DE102016200709B4 - Verfahren zur Ermittlung einer Emission von Stickoxiden beim Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung einer Emission (mNO) von Stickoxiden beim Betrieb einer Brennkraftmaschine (10), wobei ein Volumen (V(ϑ)) des Brennraums (14) durch einen in einem Zylinder geführten Kolben (18) in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel (ϑ) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faktor in Abhängigkeit von einem Produkt der Änderung(|dV(ϑ)|dϑ)des Volumens (V(ϑ)) mit einem Kehrwert(1V(ϑ))des Volumens (V(ϑ)) ermittelt wird, und dass die Emission (mNO) von Stickoxiden in Abhängigkeit von dem Faktor ermittelt wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Emission von Stickoxiden beim Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es sind Verfahren bekannt, die zur Bestimmung eines Stickoxid-Werts ausgebildet sind. Die DE 10 2011 075 875 A1 betrifft beispielsweise ein Verfahren zur Berechnung der NOx-Rohemission einer Brennkraftmaschine. Hierzu werden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine herangezogen. Eine Korrekturfunktion berücksichtigt einen Ladedruck.
• Aus der DE 10 2010 041 907 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein modellierter NOx-Wert mittels eines NOx-Modells ermittelt wird. Insbesondere werden Bauteiltoleranzen eines Einspritzsystems und Bauteiltoleranzen eines Luftsystems berücksichtigt. Ein ermittelter Wert für eine Stickoxidemission dient beispielsweise zur Korrektur von Brennstoff- und/oder Harnstoff-Einspritzmengen, zur verbesserten Funktion von Katalysatoren und damit schlussendlich zur Gesamtreduktion von Stickoxiden.
• C. Guardiola, J.J. Löpez, J. Martin, D. Garcia-Sarmiento: „Semiempirical incylinder pressure based model for NOX prediction oriented to control applications" (Applied Thermal Engineering, Elsevier, 2011) offenbart ein als Basismodell bezeichnetes Modell zur schnellen Ermittlung von erzeugten Stickoxiden in Diesel-Brennkraftmaschinen. Ebenso wird offenbart, wie eine adiabatische Verbrennungstemperatur und eine Wärmefreisetzungsrate eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum ermittelbar sind.
• Offenbarung der Erfindung
• Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben und finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
• Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Emission von Stickoxiden beim Betrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben. Ein Volumen des Brennraums wird durch einen in einem Zylinder geführten Kolben in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel verändert. Ein Faktor wird in Abhängigkeit einem Produkt der Änderung des Volumens mit einem Kehrwert des Volumens ermittelt. Die Emission von Stickoxiden wird in Abhängigkeit von dem Faktor ermittelt. Der ermittelte Faktor berücksichtigt vorteilhaft, dass die Bewegung der Ladung im Zylinder durch die Bewegung des Kolbens um den oberen Totpunkt herum das Stickoxid-Reaktionsvolumen und damit die Stickoxidproduktion während der Verbrennung wesentlich beeinflusst. So kann durch im Steuergerät bereits vorliegende Größen die Ermittlung der Emission von Stickoxiden wesentlich präziser geschehen. Durch die so präzisere Ermittlung der Stickoxidemissionen können Betriebsparameter der Brennkraftmaschine besser an die aktuellen Verbrennungsbedingungen angepasst werden. Ebenso kann ein Stickoxid-Sensor auf seine Funktion hin überprüft werden oder der Sensor kann durch die vorgenannte Ermittlung ersetzt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform bestimmt sich der Faktor sich gemäß ${\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}$

  

  bestimmt, wobei K4 eine applizierte Größe, ϑ den Kurbelwinkel, und V(ϑ) das Volumen des Brennraums bei dem Kurbelwinkel ϑ darstellt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Emission von Stickoxiden in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkelbereich ermittelt wird, der den oberen Totpunkt umfasst. Hierdurch kann die Emission von Stickoxiden präziser ermittelt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Wärmefreisetzungsrate eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel ermittelt. Eine adiabate Verbrennungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum wird in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel ermittelt. Die Emission von Stickoxiden wird in Abhängigkeit von der ermittelten Wärmefreisetzungsrate, in Abhängigkeit von der adiabaten Verbrennungstemperatur, in Abhängigkeit von dem Volumen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Faktor, ermittelt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform bestimmt sich die Emission der Stickoxide gemäß $m_{NO}=K_1^{*}\cdot {\displaystyle \underset{\vartheta }{\int }HRR\left(\vartheta \right)\cdot {\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}\cdot \text{exp}\left(\frac{K_3}{T_{ad}\left(\vartheta \right)}\right)}d\vartheta ,$

  

  wobei K1* eine aus einem Kennfeld ermittelte Größe darstellt, wobei K4 eine applizierte Größe darstellt, und wobei K3 eine applizierte Größe darstellt.
• Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
• Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Ansicht eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 wird gemäß einem Direkteinspritzungsschema betrieben, wobei Brennstoff direkt in einen Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 gemäß einem Auto-Kreisprozess oder einem Dieselverfahren oder einer weiteren Methode eingespritzt wird. Gemäß dem Otto-Kreisprozess wird eine Mischung aus Luft und Brennstoff mittels einer Zündkerze 16 gezündet. Ist die Brennkraftmaschine 10 eine Diesel-Brennkraftmaschine, so ist die Zündkerze 16 nicht Teil der Brennkraftmaschine 10.
• Jeder Brennraum 14 ist mittels eines bewegbaren Kolbens 18 abgedichtet und wird mittels eines Ansaugsystems 50 mit Luft versorgt. Nach dem Verbrennen eines Luft-Brennstoff-Gemischs in dem Brennraum 14 wird die verbrannte Füllung des Brennraums 14 mittels des Abgassystems 60 ausgestoßen. Der Austausch von Füllungen wird von Ladungswechselventilen 24,26 gesteuert, welche mittels Aktoren 28,30 synchron zur Bewegung des Kolbens 18 betrieben werden. Die Aktoren 28,30 sind Nocken einer oder mehrerer Nockenwellen, welche synchron zur Bewegung des Kolbens 18 betrieben werden. Mittels eines Abgasrückführsystems 70 können Abgase zu dem Brennraum 14 zurückgeführt werden, um Stickoxidemissionen, d.h. NOx-Emissionen, oder weitere Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine 10 zu verringern.
• Das Abgassystem 60 kann weitere Komponenten zur Abgasnachbehandlung umfassen. Des Weiteren kann das Abgassystem 60 einen NOX-Sensor 36 und einen Lambda-Sensor 37 umfassen. Die Brennkraftmaschine 10 wird mit einem Steuergerät 38 betrieben, welches Signale S eines entsprechenden Sensors, beispielsweise ein Signal S_36 des NOX-Sensors 36, ein Signal S_37 des Lambda-Sensors 37, ein Signal S_40 eines Umdrehungsgeschwindigkeits-Sensors 40, ein Signal S_42 eines Gaspedalsensors 42, ein Signal S_ 43 eines Drucksensors 43 und weitere Signale wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur, eine Temperatur der Brennkraftmaschine 10, eine Einlass-Lufttemperatur, usw., erhält. Der Drucksensor 43 misst einen Druck innerhalb des Brennraums 14 und gibt diesen Druck als das Signal S_43 weiter. In Abhängigkeit von diesen Signalen S oder zumindest einem Teil dieser Signale S ermittelt das Steuergerät 38 einen Betriebsparameter S_12 für den Injektor 12, wenn anwendbar einen Betriebsparameter S_16 für die Zündkerzen 16, einen Betriebsparameter S_34 für ein Abgasrückführventil 34 und, wenn anwendbar, Signale für weitere Aktoren, die Teil der Brennkraftmaschine 10 sind. Das Steuergerät 38 weist eine digitale Prozessoreinheit auf, auf der ein Computerprogramm ausführbar ist.
• Das Ansaugsystem 50 und das Abgassystem 60 und weitere zugeordnete Komponenten wie beispielsweise das Abgasrückführventil 34 können gemeinsam als Luftsystem bezeichnet werden. Weitere Betriebsparameter, die das Luftsystem betreffen, umfassen zumindest eine Fluidrate von Fluid, das durch das Abgasrückführventil 34 strömt, einen Ladedruck in einem Ansaugrohr, eine Drallzahl. Die Injektoren 12 und die zugeordneten Komponenten wie beispielsweise eine Brennstoffpumpe werden als Einspritzsystem bezeichnet.
• Weitere Betriebsparameter, die das Einspritzsystem betreffen, umfassen zumindest Einspritzmuster, einen Zeitablauf von Einspritzungen, eine Anzahl von Einspritzungen, eine Brennstoffmasse, und einen Brennstoffdruck.
• Eine Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Sinne der Zylinderladung wird von der Bewegung der Masse innerhalb des Brennraums 14 und der Zerstäubung von Brennstoff beeinflusst. Die Turbulenzen, die durch eine Zerstäubung des Brennstoffs induziert werden, ändern sich in erster Näherung nicht mit dem jeweiligen Zeitpunkt der Einspritzungen. Mithin wird angenommen, dass die Bewegung der Masse innerhalb des Brennraums 14 durch eine Bewegung des Kolbens 18 um den oberen Totpunkt herum das Reaktionsvolumen für Stickoxide und damit die Stickoxidproduktion während der Verbrennung wesentlich beeinflusst.
• Verwirbelungen in im Sinne von Squish-Verwirbelungen, die am oberen Totpunkt auftreten, können beispielsweise durch eine Squish-Geschwindigkeit v_squish vereinfacht dargestellt werden. Diese Geschwindigkeit v_squish ist proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit v_piston des Kolbens 18 und ist invers proportional zu der quadrierten Distanz d_p-ch zwischen der oberen Krone des Kolbens 18 und einem Zylinderkopf. Die Geschwindigkeit v_squish des Kolbens 18 ist proportional zur Ableitung des momentanen Zylindervolumens V(ϑ). Die Distanz d_p-ch ist proportional zum momentanen Zylindervolumen V(ϑ). Des Weiteren wird ein Integrationsschritt auf 1° eines Kurbelwinkels ϑ gewählt. Gemäß der folgenden Verhältnisgleichung 1 ergibt sich aus dem Vorgenannten ein Produkt einer Änderung $\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }$

  

  des momentanen Zylindervolumens V(ϑ) mit einem Kehrwert $\frac{1}{V\left(\vartheta \right)}$

  

  des Zylindervolumens V(ϑ) $$v_{squish}\propto \frac{v_{piston}}{d_{p-ch}^2}\propto \frac{v_{piston}}{d_{p-ch}^{}}\propto \frac{dV\left(\vartheta \right)}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}$$

  
• Eine Emission von Stickoxiden für einen Verbrennungszyklus beim Betrieb der Brennkraftmaschine 10 kann somit gemäß der nachfolgenden Gleichung 2 ermittelt werden. Der nachfolgende Term 3, der in der Gleichung 2 enthalten ist, repräsentiert den Anteil des Reaktionsvolumens an dem Stickoxid-Erzeugungsprozess sowie den Einfluss der Massenbewegung um den oberen Totpunkt herum. Die Ableitung des momentanen Zylindervolumens ist als Absolutwert angegeben, da das entsprechende Vorzeichen an sich für die Bewertung und Berücksichtigung der Turbulenzen bei der Ermittlung der Emission m_NO von Stickoxiden eine untergeordnete Rolle spielt. $$m_{NO}=K_1^{*}\cdot {\displaystyle \underset{\vartheta }{\int }HRR\left(\vartheta \right)\cdot {\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}\cdot \text{exp}\left(\frac{K_3}{T_{ad}\left(\vartheta \right)}\right)}d\vartheta$$

  

  $$HRR\left(\vartheta \right)\cdot {\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}$$

  
• Die Emission m_NO von Stickoxiden wird gemäß der Gleichung 2 durch eine Integration über einem Kurbelwinkelbereich, der von einem ersten Kurbelwinkel bis zu einem zweiten Kurbelwinkel reicht, durchgeführt. Der Kurbelwinkelbereich kann den oberen Zünd-Totpunkt umfassen.
• Die Emission m_NO von Stickoxiden wird auch als Masse von Stickoxiden bezeichnet, wobei Stickoxide eine Anzahl von Oxiden des Stickstoffs umfasst. Die Größe K1* wird aus einem Kennfeld in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und in Abhängigkeit von einer Motorlast ermittelt.

Claims (9)

1. Ein Verfahren zur Ermittlung einer Emission (m_NO) von Stickoxiden beim Betrieb einer Brennkraftmaschine (10), wobei ein Volumen (V(ϑ)) des Brennraums (14) durch einen in einem Zylinder geführten Kolben (18) in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel (ϑ) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faktor in Abhängigkeit von einem Produkt der Änderung $\left(\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\right)$

   

   des Volumens (V(ϑ)) mit einem Kehrwert $\left(\frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)$

   

   des Volumens (V(ϑ)) ermittelt wird, und dass die Emission (m_NO) von Stickoxiden in Abhängigkeit von dem Faktor ermittelt wird.
2. Das Verfahren nach dem Anspruch 1, wobei der Faktor sich gemäß $${\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}$$

   

   bestimmt, wobei K4 eine applizierte Größe, ϑ den Kurbelwinkel, und V(ϑ) das Volumen des Brennraums bei dem Kurbelwinkel ϑ darstellt.
3. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Emission (m_NO) von Stickoxiden in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkelbereich ermittelt wird, der den oberen Totpunkt umfasst.
4. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Wärmefreisetzungsrate (HRR(ϑ)) eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum (14) in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel (ϑ) ermittelt wird, wobei eine adiabate Verbrennungstemperatur (T_ad(ϑ)) des Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum (14) in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel (ϑ) ermittelt wird, und wobei die Emission (m_NO) von Stickoxiden in Abhängigkeit von der ermittelten Wärmefreisetzungsrate (HRR(ϑ)), in Abhängigkeit von der adiabaten Verbrennungstemperatur (T_ad(ϑ)), in Abhängigkeit von dem Volumen (V(ϑ)), insbesondere in Abhängigkeit von dem Faktor, ermittelt wird.
5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei sich die Emission (m_NO) der Stickoxide gemäß $$m_{NO}=K_1^{*}\cdot {\displaystyle \underset{\vartheta }{\int }HRR\left(\vartheta \right)\cdot {\left(1+\frac{\left|dV\left(\vartheta \right)\right|}{d\vartheta }\cdot \frac{1}{V\left(\vartheta \right)}\right)}^{K_4}\cdot \text{exp}\left(\frac{K_3}{T_{ad}\left(\vartheta \right)}\right)}d\vartheta$$

   

   bestimmt, wobei K1* eine aus einem Kennfeld ermittelte Größe darstellt, wobei K4 eine applizierte Größe darstellt, und wobei K3 eine applizierte Größe darstellt.
6. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Emission (m_NO) von Stickoxiden eine Masse von Stickoxiden ist.
7. Ein Computerprogramm für ein digitales Rechengerät, das dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
8. Ein Steuergerät (38) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), das mit einem Mikroprozessor versehen ist, auf dem ein Computerprogramm nach dem Anspruch 7 lauffähig ist.
9. Ein Speichermedium für das Steuergerät (38) nach Anspruch 8, auf dem das Computerprogramm nach dem Anspruch 7 abgespeichert ist.

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