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WO2002018762A1 - Verfahren zur bestimmung des stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen abgasen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur bestimmung des stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen abgasen von brennkraftmaschinen Download PDF

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WO2002018762A1
WO2002018762A1 PCT/EP2001/009870 EP0109870W WO0218762A1 WO 2002018762 A1 WO2002018762 A1 WO 2002018762A1 EP 0109870 W EP0109870 W EP 0109870W WO 0218762 A1 WO0218762 A1 WO 0218762A1
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WO
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combustion
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detected
gravity
nox
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PCT/EP2001/009870
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Daudel
Günther HOHENBERG
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Priority to EP01960712A priority patent/EP1313935B1/de
Priority to JP2002522656A priority patent/JP4008810B2/ja
Priority to DE50111218T priority patent/DE50111218D1/de
Publication of WO2002018762A1 publication Critical patent/WO2002018762A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/028—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the combustion timing or phasing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/146—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration
    • F02D41/1461—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration of the exhaust gases emitted by the engine
    • F02D41/1462—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration of the exhaust gases emitted by the engine with determination means using an estimation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/36—Control for minimising NOx emissions

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the nitrogen oxide content in oxygen-containing exhaust gases from internal combustion engines.
  • NOx nitrogen oxides
  • DE 198 01 626 AI has already proposed a method for diagnosing a catalytic converter in the exhaust gas of internal combustion engines, which has both oxygen and nitrogen oxide storage capacity.
  • This method provides for a first phase shift between a decrease in the oxygen concentration and one thereon following reaction of the probe and a second phase shift between subsequent increase in the oxygen concentration and a subsequent reaction of the probe is detected.
  • the difference in the phase shift is determined and an error signal is stored and / or output if the said difference does not reach a predetermined threshold.
  • EP 0 783 918 A1 discloses a process for reducing the nitrogen oxide content in oxygen-containing exhaust gases from internal combustion engines, in particular diesel engines and direct-injection gasoline engines for motor vehicles.
  • the nitrogen oxides are reduced on a catalytic converter using a reducing agent which is metered into the exhaust gas as a function of operating parameters.
  • Hydrogen / or hydrocarbon is used as the reducing agent, with only hydrogen in a first operating range of the internal combustion engine, both hydrogen and hydrocarbon in a second operating range and only hydrocarbon upstream of the catalytic converter being supplied to the exhaust gas in a third operating range.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for determining the nitrogen oxide content in oxygen-containing exhaust gases from internal combustion engines, with which the nitrogen oxide emission can be determined on the basis of the actual influencing variables. This object is achieved by a method for determining the nitrogen oxide content in oxygen-containing exhaust gases from internal combustion engines with the features of claim 1.
  • NOx emission nitrogen oxide emission
  • Such a determination is used, for example, to calculate NOx emissions in advance and to plan the experiment, as well as to check the plausibility of measured values such as indexing data and NOx values.
  • the computational determination of the NOx with the current simulation models is completely inadequate for the NOx determination.
  • a control and regulation algorithm for vehicle use cannot be represented with these calculation models due to the extreme calculation time requirement.
  • the present invention makes it possible to calculate the NOx emission exactly, since this calculation is based on values from the actual influencing variables on the NOx emission.
  • the amount of NOx emissions from an internal combustion engine primarily depends on the local temperature, the oxygen concentration and the dwell time of the cylinder charge in the combustion chamber. Let the latter two sizes can be acquired relatively easily by measuring the engine speed of the air used and the amount of fuel. In contrast, it is much more difficult to determine the gas temperature in the combustion chamber.
  • the present invention therefore proposes to use a different variable that directly correlates with the gas temperature relevant for the nitrogen oxide generation. Since the gas temperature largely depends on the center of gravity of the combustion, i.e.
  • the position of the 50% conversion of the fuel in relation to the piston position TDC it is advantageous to use the center of gravity or a comparable variable such as the position of the maximum energy conversion as a reference quantity for the NOx To choose emission.
  • the value of the NOx emission is calculated from this value for the focus of the combustion and the values of the detected fuel quantity and air mass, for example with the help of neural networks.
  • the focus of the combustion is preferably determined by measuring the combustion chamber pressure curve.
  • a pressure sensor is provided in the area of the combustion chamber. This way of determining the center of gravity of the combustion is extremely precise.
  • pressure sensors are provided for determining the center of gravity of the combustion, there are further advantages, in particular with regard to the monitoring of the maximum pressure for error detection, for determining the operating mode and the like.
  • the amount of the returned exhaust gas ses detected and a corresponding signal is supplied to the electrical circuit and this signal is included in the calculation of the amount of NOx emission.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas is detected and a corresponding signal is supplied to the electrical circuit, and that this signal is included in the calculation of the amount of NOx emission.
  • the speed of the internal combustion engine is detected and a corresponding signal is fed to the electrical circuit, and that this signal is included in the calculation of the amount of NOx emission.
  • 1 is a schematic representation of an engine block with pressure transducers and engine electronics
  • Fig. 2 is a schematic representation of a vertical
  • FIG. 3 shows the course of the combustion
  • Fig. 4 shows the dependence of the nitrogen oxide emission on the position of the center of gravity, based on the crank angle.
  • a cylinder block 1 which comprises four cylinders 2 is shown.
  • a pressure sensor 3 located in the area of the combustion chamber is assigned to each of the cylinders.
  • These pressure sensors 3 are connected to inputs of a signal processing unit 5 by means of connecting lines 4.
  • the signal conditioning 5 is part of an electronic circuit 6, which also includes motor electronics 7.
  • a disc 8, which can simultaneously form the flywheel, for example, is arranged on a crankshaft of the internal combustion engine (not shown in the drawing), with this disc 8 being assigned an angle marker 9. This angle marker 9 is connected via a line 10 to an input of the signal processing 5.
  • the cylinder block 1 is shown schematically as a longitudinal section through the cylinder 2, a piston 12 being displaceably guided in the cylinder 2, the upper side of the piston 12 defining a combustion chamber 11.
  • the cylinder 2 is closed on its upper side by a cylinder head 13, an inlet valve 14 and an outlet valve 17 being arranged in the cylinder head 13.
  • the required combustion air can flow from the intake pipe 15 into the cylinder 2 through the inlet valve 14, the respective air mass being recorded in an air mass meter 16.
  • the air mass meter 16 is connected to the electronic circuit 6 via a line 22.
  • the combustion gases pass through the exhaust valve 17 into an exhaust gas line 18, which leads to a catalytic converter arrangement, not shown in the drawing.
  • An exhaust gas recirculation line 19 branching off the exhaust gas line 18 is provided, which opens into the intake pipe 15 downstream of the air mass meter 16.
  • this exhaust gas recirculation line 19 there is a recirculation quantity sensor 20 which detects the mass of the recirculated exhaust gas and transmits corresponding signals to the electronic circuit 6 via a sensor line 21.
  • the pressure sensor 3 already described for FIG. 1 is arranged in the cylinder head 13 and connected to the electronic circuit 6 via the connecting line 4.
  • an injection valve 25 which is connected to an injection pump 23 via an injection line 26.
  • a measuring device 24 for the fuel mass between the injection pump 23 and the injection valve 25 is connected to the circuit 6 via an electrical line 27 and the injection pump 23 is provided with a control line 28, the other end of which is connected to the circuit 6.
  • the device described in FIGS. 1 and 2 makes it possible to measure the pressure profile in the combustion chamber 11 with the aid of the pressure sensor 3.
  • the center of gravity S of the combustion can be determined from the pressure curve, the position of the center of gravity being 50% of the conversion of the fuel.
  • the position of the center of gravity S changes with respect to the crank angle when the combustion process changes, as shown in FIG. 3 is shown. If 50% of the energy supplied has been converted, the center of gravity S lies there.
  • the broken line in FIG. 3 shows that if the course of the combustion changes, for example due to a later start of injection, another position of the center of gravity can also be recorded, which is shown in FIG 3 is indicated with Si.
  • the peak pressure Pax and its position, based on the crank angle, can be monitored. It is also possible to monitor the uniformity of the combustion in the indicated cylinders. It is also possible to use an additional NOx sensor for redundancy of the system, it being possible to compare the measured value with the calculated value for NOx.
  • the determined values for NOx can be used for the control or regulation of exhaust gas aftertreatment systems.
  • the present invention is not only suitable for carrying out tests in test benches, but is also particularly suitable for use in the vehicle, that is to say that in the case of so-called on-board diagnosis, constant calculation and control of the NOx emission is possible.

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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

Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen
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 AI 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.
Aus der EP 0 783 918 AI 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 Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung 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 Versuchsplanung sowie Plausibilitätskontrollen von Meßwerten wie Indizierdaten 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-Bedarfs ein Steuer- und Regelalgorithmus für den Fahrzeugeinsatz nicht darstellen.
Von besonderer Bedeutung ist diese Problematik auch im Zusammenhang mit dem Einsatz von SCR-Katalysatoren. Die Menge des für einen solchen Katalysator einzuspritzenden Harnstoffs steht in einem festen Verhältnis zur NOx-Emission. Daraus ist zu folgern, daß in Abhängigkeit von der Exaktheit, 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 tatsächlichen Einflußgrößen auf die NOx-Emission zugrunde gelegt werden. Die Höhe der NOx-Emission einer Brennkraftmaschine 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 Motordrehzahl der eingesetzten Luft und der Kraftstoffmenge erfassen. Dagegen ist es sehr viel schwieriger, die Gastemperatur im Brennraum zu ermitteln. Durch die vorliegende Erfindung wird daher vorgeschlagen, eine andere Größe zu verwenden, 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 Schwerpunkt oder eine vergleichbare Größe wie z.B. die Lage der maximalen Energieumsetzung als Bezugsgrδße 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 Berechnung 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 Abga- ses erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektrischen Schaltung zugeführt wird und dieses Signal in die Berechnung des Betrags der NOx-Emission einbezogen wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektrischen 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 jeweiligen Druckverläufe zum Zwecke der Fehlererkennung durchzuführen, ist es vorteilhaft, in jedem Zylinder einen Drucksensor anzuordnen, so daß in jedem Zylinder der Druckverlauf 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 Berechnung 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 Kraftstoff- und LuftZuführung, Fig. 3 die Darstellung des Verlaufs der Verbrennung und
Lage des Schwerpunktes, bezogen auf den Kurbelwinkel,
Fig. 4 die Darstellung der Abhängigkeit der Stickoxidemission von der Lage des Schwerpunktes, bezogen auf den Kurbelwinkel .
In Fig. 1 ist ein Zylinderblock 1, der vier Zylinder 2 umfaßt, 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 Signalaufbereitung 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 einen Eingang der Signalaufbereitung 5 geschaltet .
In Fig. 2 ist der Zylinderblock 1 schematisch als Längsschnitt durch den Zylinder 2 dargestellt, wobei in dem Zylinder 2 ein Kolben 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 Einlaßventil 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 jeweilige 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 befindet 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 befindet sich um Zylinderkopf 13 ein Einspritzventil 25, das über eine Einspritzleitung 26 mit einer Einspritzpumpe 23 verbunden ist. Zwischen der Einspritzpumpe 23 und dem Einspritzventil 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 versehen, 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 Brennraum 11 zu messen. Aus dem Druckverlauf kann der Schwerpunkt S der Verbrennung bestimmt werden, wobei die Lage des Schwerpunktes bei 50% der Umsetzung des Kraftstoffs liegt. Dieser Bezug entspricht dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik 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 Linie in Fig. 3 ist dargestellt, daß bei geändertem Verlauf der Verbrennung beispielsweise durch einen späteren Einspritzbeginn auch eine andere Lage des Schwerpunktes zu verzeichnen ist, der in Fig. 3 mit Si angegeben ist.
Daß die Lage des Schwerpunktes S der Verbrennung unmittelbar 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 Si bzw. S2 geringere NOx-Werte.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann eine Überwachung des Spitzendruckes Pax sowie dessen Lage, bezogen auf den Kurbelwinkel, erfolgen. Ferner ist es möglich, eine Überwachung 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 vorliegende 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 sogenannten On Bord-Diagnose ist eine ständige Berechnung und Kontrolle der NOx-Emission möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen, wobei in mindestens einem Zylinder (2) ein darin alternierend 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 mindestens 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 Rechenmodell 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 berechnet 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 Berechnung 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 elektrischen Schaltung zugeführt wird und daß dieses Signal 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 Brennkraftmaschine erfaßt und ein entsprechendes Signal der elektrischen Schaltung zugeführt wird und daß dieses Signal in die Berechnung des Betrags der NOx- Emission einbezogen wird.
PCT/EP2001/009870 2000-09-02 2001-08-28 Verfahren zur bestimmung des stickoxidgehalts in sauerstoffhaltigen abgasen von brennkraftmaschinen Ceased WO2002018762A1 (de)

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