculated exhaust gas EGR increases. At time t2, the NOx regulator is at the positive stop. In FIG. 5B, the recirculated exhaust gas is the same size as the maximum value MAX1. At time t2, the NOx regulator, ie the master, has no further possibility for influencing the state variable of the cylinder inlet flow, that is to say the recirculated exhaust gas EGR and / or the boost pressure p5. In other words, the wastegate and the EGR valve are physically at the stop. After expiry of a blocking time tSP (period t2 / t3), the first adaptation function is enabled.
  • tSP blocking time tSP
  • the lock time can be zero.
  • Adaptation function is calculated by adapting a negative adaptation injection start SB (A).
  • SB adaptation injection start
  • FIG. 6 shows the method in a program flow chart as the main program.
  • the normal function is set at S1.
  • the NOx control deviation dNOx is calculated based on the NOx target value NOx (SL) and the NOx actual value NOx (IST).
  • the NOx regulator determines its manipulated variable SG at S3.
  • the manipulated variable SG defines the state variables of the cylinder inlet flow of the internal combustion engine.
  • state variables of the cylinder inlet flow are once to be understood as meaning the boost pressure p5 and / or the fraction of the recirculated exhaust gas AGR.
  • Hysteresis value HY3 it is checked whether the adaptation injection start SB (A) is greater than minimum value MIN2. If this is true, query result S5: yes, so in Subroutine UP2 of Figure 8 branches. Otherwise, query result S5: no, it branches to point A, that is, the normal function remains set.
  • FIG. 7 shows the subroutine UP1.
  • the subroutine UP1 is then visited if the query was positive at S4 of FIG. In other words, if the NOx regulator no longer has the ability to control the state variables of the cylinder intake flow, because either the wastegate and / or the EGR valve are at the mechanical stop.
  • the first adaptation function is then set.
  • the adaptation injection start SB (A) is calculated according to the procedure of FIG.
  • S3 it is checked whether the recirculated exhaust gas flow AGR becomes smaller than the maximum value MAX1 reduced by a hysteresis value HY1 or if the boost pressure p5 becomes smaller than the maximum value MAX3 reduced by one
  • Hysteresis value HY3 or whether the adaptation injection start SB (A) becomes greater than or equal to a maximum value MAX2. If this is not the case, query result S3: no, then branching is made to point B. Otherwise, query result S3: yes, is branched back to the main program of Figure 6, point A.
  • FIG. 8 shows the subroutine UP2.
  • the subroutine UP2 is then visited if the query was positive at S5 of FIG.
  • the second adaptation function is then set.
  • the adaptation injection start SB (A) corresponding to FIG. 3 is calculated at S2.
  • Adaption injection start SB (A) is less than / equal to the minimum value (MIN2). If this is not the case, query result S3: no, then branching is made to point B. Otherwise, query result S3: yes, is in the main program of Figure 6, point A,
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Regelung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, bei dem eine NOx-Regelabweichung (dNOx) aus einem NOx-lstwert (NOx(IST)) sowie einem NOx-Sollwert (NOx(SL)) berechnet wird, anhand der NOx- Regelabweichung (dNOx) über einen NOx-Regler (20) eine Stellgröße (SG) berechnet wird und über die Stellgröße (SG) zumindest eine Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend ein Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) in Abhängigkeit der Stellgröße (SG) des NOx-Reglers (20) bestimmt wird und über den Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) der Spritzbeginn (SB) verändert wird.

Description

Verfahren zur Regelung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zur Einhaltung von gesetzlich festgelegten Stickoxid-Emissionsgrenzwerten (NOx) werden diese bei einer Brennkraftmaschine geregelt. Aus der DE 103 33 933 A1 ist ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine NOx-Regelabweichung aus einem NOx-lstwert zu einem NOx-Sollwert berechnet. Anhand der NOx-Regelabweichung bestimmt ein Regler eine Stellgröße. Der Stellgröße wiederum wird dann über ein Kennfeld letztendlich eine Abgasrate zugeordnet. Ergänzend ist eine Logik vorgesehen, welche anhand der Partikel-Regelabweichung und der NOx-Regelabweichung die Emissionen überprüft. Bei einer Abweichung vom optimalen Verhalten wirkt die Logik entsprechend auf den Regler ein, welcher dann über die Stellgröße das entsprechende Stellglied ansteuert. Kritisch ist bei diesem Verfahren, dass eine bleibende Regelabweichung möglich ist.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen NOx-Regelkreis bezüglich der Regelgüte zu optimieren.
Gelöst wird die Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das Verfahren besteht darin, dass der Spritzbeginn über einen Adaptionsspritzbeginn verändert wird, wobei der Adaptionsspritzbeginn wiederum aus der Stellgröße des NOx- Reglers bestimmt wird. Über die Stellgröße des NOx-Reglers wird zumindest eine Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms der Brennkraftmaschine eingestellt. Unter Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms ist im Sinne der Erfindung der Ladedruck und/oder das rückgeführte Abgas zu verstehen. Der Adaptionsspritzbeginn bewirkt immer dann eine Veränderung des Spritzbeginns, wenn die Stellgröße des NOx-Regler am positiven oder negativen Anschlag ist. Also dann, wenn das entsprechende Stellglied, zum Beispiel das AGR-Ventil, mechanisch am Anschlag ist. Bestimmt wird der Adaptionsspritzbeginn, indem die Stellgröße des NOx- Reglers anhand von Grenzwerten bewertet wird und in Abhängigkeit der Bewertung eine erste Adaptionsfunktion, eine zweite Adaptionsfunktion oder eine Normalfunktion gesetzt wird. Bei gesetzter erster Adaptionsfunktion wird über den Adaptionsspritzbeginn der Spritzbeginn nach spät verändert. Nach spät bedeutet, dass die Einspritzung bei einem kleineren Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt beginnt. Zum Beispiel bei 5° vor dem oberen Totpunkt anstelle von 7° vor dem oberen Totpunkt. Bei gesetzter zweiter Adaptionsfunktion wird über den Adaptionsspritzbeginn der Spritzbeginn nach früh verändert, zum Beispiel 10° vor dem oberen Totpunkt anstelle von 5° vor dem oberen Totpunkt. Bei gesetzter Normalfunktion bleibt hingegen der Spritzbeginn unverändert.
Die Erfindung besticht durch ihre einfache Umsetzung, da diese vollständig in der Software der Motorregelung umgesetzt werden kann. Die einfache Umsetzung zeigt sich auch darin, dass lediglich die Grenzwerte der Adaption bedatet werden und daher aufwendige Abstimmungen nicht erforderlich sind. Bleibende Regelabweichungen werden wirksam unterbunden, indem dann der Adaptionsspritzbeginn zum Tragen kommt, wenn der Hub der Stellgröße des NOx-Reglers nicht ausreicht um die NOx-Regelabweichung zu verringern.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 ein NOx-Regelkreis mit Adaption,
Figur 3 ein Blockschaltbild der Adaption,
Figur 4 ein Zustandsdiagramm,
Figur 5 ein Zeitdiagramm,
Figur 6 einen Programmablaufplan,
Figur 7 ein Unterprogramm und
Figur 8 ein Unterprogramm.
Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten
Brennkraftmaschine 1 mit einer 1 -stufigen Aufladung und einer Abgasrückführung (AGR). Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt über ein Common-Railsystem. Dessen
Funktion wird als bekannt vorausgesetzt. Die mechanische Komponenten sind ein Kraftstofftank 2, eine Niederdruckpumpe 3, eine Saugdrossel 4, eine
Hochdruckpumpe 5, ein Rail 6 und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Im Injektor 7 ist optional ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen integriert.
Die 1 -stufige Aufladung mit Abgasrückführung (AGR) umfasst einen Abgasturbolader 11 mit Verdichter 12 sowie Turbine 13, einen Ladeluftkühler 14, ein AGR-Ventil 16 zur Einstellung des rückgeführten Abgases und ein Wastegate 17 zur Umgehung der Turbine 13 des Abgasturboladers 11. Die Funktionalität der 1 -stufigen Aufladung und der Abgasrückführung wird als bekannt vorausgesetzt. Ergänzt wird die Anordnung durch einen Drucksensor 15 zur Bestimmung des Ladedrucks, Signal: p5, und einen NOx-Sensor 18 stromab der Turbine 13.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) 10 bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen
Bestandteile eines ikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den
Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das
elektronische Steuergerät 10 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In der Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, ein Einzelspeicherdruck pE, das Druckniveau p5 der Ladeluft, die NOx-Rohwerte des NOx-Sensors 18 und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind die weiteren Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise die Motordrehzahl oder ein Fahrpedalsignal. In Figur 1 sind als
Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 ein PWM-Signal PWMSD zur Ansteuerung der Saugdrossel 4 als Druckstellglied, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7, das Ansteuersignal WGR für das Wastegate 17, das Ansteuersignal AGRR für das AGR-Ventil 16 und eine Ausgangsgröße AUS dargestellt. Das Signal ve steht stellvertretend für einen Spritzbeginn (SB) und ein Spritzende. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1. Über das Ansteuersignal WGR für das Wastegate 17 wird der an der Turbine 13 vorbeigeführte Abgasstrom WG eingestellt. Über den vorbeigeführten Abgasstrom WG wiederum wird, aufgrund der mechanischen Kopplung Turbine13/Verdichter 12, der Ladedruck p5 in einer Einlassleitung 30 der Brennkraftmaschine 1 eingestellt. Der Ladedruck p5 kennzeichnet daher einer Zustandsgröße der Zylindereinlassstroms ZAS der Brennkraftmaschine 1. Über das Ansteuersignal AGRR wird das rückgeführte Abgas AGR eingestellt. Das rückgeführte Abgas AGR kennzeichnet daher eine weitere
Zustandsgröße der Zylindereinlassstroms ZAS der Brennkraftmaschine 1.
In der Figur 2 ist ein NOx-Regelkreis 19 zur Regelung der Stickoxidemissionen dargestellt. Die Eingangsgröße des NOx-Regelkreises, also die Führungsgröße, ist der NOx-Sollwert NOx(SL). Die Ausgangsgröße des NOx-Regelkreises, also die Regelgröße, ist der NOx-Rohwert der Stickoxidemissionen. Die Elemente des NOx-Regelkreises sind ein NOx-Regler 20, typischerweise mit PI D-Verhalten, die Regelstrecke 21 und ein (Software-) Filter 22. Die NOx-Rohwerte werden über das optionale Filter 22 gefiltert. Die gefilterten Werte entsprechen dem NOx-lstwert NOx(IST). An einem Summationspunkt A werden der NOx-lstwert NOx(IST) mit dem NOx-Sollwert NOx(SL) verglichen, woraus die NOx-Regelabweichung dNOx resultiert. Anhand der NOx-Regelabweichung dNOx berechnet dann der NOx-Regler 20 sein Stellsignal SG. Über das Stellsignal SG wird zumindest eine Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms der Brennkraftmaschine eingestellt, zum Beispiel der Ladedruck (Fig. 1 : p5). Die Regelstrecke 21 entspricht je nach Ausführungsform dann dem Wastegate und/oder dem AGR-Ventil. Über den NOx- Senor (Fig. 1 : 18) werden die Stickoxidemissionen im Abgas erfasst. Damit ist der NOx- Regelkreis 19 geschlossen.
Ergänzt wird der NOx-Regelkreis durch eine Adaption 23. Hierbei bilden der NOx-Regler 20 und die Adaption 23 eine Master-Slave-Anordnung, bei welcher der NOx-Regler der Master ist und die Adaption 23 der Slave ist. Die Eingangsgrößen der Adaption 23 sind die Stellgröße SG des NOx-Reglers 20 und eine Eingangsgröße E1 , welche
stellvertretend für verschiedene Grenzwerte (s. Figur 3) steht. Die Ausgangsgröße der Adaption 23 ist ein Adaptionsspritzbeginn SB(A). Über den Adaptionsspritzbeginn SB(A) wird der Spritzbeginn verändert, zum Beispiel indem der Spritzbeginn mit dem
Adaptionsspritzbeginn addiert wird. Typischerweise wird der Spritzbeginn über ein Kennfeld in Abhängigkeit des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine berechnet, zum Beispiel in Abhängigkeit der Leistungsanforderung und der Motordrehzahl. Die weitere Erklärung erfolgt gemeinsam mit der Figur 3, welche ein Blockschaltbild der Adaption 23 zeigt. Die Adaption umfasst eine Logik 24, einen Integrator 25 als I-Regler und schließlich noch eine Begrenzung 26. Über die Logik 24 wird die Stellgröße SG anhand von Grenzwerten beurteilt und der Integrator 25 freigeschaltet. Die dargestellten Grenzwerte sind ein Maximalwert MAX1 zur Beurteilung des rückgeführter Abgases AGR und ein Maximalwert MAX3 zur Beurteilung des Ladedrucks p5. Ferner zwei Grenzwerte zur Beurteilung des Adaptionsspritzbeginns SB(A), nämlich ein Minimalwert MIN2 und ein Maximalwert MAX2. Zur Verbesserung der Stabilität sind in Bezug auf das rückgeführte Abgas AGR ist ein Hysteresewert HY1 und in Bezug auf den Ladedruck p5 ein
Hysteresewert HY3 als weitere Eingangsgrößen vorgesehen. Die Ausgangswerte der Logik 24, hier: die Werte +1 , 0, -1 , werden vom Integrator 25 summiert. Über das Signal RS kann dieser zurückgesetzt werden. Der integrierte Spritzbeginn SB(I), also das Ausgangssignal des Integrators 25, wird danach über die Begrenzung 26 limitiert. Liegt der integrierte Spritzbeginn SB(I) zwischen dem zweiten Minimalwert MIN2 und dem zweiten Maximalwert MAX2, so ist der Wert des Adaptionsspritzbeginn SB(A) identisch mit dem integrierten Spritzbeginn SB(I). Anderenfalls wird der integrierte Spritzbeginn SB(I) auf den zweiten Minimalwert MIN2 oder den zweiten Maximalwert MAX2 begrenzt.
Die Funktionalität der Adaption 23 besteht darin, dass immer dann die Adaption freigeschaltet wird, wenn die Stellgröße des NOx-Regler am positiven oder negativen Anschlag ist. Am positiven oder negativen Anschlag bedeutet, dass das entsprechende Stellglied, zum Beispiel das AGR-Ventil, mechanisch am Anschlag ist. Bei freigeschalteter Adaption wird in Abhängigkeit der Stellgröße SG des NOx-Reglers eine erste
Adaptionsfunktion oder eine zweite Adaptionsfunktion gesetzt oder die Normalfunktion beibehalten bzw. zu dieser zurückgekehrt. Ist beispielsweise der Ladedruck p5 größer als der Maximalwert MAX3, so wird die erste Adaptionsfunktion gesetzt und von der Logik 24 ein Wert -1 ausgegeben. Bei gesetzter erster Adaptionsfunktion wird über den
Adaptionsspritzbeginn SB(A) der Spritzbeginn nach spät verstellt. Die verschiedenen Zustände werden in Verbindung mit der Figur 4 erläutert.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform zur Figur 3 ist die Logik und der Integrator durch einen Regler mit zumindest Pl-Verhalten ersetzt. Bei dieser Ausführungsform ist neben der einfachen Bedatbarkeit der größere Regelbereich von Vorteil, da über zwei Stellglieder, hier: das AGR-Ventil und das Wastegate, eingegriffen werden kann. Die Figur 4 zeigt ein Zustandsdiagramm. Mit Bezugszeichen 27 ist die Normalfunktion gekennzeichnet. Die Normalfunktion 27 ist gesetzt, wenn die Stellgröße SG des NOx- Reglers innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegt. Wenn also der NOx-Regler die NOx-Regelabweichung selber ausregeln kann. Über die Stellgröße SG des NOx- Reglers werden die Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms der Brennkraftmaschine eingestellt. Unter Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms sind im Sinne der Erfindung der Ladedruck p5 (Einheit: bar), und/oder der Anteil des rückgeführten Abgases
(Einheit: %) zu verstehen. Wird nun der NOx-Sollwert abgesenkt, so stellt sich eine negative NOx-Regelabweichung ein. Hierauf reagiert der NOx-Regler indem er seinen Stellgröße SG anhebt. Übersteigt eine der Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms einen Grenzwert, so wird die ersten Adaptionsfunktion 28 gesetzt, also wenn das rückgeführte Abgas AGR größer/gleich dem Maximalwert MAX1 wird oder wenn der Ladedruck p5 größer/gleich dem Maximalwert MAX3 wird. In der Praxis entsprechen die beiden Grenzwerte dem physikalischen Anschlag des AGR-Ventils (Fig. 1 : 16) und des Wastegates (Fig. 1 : 17). Mit anderen Worten: Der NOx-Regler, also der Master, ist am positiven Anschlag und hat damit keine weitere Möglichkeit mehr zur Einflussnahme. Bei gesetzter erster Adaptionsfunktion 28 wird über die Adaption 23 ein negativer
Adaptionsspritzbeginn SB(A) berechnet. Zum Beispiel SB(A)=-2°. Hierdurch wird der aktuelle Spritzbeginn, zum Beispiel 5° vor dem oberen Totpunkt, auf einen neuen Wert von 3° vor dem oberen Totpunkt verändert. Die Funktionalität der ersten
Adaptionsfunktion 28 besteht also darin, über den Adaptionsspritzbeginn SB(A) den NOx- Istwert so zu verändern, dass der blockierte Master (NOx-Regler) wieder in den regelbaren Bereich zurück kommt.
Ist der Master wieder freigefahren, so verringert sich seine Stellgröße SG. Die erste Adaptionsfunktion 28 wird dann zurückgesetzt und zur Normalfunktion 27 zurückgekehrt, wenn der rückgeführte Abgasstrom AGR kleiner wird als der Maximalwert MAX1 verringert um den Hysteresewert HY1 oder wenn der Ladedruck p5 kleiner wird als der Maximalwert MAX3 verringert um den Hysteresewert HY3 oder wenn der
Adaptionsspritzbeginn SB(A) größer/gleich dem Maximalwert MAX2 wird.
Aufgrund einer positiven NOx-Regelabweichung, das heißt, der NOx-lstwert ist geringer als der NOx-Sollwert, verringert der NOx-Regler seine Stellgröße SG. Wird nun bei gesetzter Normalfunktion 27 erkannt, dass entweder das rückgeführte Abgas AGR kleiner wird als der Maximalwert MAX1 verringert um die Hysterese HY1 oder dass der
Ladedruck p5 kleiner wird als der Maximalwert MAX3 verringert um die Hysterese HY3 und wenn ferner zugleich der Adaptionsspritzbeginn SB(A) größer als der Minimalwert MIN2 wird, so wird eine zweite Adaptionsfunktion 29 gesetzt. Über die zweite
Adaptionsfunktion 29 wird der Spritzbeginn nach früh verstellt. Bei gesetzter zweiter Adaptionsfunktion 29 wird über die Adaption 23 ein positiver Adaptionsspritzbeginn SB(A) berechnet. Zum Beispiel SB(A)=+2°. Für das zuvor genannte Zahlenbeispiel ergibt sich somit ein Spritzbeginn von 7° vor dem oberen Totpunkt. Die Funktionalität der zweiten Adaptionsfunktion 29 besteht also darin den blockierten Master (NOx-Regler) wird in den regelbaren Bereich zurückzubringen. Die zweite Adaptionsfunktion 29 wird dann zurückgesetzt und zur Normalfunktion 27 zurückgekehrt wird, wenn das rückgeführte Abgas AGR größer/gleich dem Maximalwert MAX1 wird oder wenn der Ladedruck p5 größer/gleich dem Maximalwert MAX3 wird oder wenn Adaptionsspritzbeginn SB(A) kleiner/gleich dem Minimalwert MIN2 wird. Bei der Rückkehr in die Normalfunktion 27 wird der aktuelle Wert des Adaptionsspritzbeginns SB(A) beibehalten.
In der Figur 5 ist ein Zeitdiagramm dargestellt. Die Figur 5 besteht aus den Figuren 5A bis 5C. Hierbei zeigt Figur 5A einen Stickoxidverlauf in Gramm/Kilowattstunde (g/kWh), die Figur 5B beispielhaft das rückgeführte Abgas AGR und Figur 5C den
Adaptionsspritzbeginn SB(A) in Grad Kurbelwellenwinkel. In der Figur 5A sind als durchgezogene Linie der NOx-lstwert NOx(IST) und als gestrichelte Linie der NOx- Sollwert NOx(SL) dargestellt.
Vor dem Zeitpunkt t1 befindet sich die Brennkraftmaschine im eingeschwungen Zustand. Im eingeschwungen Zustand entspricht der NOx-lstwert NOx(IST) dem NOx-Sollwert NOx(SL), die NOx-Regelabweichung ist daher null. Vom NOx-Regler wird eine Stellgröße SG von null berechnet. Damit ist die Normalfunktion (Fig. 4: 27) gesetzt. Bei gesetzter Normalfunktion ist der Adaptionsspritzbeginn nicht bestimmend. Zum Zeitpunkt t1 wird der NOx-Sollwert vom Anfangswert NOx(SL)= 4 g/kWh auf den neuen Wert
NOx(SL)=2 g/kWh verringert. Aufgrund der nunmehr negativen NOx-Regelabweichung erhöht der NOx-Regler sukzessive seine Stellgröße SG. Als Folge davon steigt das rückgeführte Abgas AGR an. Zum Zeitpunkt t2 befindet sich der NOx-Regler am positiven Anschlag. In der Figur 5B ist das rückgeführte Abgas gleich groß wie der Maximalwert MAX1. Zum Zeitpunkt t2 hat der NOx-Regler, also der Master, keine weitere Möglichkeit mehr zur Beeinflussung der Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms, also des rückgeführten Abgases AGR und/oder des Ladedrucks p5. Mit anderen Worten: das Wastegate und das AGR-Ventil sind physikalisch am Anschlag. Nach Ablauf einer Sperrzeit tSP (Zeitraum t2/t3) wird die erste Adaptionsfunktion freigegeben.
Selbstverständlich kann die Sperrzeit auch null sein. Bei gesetzter erster
Adaptionsfunktion wird über die Adaption ein negativer Adaptionsspritzbeginn SB(A) berechnet. In der Figur 5C verändert sich daher der Adaptionsspritzbeginn von
SB(A)=0 Grad in Richtung auf SB(A)=-1.5 Grad, also nach spät. Aufgrund des späteren Spritzbeginns nimmt der NOx-lstwert NOx(IST), vom Zeitpunkt t3 an, ab, worauf hin der NOx-Regler sein Stellgröße SG ab dem Zeitpunkt t4 verringert. Zum Zeitpunkt t4 unterschreitet ist das rückgeführte Abgas AGR den Grenzwert MAX1 verringert um die Hysterese HY1 (Fig. 5B). Da nunmehr der NOx-Regler wieder sicher in seinem
Regelbereich ist, wird von der ersten Adaptionsfunktion zur Normalfunktion
zurückgekehrt. Ebenfalls zum Zeitpunkt t4 hat der Adaptionsspritzbeginn SB(A) seinen Endwert SB(A)=-1.5 Grad erreicht.
In der Figur 6 ist das Verfahren in einem Programmablaufplan als Hauptprogramm dargestellt. Nach der Initialisierung wird der bei S1 die Normalfunktion gesetzt. Danach wird bei S2 die NOx-Regelabweichung dNOx anhand des NOx-Sollwerts NOx(SL) und des NOx-lstwerts NOx(IST) berechnet. In Abhängigkeit der NOx-Regelabweichung dNOx bestimmt bei S3 wiederum der NOx-Regler seine Stellgröße SG. Über die Stellgröße SG werden die Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms der Brennkraftmaschine definiert. Unter Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms sind im Sinne der Erfindung einmal der Ladedruck p5 und/oder der Anteil des rückgeführten Abgases AGR zu verstehen. Bei S4 wird dann geprüft, ob der rückgeführte Abgasstrom AGR größer/gleich dem Maximalwert MAX1 wird oder ob der der Ladedruck p5 größer/gleich dem Maximalwert MAX3 wird. Lautet das Abfrageergebnis S4 ja, so wird in ein Unterprogramm UP1 verzweigt, welches der ersten Adaptionsfunktion entspricht. Dieses ist in der Figur 7 dargestellt und wird in Verbindung mit der Figur erklärt. Wurde bei S4 festgestellt, dass keine der beiden Zustandsgrößen größer als der entsprechende Maximalwert ist, Abfrageergebnis S4: nein, so wird zu S5 verzweigt. Bei S5 wird geprüft, ob entweder das rückgeführte Abgas AGR kleiner wird als der Maximalwert MAX1 verringert um den Hysteresewert HY1 oder ob der Ladedruck p5 kleiner wird als der Maximalwert MAX3 verringert um den
Hysteresewert HY3. Ergänzend wird geprüft ob der Adaptionsspritzbeginn SB(A) größer wird als Minimalwert MIN2. Ist dies zutreffend, Abfrageergebnis S5: ja, so wird in ein Unterprogramm UP2 der Figur 8 verzweigt. Anderenfalls, Abfrageergebnis S5: nein, wird zum Punkt A verzweigt, das heißt, die Normalfunktion bleibt gesetzt.
In Figur 7 ist das Unterprogramm UP1 dargestellt. Das Unterprogramm UP1 wird dann aufgesucht, wenn bei S4 der Figur 6 die Abfrage positiv war. Also dann, wenn der NOx- Regler keine Möglichkeit mehr hat die Zustandsgrößen des Zylindereinlassstroms zu regeln, weil entweder das Wastegate und/oder das AGR-Ventil am mechanischen Anschlag stehen. Bei S1 wird dann die erste Adaptionsfunktion gesetzt. Danach wird bei S2 der Adaptionsspritzbeginn SB(A) entsprechend der Vorgehensweise der Fig. 3 berechnet wird. Im Anschluss wird bei S3 geprüft, ob der rückgeführte Abgasstrom AGR kleiner wird als der Maximalwert MAX1 verringert um einen Hysteresewert HY1 oder ob der Ladedruck p5 kleiner wird als der Maximalwert MAX3 verringert um einen
Hysteresewert HY3 oder ob der Adaptionsspritzbeginn SB(A) größer/gleich einem Maximalwert MAX2 wird. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S3: nein, so wird zum Punkt B verzweigt. Anderenfalls, Abfrageergebnis S3: ja, wird in das Hauptprogramm der Figur 6, Punkt A, zurückverzweigt.
In Figur 8 ist das Unterprogramm UP2 dargestellt. Das Unterprogramm UP2 wird dann aufgesucht, wenn bei S5 der Figur 6 die Abfrage positiv war. Bei S1 wird dann die zweite Adaptionsfunktion gesetzt. Danach wird bei S2 der Adaptionsspritzbeginn SB(A) entsprechend der Figur 3 berechnet. Im Anschluss wird bei S3 geprüft, ob das rückgeführte Abgas AGR größer/gleich dem Maximalwert MAX1 wird oder ob der Ladedruck (p5) größer/gleich dem Maximalwert MAX3 wird oder ob der
Adaptionsspritzbeginn SB(A) kleiner/gleich dem Minimalwert (MIN2) wird. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S3: nein, so wird zum Punkt B verzweigt. Anderenfalls, Abfrageergebnis S3: ja, wird in das Hauptprogramm der Figur 6, Punkt A,
zurückverzweigt. Bezugszeichen
1 Brennkraftmaschine
2 Kraftstofftank
3 Niederdruckpumpe
4 Saugdrossel
5 Hochdruckpumpe
6 Rail
7 Injektor
8 Einzelspeicher
9 Rail-Drucksensor
10 elektronisches Steuergerät (ECU)
1 1 Abgasturbolader
12 Verdichter
13 Turbine
14 Ladeluftkühler
15 Drucksensor, Ladeluft
16 AGR-Ventil
17 Wastegate
18 NOx-Sensor
19 NOx-Regelkreis
20 NOx-Regler
21 Regelstrecke
22 Filter
23 Adaption
24 Logik
25 Integrator
26 Begrenzung
27 Normalfunktion
28 Erste Adaptionsfunktion
29 Zweite Adaptionsfunktion
30 Einlassleitung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung der NOx-Konzentration im Abgas einer
Brennkraftmaschine (1), bei dem eine NOx-Regelabweichung (dNOx) aus einem NOx-lstwert (NOx(IST)) sowie einem NOx-Sollwert (NOx(SL)) berechnet wird, anhand der NOx-Regelabweichung (dNOx) über einen NOx-Regler (20) eine Stellgröße (SG) berechnet wird und über die Stellgröße (SG) zumindest eine Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms (ZAS) der Brennkraftmaschine (1) eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass ergänzend ein Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) in Abhängigkeit der Stellgröße (SG) des NOx-Reglers (20) bestimmt wird und über den Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) der Spritzbeginn (SB) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Zustandsgröße des Zylindereinlassstroms (ZAS) ein Ladedruck (p5) und/oder ein rückgeführtes Abgas (AGR) über die Stellgröße (SG) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) bestimmt wird, indem die Stellgröße (SG) des NOx-Reglers (20) anhand von Grenzwerten bewertet wird und in Abhängigkeit der Bewertung eine erste Adaptionsfunktion (28), eine zweite Adaptionsfunktion (29) oder eine Normalfunktion (27) gesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass bei gesetzter erster Adaptionsfunktion (28) über den Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) der Spritzbeginn (SB) nach spät verändert wird, bei gesetzter zweiter Adaptionsfunktion (29) über den Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) der Spritzbeginn (SB) nach früh verändert wird und bei gesetzter Normalfunktion (27) über den Adaptionsspritzbeginn der Spritzbeginn (SB) unverändert bleibt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Adaptionsfunktion (28) gesetzt wird, wenn der rückgeführte
Abgasstrom (AGR) größer/gleich einem Maximalwert (MAX1) wird oder wenn der Ladedruck (p5) größer/gleich einem Maximalwert (MAX3) wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Adaptionsfunktion (28) zurückgesetzt und zur Normalfunktion (27) zurückgekehrt wird, wenn der rückgeführte Abgasstrom (AGR) kleiner als der Maximalwert (MAX1) verringert um einen Hysteresewert (HY1 ) wird oder wenn der Ladedruck (p5) kleiner als der Maximalwert (MAX3) verringert um einen
Hysteresewert (HY3) wird oder wenn der Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) größer/gleich einem Maximalwert (MAX2) wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Adaptionsfunktion (29) gesetzt wird, wenn das rückgeführte Abgas (AGR) kleiner als der Maximalwert (MAX1) verringert um den Hysteresewert (HY1) wird oder wenn der Ladedruck (p5) kleiner als der Maximalwert (MAX3) verringert um den Hysteresewert (HY3) wird und wenn ferner der Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) größer als ein Minimalwert (MIN2) wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Adaptionsfunktion (29) zurückgesetzt und zur Normalfunktion (27) zurückgekehrt wird, wenn das rückgeführte Abgas (AGR) größer/gleich dem Maximalwert (MAX1 ) wird oder wenn der Ladedruck (p5) größer/gleich dem Maximalwert (MAX3) wird oder wenn Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) kleiner/gleich dem Minimalwert (MIN2) wird.
9. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) berechnet wird, indem der Stellgröße (SG) des NOx-Reglers (20) über eine Logik (24) ein Wert zugeordnet wird, der Wert über einen Integrator (25) summiert und über eine Begrenzung (26) limitiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
das der Adaptionsspritzbeginn (SB(A)) anstelle über den Integrators (25) über einen Regler mit zumindest Pl-Verhalten berechnet wird.
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