WO2017167486A1 - Verfahren zum betreiben eines dieselmotors - Google Patents

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Peter Weiland
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a diesel engine having a NO x storage catalytic converter in the exhaust aftertreatment system in the substoichiometric range (rich operation) for efficient operation of the diesel engine
  • NO x storage catalytic converter by performing a post-injection, which is only partially burned in the combustion chamber.
  • NO x storage catalytic converter require special engine operating modes, so that the storage catalytic converter can be operated efficiently. These include a denoxification and desulfurization. When these modes are active, the engine is operated in the sub-stoichiometric range approximately with lambda 0.95. This operation is achieved by performing post-injection, which is only partially burned in the combustion chamber.
  • the present invention provides another approach for performing efficient operation of such a NO x storage catalyst. It is the object of the invention to provide a method for operating a diesel engine whose NO x storage catalytic converter can be operated particularly efficiently.
  • the lambda value in the combustion chamber is determined from a subset of the total fuel quantity necessary for the working cycle. Furthermore, a setpoint for the exhaust lambda is determined. From these two values, the required amount of post-injection can already be determined for the current working cycle and the setpoint for the exhaust lambda. Since the injection and the subsequent post-injection are consecutive subsets, a calculation of the combustion chamber lambda is possible after each injection.
  • lambda in the combustion chamber is preferably determined from the fresh air mass available before the working cycle and the partial fuel quantity.
  • the invention provides, in particular, that lambda in the combustion chamber (combustion chamber lambda) is determined from the injection quantity for a pre-injection and main injection. This does not exclude that the inventive method is carried out only on the basis of a main injection.
  • Combustion chamber filling (cylinder filling, model-based air path) and the amount of fuel to be injected minus the post-injection amount relevant for rich operation can thus calculate the post-injection amount that leads to the desired Abgaslambda.
  • a variant of the process according to the invention is characterized in that the combustion chamber lambda is determined after each Hauptein ⁇ spraying.
  • the desired Nacheinspritzmenge be determined for each injection and adjusted accordingly.
  • the method according to the invention can be carried out, for example, if a lambda probe is not ready or not yet ready for operation.
  • the method according to the invention can therefore provide a replacement functionality in the event of a malfunction of a lambda probe.
  • a denoxification and Ent ⁇ desulphurisation be possible if, for example, a lambda probe is broken or during the heating phase.
  • the method according to the invention can also be carried out to relieve a lambda controller. It can also be used to adapt a post-injection quantity map.
  • the engine is preferably operated in the substoichiometric range approximately with lambda 0.95.
  • Figure 1 is a schematic representation of exemplary
  • FIG. 2 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows pre-injections 1, a main injection 2 and a post-injection 3 in a diesel engine.
  • the shaded areas show the respectively injected torque-relevant fuel mass, while the unburned fuel in the post-injection 3 is marked by the area 4.
  • the diesel engine in question has an exhaust aftertreatment system with a NO x storage catalytic converter.
  • This storage catalyst requires special engine operating modes, namely denoxification and desulfurization, for efficient operation. If these modes are activated, the engine is operated in the sub-stoichiometric range with a lambda value of 0.95. This operation is achieved by performing a post-injection 3 that is only partially burned in the combustion chamber (cylinder), as shown in FIG.
  • FIG. 2 shows the individual method steps for operating a diesel engine, which has an NO x storage catalytic converter in the exhaust aftertreatment system, in this sub-stoichiometric range with a lambda value of 0.95.
  • this operation is achieved by performing a post-injection, which is only partially burned in the combustion chamber.
  • the lambda value in the combustion chamber is determined from a subset of the total fuel quantity necessary for the working cycle without the post-injection quantity relevant for the rich operation, wherein the lambda value in the combustion chamber is determined from the fresh air mass available before the working cycle and Injection amount for the pilot injection 1 and main injection 2 shown in Figure 1 is determined.
  • step 11 a desired value for lambda in the exhaust gas (Abgaslambda) is determined.
  • step 12 the required amount of a
  • the determined amount of post-injection is then injected in the current injection process (step 13), so that the desired setpoint for the exhaust lambda, here 0.95, results.
  • This lambda value is an efficient Be ⁇ drive as the storage catalyst with respect to eliminate nitrogen oxides and desulfurization can be achieved.
  • An example for determining the amount of post-injection will be described below.
  • the amount of post-injection for achieving the target lambda value corresponds to the quotient of the fresh-air mass in the cylinder and the product of the stoichiometric air mass and the target lambda value, minus the partial quantities injected to date.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, beschrieben. Der Dieselmotor wird im unterstöchiometrischen Bereich betrieben, um einen effizienten Betrieb des NOx-Speicherkatalysators zu erreichen. Hierzu wird eine Nacheinspritzung durchgeführt, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird. Um die erforderliche Menge der Nacheinspritzung zu ermitteln, wird Lambda im Brennraum aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge ermittelt. Ferner wird ein Sollwert für Lambda im Abgas bestimmt. Die erforderliche Menge der Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel wird aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda berechnet. Durch Einspritzung der auf diese Weise bestimmten erforderlichen Menge der Nacheinspritzung kann ein besonders effizienter Betrieb des NOx-Speicherkatalysators sichergestellt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, im unterstöchiometrischen Bereich (Fettbetrieb) für einen effizienten Betrieb des
NOx-Speicherkatalysators durch Durchführung einer Nachein- spritzung, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird.
Dieselmotoren, die im Abgasnachbehandlungssystem einen
NOx-Speicherkatalysator aufweisen, benötigen spezielle Motorbetriebsarten, damit der Speicherkatalysator effizient betrieben werden kann. Hierzu zählen eine Denoxierung sowie eine Entschwefelung. Wenn diese Betriebsarten aktiv sind, wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich etwa mit Lambda 0,95 betrieben . Dieser Betrieb wird erreicht, indem eine Nacheinspritzung durchgeführt wird, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird.
Damit der NOx-Speicherkatalysator auf effiziente Weise betrieben werden kann, muss der entsprechende Lambdawert eingehalten werden. Abweichungen von diesem Wert haben einen beträchtlichen Einfluss auf die Effizienz der Denoxierungs- bzw. Entschwe¬ felungszyklen. Insbesondere führt ein zu mageres Lambda in Kombination mit dem zu applizierenden Zeitpunkt der Nacheinspritzung zu einem signifikanten Anstieg der Exothermie bis hin zu einer Zerstörung der Komponenten der Abgasanlage. Ein zu fettes Lambda führt zu stark erhöhten HC-Emissionen .
Um den entsprechenden Lambdawert einzuhalten bzw. einzuregeln, ist es bekannt, eine entsprechende Lambdaregelung mittels einer Lambdasonde im Abgas durchzuführen, die die Menge der Nach¬ einspritzung kontrolliert, damit sich der gewünschte
Ziel-Lambdawert einstellt. Nach dem motorischen Arbeitsspiel wird hierbei ggf. eine Korrektur der Nacheinspritzmenge vor- genommen.
Die vorliegende Erfindung sieht einen weiteren Lösungsweg zur Durchführung eines effizienten Betriebes eines derartigen NOx-Speicherkatalysators vor. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors zur Verfügung zu stellen, dessen NOx-Speicherkatalysator besonders effizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
Ermitteln von Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraft¬ stoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nachein- spritzmenge;
Bestimmen eines Sollwertes für Lambda im Abgas (Abgaslambda) ; und
Ermitteln der erforderlichen Menge einer Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Lambdawert im Brennraum aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Ge- samtkraftstoffmenge ermittelt. Des Weiteren wird ein Sollwert für das Abgaslambda bestimmt. Aus diesen beiden Werten kann dann die erforderliche Menge einer Nacheinspritzung bereits für das aktuelle Arbeitsspiel und den Sollwert für das Abgaslambda ermittelt werden. Da es sich bei der Einspritzung und bei der nachfolgenden Nacheinspritzung um aufeinanderfolgende Teilmengen handelt, ist eine Berechnung des Brennraumlambdas nach jeder Einspritzung möglich .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) vorzugsweise aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Kraftstoffteilmenge ermittelt. Hierbei sieht die Erfindung insbesondere vor, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der Einspritzmenge für eine Vor- und Haupteinspritzung bestimmt wird. Das schließt nicht aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur auf Basis einer Haupteinspritzung durchgeführt wird. Durch die Berechnung des Brennraumlambdas aus bekannter
Brennraumfüllung (Zylinderfüllung, modellbasierter Luftpfad) und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge abzüglich der für den Fettbetrieb relevanten Nacheinspritzmenge lässt sich somit die Nacheinspritzmenge berechnen, die zum gewünschten Abgaslambda führt.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennraumlambda nach jeder Hauptein¬ spritzung ermittelt wird. Hiermit kann somit die gewünschte Nacheinspritzmenge für jeden Einspritzvorgang bestimmt und entsprechend eingeregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn eine Lambdasonde nicht oder noch nicht be- triebsbereit ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher eine Ersatzfunktionalität bei einer Fehlfunktion einer Lambdasonde vorsehen. Erfindungsgemäß werden eine Denoxierung und Ent¬ schwefelung möglich, wenn beispielsweise eine Lambdasonde defekt ist oder während der Aufheizphase . Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner zur Entlastung eines Lambdareglers durchgeführt werden. Auch kann es zur Adaption eines Nacheinspritzmengenkennfeldes eingesetzt werden.
Jedenfalls wird hierdurch eine besonders effiziente Denoxierung und Entschwefelung insbesondere im dynamischen Betrieb erreicht.
Auch für das erfindungsgemäße Verfahren wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich vorzugsweise etwa mit Lambda 0, 95 betrieben .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von beispielhaften
Einspritzvorgängen eines Dieselmotors mit entsprechenden Lambdawerten; und Figur 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens .
In Figur 1 sind schematisch Voreinspritzungen 1, eine Haupteinspritzung 2 und eine Nacheinspritzung 3 bei einem Dieselmotor dargestellt. Die schraffierten Bereiche zeigen die jeweils eingespritzte drehmomentrelevante Kraftstoffmasse, während der unverbrannte Kraftstoff bei der Nacheinspritzung 3 durch den Bereich 4 gekennzeichnet ist. Der hier in Rede stehende Dieselmotor besitzt ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem NOx-Speicherkatalysator . Dieser Speicherkatalysator benötigt spezielle Motorbetriebsarten, nämlich eine Denoxierung und eine Entschwefelung, damit er effizient betrieben werden kann. Wenn diese Betriebsarten aktiviert sind, wird der Motor im unterstöchiometrischen Bereich mit einem Lambdawert von 0,95 betrieben. Dieser Betrieb wird erreicht, indem eine Nacheinspritzung 3 durchgeführt wird, die nur teilweise im Brennraum (Zylinder) verbrannt wird, wie in Figur 1 gezeigt.
In Figur 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, in diesem unterstöchiomet- rischen Bereich mit einem Lambdawert von 0,95 dargestellt. Wie erwähnt, wird dieser Betrieb durch die Durchführung einer Nacheinspritzung erreicht, die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird. Bei dem Verfahren wird nunmehr in Schritt 10 der Lambdawert im Brennraum (Brennraumlambda) aus einer Teilmenge der für das Arbeitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nacheinspritzmenge ermittelt, wobei der Lambdawert im Brennraum hierbei aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Einspritzmenge für die in Figur 1 dargestellte Voreinspritzung 1 und Haupteinspritzung 2 bestimmt wird.
In Schritt 11 wird ein Sollwert für Lambda im Abgas (Abgaslambda) ermittelt. In Schritt 12 wird die erforderliche Menge einer
Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes bzw. Zielwertes für das Abgaslambda berechnet. Die ermittelte Menge der Nacheinspritzung wird dann im aktuellen Einspritzvorgang eingespritzt (Schritt 13) , so dass sich der gewünschte Sollwert für das Abgaslambda, hier 0,95, ergibt. Mit diesem Lambdawert lässt sich eine effiziente Be¬ triebsweise des Speicherkatalysators in Bezug auf Denoxierung und Entschwefelung erreichen. Nachfolgend wird ein Beispiel zur Ermittlung der Nachein- spritzmenge beschrieben.
Es ist hierbei zu klären, wie groß die Menge der Nacheinspritzung gewählt werden muss, damit sich ein Ziellambda von 0,95 ein¬ stellt. Als bekannt wird hierbei vorausgesetzt: die Frisch¬ luftmasse im Zylinder (z.B. 390 mg), Teilmengen bis zur
Nacheinspritzung .
Frischluftmasse
Stöchiometrische Frischluftmasse * Ziellambda
390 mg
-mf1-mf2-mf3 = -23 mg = 5 mg
mg Luft
14,7 * 0,95
mg Kraftstoff
Die Menge der Nacheinspritzung zum Erreichen des Ziellambda- wertes entspricht dem Quotienten aus der im Zylinder befindlichen Frischluftmasse und dem Produkt der stöchiometrischen Luftmasse und dem Ziellambdawert , abzüglich der bis dahin eingespritzten Teilmengen .
Wenn man weiterhin annimmt, dass bis zu einem Lambda von 1 aus dem eingespritzten Kraftstoff Drehmoment erzeugt wird, kann ebenfalls berechnet werden, welcher Mengenanteil der Nach¬ einspritzung keinen Beitrag zum Drehmoment leistet. Im vorstehend genannten Beispiel beträgt die verbleibende Luftmasse im Zylinder vor der Nacheinspritzung:
mg Luft
mLuftRest = 390 mg Luft -23 mg*14,7 = 51,9 mg
mg Kraftstoff
d.h. für die benötigte Nacheinspritzmenge von 5 mg stehen noch 51,9 mg Frischluft zur Verfügung. Damit können noch
mg Luft
51,9 mg Luft /14,7 = 3,5 mg Kraftstoff
mg Kraftstoff
verbrannt werden.
1,5 mg der Nacheinspritzmenge leisten keinen Beitrag zum Drehmoment .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, der im Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Speicherkata- lysator aufweist, im unterstöchiometrischen Bereich (Fettbetrieb) für einen effizienten Betrieb des NOx-Speicherkatalysators durch Durchführung einer Nacheinspritzung (3) , die nur teilweise im Brennraum verbrannt wird, mit den folgenden Schritten:
(10) Ermitteln von Lambda im Brennraum (Brennraum- lambda) aus einer Teilmenge der für das Ar¬ beitsspiel notwendigen Gesamtkraftstoffmenge ohne die für den Fettbetrieb relevante Nach- einspritzmenge ;
(11) Bestimmen eines Sollwertes für Lambda im Abgas
(Abgaslambda) ; und
(12) Ermitteln der erforderlichen Menge einer
Nacheinspritzung für das aktuelle Arbeitsspiel aus diesen Werten zur Erzielung des Sollwertes für das Abgaslambda.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der vor dem Arbeitsspiel zur Verfügung stehenden Frischluftmasse und der Kraftstoffteilmenge ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lambda im Brennraum (Brennraumlambda) aus der Ein¬ spritzmenge für eine Vor- und Haupteinspritzung (1, 2) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumlambda nach jeder Haupteinspritzung (2) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es durchgeführt wird, wenn eine Lambdasonde nicht oder noch nicht betriebsbereit ist .
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es zur Entlastung eines Lambdareglers durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es zur Adaption eines Nacheinspritzmengenkennfeldes eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Motor im unterstöch- iometrischen Bereich etwa mit Lambda 0, 95 betrieben wird.
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