DE10043383C2 - Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen wird in mindestens einem Zylinder (2) von einem darin alternierend bewegbaren Kolben (12) ein Brennstoffgemisch in einem Brennraum (11) komprimiert. Für ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen wird die dem Zylinder (2) zugeführte Kraftstoffmenge und die in einem Saugrohr (15) strömende Luftmasse erfaßt und einer elektronischen Schaltung (6) zugeführt. Außerdem wird aus mindestens einem aktuellen Meßwert des Motorbetriebs eine Bestimmung des Schwerpunktes (S) der Verbrennung vorgenommen und aus dem Wert für den Schwerpunkt (S) der Verbrennung sowie unter Einbeziehung der Werte der erfaßten Kraftstoffmenge und Luftmasse der Betrag der Stickoxidemission berechnet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in
sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen entstehen Abgase, die verschiedene Schadstoffe
enthalten, wobei deren jeweiliger Anteil im wesentlichen von der Zusammensetzung des
Kraftstoff/Luft-Gemisches abhängig ist. Insbesondere bei einem Betrieb mit magerem
Kraftstoff/Luft-Gemisch, das heißt Lamda < 1, ist der Anteil der Stickoxide (NOx) groß. Damit
die in einigen Ländern strengen Abgasvorschriften eingehalten werden können, ist es
bekannt, NOx-Speicherkatalysatoren einzusetzen. Diese NOx-Speicherkatalysatoren besitzen
jedoch trotz Regeneration während bestimmter Betriebsbedingungen lediglich eine begrenzte
Speicherkapazität, so daß eine Speicherung der anfallenden Stickoxide nicht immer in
ausreichendem Maße möglich ist.
Um diesem Problem zu begegnen, wurde in der DE 198 01 626 A1 bereits ein Verfahren zur
Diagnose eines Katalysators im Abgas von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, der sowohl
eine Sauerstoff- als auch eine Stickoxidspeicherfähigkeit aufweist. Bei diesem Verfahren ist
vorgesehen, daß eine erste Phasenverschiebung zwischen einer Verringerung der
Sauerstoffkonzentration und einer darauf folgenden Reaktion der Sonde und eine zweite
Phasenverschiebung zwischen anschließender Erhöhung der Sauerstoffkonzentration und
einer darauf folgenden Reaktion der Sonde erfaßt wird. Bei diesem Verfahren wird die
Differenz der Phasenverschiebung bestimmt und ein Fehlersignal gespeichert und/oder
ausgegeben, wenn die genannte Differenz eine vorgegebene Schwelle nicht erreicht. Mit
diesem Verfahren ist eine Einflußnahme auf den Betrieb der Brennkraftmaschine und den
Anteil der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide im Abgas nicht möglich.
Die DE 196 06 680 A1 offenbart ein Verfahren zum Erfassen eines Verbrennungszustands
eines Motors mit innerer Verbrennung. Zuerst wird ein Verbrennungsdruck mittels eines
Drucksensors erfasst und daraus eine Verbrennungsschwerpunktposition zum Erhalten einer
Kurbelwinkelposition ermittelt, die einem Schwerpunkt einer Verbrennung während einer
Verbrennungsperiode entspricht. Basierend auf der Verbrennungsschwerpunktposition wird
der Verbrennungszustand erfasst. Dadurch kann die Motorsteuerung durch eine ermittelte
Ziel-Verbrennungsschwerpunktposition als eine Bezugsgröße mit verbesserter Genauigkeit
durchgeführt werden.
DE 195 20 605 C1 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem
Otto-Verbrennungsmotor, bei dem die den Verbrennungsverlauf bestimmenden Stellgrößen
für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit
vom erfassten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden.
Dabei wird eine Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus während dessen
Ladungswechselphase mit Hilfe von erfassten Istwerten von Durchbrennfunktions-
Einflussfaktoren eines vorangegangenen Arbeitszyklus vorausberechnet. Dann wird eine Ist-
Durchbrennfunktion während der Hochdruckphase des jeweiligen Arbeitszyklus in Echtzeit
ermittelt und die vorausberechnete Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion verglichen. Daraus
werden aktualisierte Werte für die Durchbrennfunktions-Einflussfaktoren gewonnen, die der
verbrennungsregelnden Bestimmung von Stellgrößenwerten für einen nachfolgenden
Arbeitszyklus zugrundegelegt werden.
Aus der EP 0 783 918 A1 ist ein Verfahren zur Verringerung des Stickoxidgehalts in
sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren und
direkt einspritzenden Ottomotoren für Kraftfahrzeuge bekannt. Bei diesem Verfahren werden
die Stickoxide mit Hilfe eines in Abhängigkeit von Betriebsparametern zum Abgas zudosierten
Reduktionsmittels an einem Katalysator reduziert. Dabei wird als Reduktionsmittel
Wasserstoff/oder Kohlenwasserstoff verwendet, wobei in einem ersten Betriebsbereich der
Brennkraftmaschine nur Wasserstoff, in einem zweiten Betriebsbereich sowohl Wasserstoff
als auch Kohlenwasserstoff und in einem dritten Betriebsbereich nur Kohlenwasserstoff
stromauf des Katalysators zum Abgas zugeführt wird. Auch hierbei ist eine Einflußnahme auf
die Betriebsweise der Brennkraftmaschine im Hinblick auf die Entstehung des
Stickoxidanteils nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des
Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit
dem die Stickoxidemission auf der Grundlage der tatsächlichen Einflußgrößen bestimmt
werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung des
Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von Brenn
kraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff
einspritzung wird bereits seit einiger Zeit angestrebt, die
Stickoxid-Emission (NOx-Emission) durch Berechnung zu
bestimmen. Eine solche Bestimmung dient beispielsweise der
Vorausberechnung der NOx-Emissionen und der Versuchspla
nung sowie Plausibilitätskontrollen von Meßwerten wie Indi
zierdaten und NOx-Werten. Die rechnerische Bestimmung des
NOx mit den derzeitigen Simulationsmodellen ist für die
NOx-Ermittlung völlig unzureichend. Außerdem läßt sich mit
diesen Rechenmodellen aufgrund des extremen Rechenzeit-Be
darfs ein Steuer- und Regelalgorithmus für den Fahrzeug
einsatz nicht darstellen.
Von besonderer Bedeutung ist diese Problematik auch im Zu
sammenhang mit dem Einsatz von SCR-Katalysatoren. Die Menge
des für einen solchen Katalysator einzuspritzenden Harn
stoffs steht in einem festen Verhältnis zur NOx-Emission.
Daraus ist zu folgern, daß in Abhängigkeit von der Exakt
heit, mit der man die NOx-Emission bestimmen kann, auch
eine entsprechend genaue Dosierung des Harnstoffs möglich
ist und so der Wirkungsgrad des Katalysators erhöht werden
kann.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die NOx-Emission
exakt zu berechnen, da dieser Berechnung Werte aus den tat
sächlichen Einflußgrößen auf die NOx-Emission zugrunde ge
legt werden. Die Höhe der NOx-Emission einer Brennkraftma
schine hängt primär von der lokalen Temperatur, der Sauer
stoffkonzentration und der Verweilzeit der Zylinderladung
im Brennraum ab. Die beiden letztgenannten Größen lassen
sich verhältnismäßig einfach durch Messung der Motordreh
zahl der eingesetzten Luft und der Kraftstoffmenge erfas
sen. Dagegen ist es sehr viel schwieriger, die Gastempera
tur im Brennraum zu ermitteln. Durch die vorliegende Erfin
dung wird daher vorgeschlagen, eine andere Größe zu verwen
den, die unmittelbar mit der für die Stickoxid-Entstehung
relevanten Gastemperatur korreliert. Da die Gastemperatur
maßgeblich vom Schwerpunkt der Verbrennung, das ist die
Lage der 50% Umsetzung des Kraftstoffs in Bezug auf die
Kolbenstellung OT abhängt, ist es vorteilhaft, den Schwer
punkt oder eine vergleichbare Größe wie z. B. die Lage der
maximalen Energieumsetzung als Bezugsgröße für die NOx-
Emission zu wählen. Aus diesem Wert für den Schwerpunkt der
Verbrennung sowie den Werten der erfaßten Kraftstoffmenge
und Luftmasse wird der Betrag der NOx-Emission z. B. mit
Hilfe von Neuronalen Netzen berechnet.
Die Bestimmung des Schwerpunktes der Verbrennung erfolgt
vorzugsweise durch Messung des Brennraumdruckverlaufs. Zu
diesem Zweck ist ein Drucksensor im Bereich des Brennraumes
vorgesehen. Diese Art der Ermittlung des Schwerpunktes der
Verbrennung ist äußerst exakt. Alternativ hierzu besteht
auch die Möglichkeit, über ein eigenes Modell zur Berech
nung des Schwerpunktes aus dem Beginn der Einspritzung den
Wert des Schwerpunktes der Verbrennung zu ermitteln.
Sofern Drucksensoren für die Bestimmung des Schwerpunktes
der Verbrennung vorgesehen sind, so ergeben sich weitere
Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Überwachung des
Maximaldruckes zur Fehlererkennung, zur Feststellung der
Betriebsart und dergleichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft,
daß mittels eines Sensors die Menge des rückgeführten Abgases
erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektrischen
Schaltung zugeführt wird und dieses Signal in die Berech
nung des Betrags der NOx-Emission einbezogen wird. Darüber
hinaus ist es vorteilhaft, daß die Sauerstoffkonzentration
im Abgas erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektri
schen Schaltung zugeführt wird und daß dieses Signal in die
Berechnung des Betrags der NOx-Emission einbezogen wird.
Um alle Zylinder zu überwachen und einen Vergleich der je
weiligen Druckverläufe zum Zwecke der Fehlererkennung
durchzuführen, ist es vorteilhaft, in jedem Zylinder einen
Drucksensor anzuordnen, so daß in jedem Zylinder der Druck
verlauf im Brennraum erfaßt wird und für jeden Zylinder
eine separate Berechnung der NOx-Emission erfolgt.
Bei schnell laufenden Brennkraftmaschinen ist es darüber
hinaus zweckmäßig, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine
erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektrischen
Schaltung zugeführt wird und daß dieses Signal in die Be
rechnung des Betrages der NOx-Emission einbezogen wird.
Außerdem ist es zweckmäßig, einen NOx-Sensor vorzusehen,
der den NOx-Anteil im Abgasstrom erfaßt, wobei der daraus
resultierende Meßwert mit dem Betrag der berechneten NOx-
Emission verglichen wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motorblocks mit
Druckaufnehmern und Motorelektronik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines vertikalen
Schnittes durch eine Brennkraftmaschine mit Kraft
stoff- und Luftzuführung,
Fig. 3 die Darstellung des Verlaufs der Verbrennung und
Lage des Schwerpunktes, bezogen auf den Kurbelwin
kel,
Fig. 4 die Darstellung der Abhängigkeit der Stickoxidemis
sion von der Lage des Schwerpunktes, bezogen auf
den Kurbelwinkel.
In Fig. 1 ist ein Zylinderblock 1, der vier Zylinder 2 um
faßt, dargestellt. Jedem der Zylinder ist ein im Bereich
des Brennraumes befindlicher Drucksensor 3 zugeordnet.
Diese Drucksensoren 3 sind mittels Verbindungsleitungen 4
an Eingänge einer Signalaufbereitung 5 geschaltet. Die Sig
nalaufbereitung 5 ist Bestandteil einer elektronischen
Schaltung 6, die auch eine Motorelektronik 7 umfaßt. Auf
einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine ist eine Scheibe 8, die beispielsweise
gleichzeitig das Schwungrad bilden kann, angeordnet, wobei
dieser Scheibe 8 ein Winkelmarkengeber 9 zugeordnet ist.
Dieser Winkelmarkengeber 9 ist über eine Leitung 10 an ei
nen Eingang der Signalaufbereitung 5 geschaltet.
In Fig. 2 ist der Zylinderblock 1 schematisch als Längs
schnitt durch den Zylinder 2 dargestellt, wobei in dem Zy
linder 2 ein Kalben 12 verschiebbar geführt ist, wobei die
Oberseite des Kolbens 12 einen Brennraum 11 begrenzt. Der
Zylinder 2 ist an seiner Oberseite durch einen Zylinderkopf
13 geschlossen, wobei in dem Zylinderkopf 13 ein Einlaßven
til 14 und ein Auslaßventil 17 angeordnet sind. Durch das
Einlaßventil 14 kann die benötigte Verbrennungsluft aus dem
Saugrohr 15 in den Zylinder 2 einströmen, wobei die jewei
lige Luftmasse in einem Luftmassenmesser 16 erfaßt wird.
Der Luftmassenmesser 16 ist über eine Leitung 22 mit der
elektronischen Schaltung 6 verbunden.
Durch das Auslaßventil 17 gelangen die Verbrennungsgase in
eine Abgasleitung 18, die zu einer in der Zeichnung nicht
dargestellten Katalysatoranordnung führt. Es ist eine von
der Abgasleitung 18 abzweigende Abgasrückführleitung 19
vorgesehen, die stromab des Luftmassenmessers 16 in das
Saugrohr 15 mündet. In dieser Abgasrückführleitung 19 be
findet sich ein Rückführmengensensor 20, der die Masse des
rückgeführten Abgases erfaßt und entsprechende Signale über
eine Sensorleitung 21 an die elektronische Schaltung 6
überträgt.
Im Zylinderkopf 13 ist der bereits zu Fig. 1 beschriebene
Drucksensor 3 angeordnet und über die Verbindungsleitung 4
an die elektronische Schaltung 6 geschaltet. Außerdem be
findet sich um Zylinderkopf 13 ein Einspritzventil 25, das
über eine Einspritzleitung 26 mit einer Einspritzpumpe 23
verbunden ist. Zwischen der Einspritzpumpe 23 und dem Ein
spritzventil 25 befindet sich eine Meßeinrichtung 24 für
die Kraftstoffmasse. Diese Meßeinrichtung 24 ist über eine
elektrische Leitung 27 mit der Schaltung 6 verbunden und
die Einspritzpumpe 23 ist mit einer Steuerleitung 28 verse
hen, deren anderes Ende an der Schaltung 6 liegt.
Die in den Fig. 1 und 2 beschriebene Vorrichtung ermöglicht
es, mit Hilfe des Drucksensors 3 den Druckverlauf im Brenn
raum 11 zu messen. Aus dem Druckverlauf kann der Schwer
punkt S der Verbrennung bestimmt werden, wobei die Lage des
Schwerpunktes bei 50% der Umsetzung des Kraftstoffs liegt.
Dieser Bezug entspricht dem ersten Hauptsatz der Thermody
namik dQ = dU + dW, das heißt, die zugeführte Energie ist
gleich der inneren Energie plus der Kolbenarbeit. Die Lage
des Schwerpunktes S ändert sich bezüglich des Kurbelwinkels
bei Änderung des Verbrennungsverlaufs, wie dies in Fig. 3
dargestellt ist. Ist 50% der zugeführten Energie umgesetzt,
so liegt dort der Schwerpunkt S. Mit der gestrichelten Li
nie in Fig. 3 ist dargestellt, daß bei geändertem Verlauf
der Verbrennung beispielsweise durch einen späteren Ein
spritzbeginn auch eine andere Lage des Schwerpunktes zu
verzeichnen ist, der in Fig. 3 mit S1 angegeben ist.
Daß die Lage des Schwerpunktes S der Verbrennung unmittel
bar Auswirkungen auf die Stickoxidemission NOx hat, wird
aus Fig. 4 deutlich, wobei ersichtlich ist, daß die NOx-
Emission in g/kg Brennstoff größer ist, je geringer der
Kurbelwinkel ist, bei dem der Schwerpunkt S erreicht wird.
Es ergeben sich somit für spätere Kurbelwinkel und deren
Schwerpunkt S1 bzw. S2 geringere NOx-Werte.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann eine Überwachung
des Spitzendruckes Pmax sowie dessen Lage, bezogen auf den
Kurbelwinkel, erfolgen. Ferner ist es möglich, eine Überwa
chung bezüglich der Gleichmäßigkeit der Verbrennung in den
indizierten Zylindern durchzuführen. Ferner ist der Einsatz
eines zusätzlichen NOx-Sensors zur Redundanz des Systems
möglich, wobei ein Vergleich des gemessenen Wertes mit dem
berechneten Wert für NOx erfolgen kann. Die ermittelten
Werte für NOx können für die Steuerung bzw. Regelung von
Abgasnachbehandlungssystemen benutzt werden. Die vorlie
gende Erfindung eignet sich nicht nur zur Durchführung von
Versuchen in Prüfständen, sondern eignet sich insbesondere
auch für den Einsatz im Fahrzeug, das heißt, bei der soge
nannten On Bord-Diagnose ist eine ständige Berechnung und
Kontrolle der NOx-Emission möglich.
Claims (8)
1. Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sau
erstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen, wo
bei in mindestens einem Zylinder (2) ein darin alter
nierend bewegbarer Kolben (12) ein Brennstoffgemisch
in einem Brennraum (11) komprimiert und wobei die dem
Zylinder (2) zugeführte Kraftstoffmenge und die in
einem Saugrohr (15) strömende Luftmasse erfaßt und
einer elektronischen Schaltung (6) zugeführt werden
und wobei aus mindestens einem aktuellen Meßwert des
Motorbetriebs eine Bestimmung des Schwerpunktes (S)
der Verbrennung erfolgt und aus dem Wert für den
Schwerpunkt (S) der Verbrennung sowie den Werten der
erfaßten Kraftstoffmenge und Luftmasse der Betrag der
Stickoxidemission berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sensors (3)
der Druckverlauf im Brennraum (11) erfaßt und min
destens ein dem Druckverlauf entsprechendes Signal
der elektronischen Schaltung (6) zugeführt wird und
daraus der Schwerpunkt (S) der Verbrennung bestimmt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung
(6) die Motorelektronik (7) umfaßt, in der ein Re
chenmodell abgelegt ist, über das aus dem jeweiligen
Zeitpunkt des Spritzbeginns (A) der Schwerpunkt (S)
der Verbrennung oder eine vergleichbare Größe wie
z. B. die Lage der maximalen Energieumsetzung berech
net wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sensors
(20) die Menge des rückgeführten Abgases erfaßt und
ein entsprechendes Signal der elektrischen Schaltung
(6) zugeführt wird und dieses Signal in die Berech
nung des Betrags der NOx-Emission einbezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentra
tion erfaßt und ein entsprechendes Signal der elekt
rischen Schaltung zugeführt wird und daß dieses Sig
nal in die Berechnung des Betrags der NOx-Emission
einbezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinder (2) der
Druckverlauf im Brennraum (11) erfaßt wird und für
jeden Zylinder (2) eine separate Berechnung der NOx-
Emission erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ein NOx-Sensor den NOx-
Anteil im Abgasstrom erfaßt und ein entsprechender
Meßwert mit dem Betrag der berechneten NOx-Emission
verglichen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Brenn
kraftmaschine erfaßt und ein entsprechendes Signal
der elektrischen Schaltung zugeführt wird und daß
dieses Signal in die Berechnung des Betrags der NOx-
Emission einbezogen wird.
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