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WO2008131788A1 - Regelung einer kraftfahrzeug-verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Regelung einer kraftfahrzeug-verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2008131788A1
WO2008131788A1 PCT/EP2007/003683 EP2007003683W WO2008131788A1 WO 2008131788 A1 WO2008131788 A1 WO 2008131788A1 EP 2007003683 W EP2007003683 W EP 2007003683W WO 2008131788 A1 WO2008131788 A1 WO 2008131788A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
control
nox
combustion
value
exhaust gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/003683
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008131788A8 (de
Inventor
Olaf Erik Hermann
Thorsten Schnorbus
Matthias Lamping
Ludger Ruhkamp
Original Assignee
Fev Motorentechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fev Motorentechnik Gmbh filed Critical Fev Motorentechnik Gmbh
Priority to PCT/EP2007/003683 priority Critical patent/WO2008131788A1/de
Priority to DE112007003414.9T priority patent/DE112007003414B4/de
Priority to US12/597,579 priority patent/US20100300069A1/en
Priority to CN200780052708A priority patent/CN101652553A/zh
Publication of WO2008131788A1 publication Critical patent/WO2008131788A1/de
Publication of WO2008131788A8 publication Critical patent/WO2008131788A8/de

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    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow
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    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1402—Adaptive control

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a motor vehicle internal combustion engine with a control system for minimizing NOx emissions in the exhaust gas and a control unit of an internal combustion engine itself.
  • Nitrogen emissions are becoming increasingly important in meeting future emission levels.
  • a fresh air mass flow is controlled in order to achieve a controlled combustion taking into account the NOx emissions. Due to the principle occur in such a type of control by series dispersion in the air system and the sensors as well as by component aging deviations. These can have a considerable influence, in particular on the emission behavior of nitrogen oxides.
  • the object of the present invention is to provide a control by means of which long-term high demands on the NOx emissions can be met.
  • NOx control is that, in principle, it is less susceptible to mass dispersion than previously used air mass control.
  • NOx control By combining the NOx control with a combustion control, an increase in stability over the lifetime is achieved. At the same time, this enables a further minimization in the course of a calibration of determined distances to specifiable, in particular legally stipulated maximum values of NOx emissions.
  • the NOx control of the combustion control predetermines a NOx value to be maintained.
  • the NOx control of the combustion control a setpoint, in particular specifies a NOx-dependent parameter.
  • the NOx control of the combustion control sets a limit. This limit value may in particular be a NOx value which may not be exceeded in the context of the combustion control.
  • the combustion control in turn is preferably designed as a cylinder pressure-based combustion control.
  • a further embodiment of a combustion control in particular a cylinder-pressure-based combustion process control, is disclosed in DE 10 2007 013119 of the applicant. These are also incorporated herein by reference in this disclosure.
  • the combustion control can specifically influence the NOx emissions, in particular by adjusting a combustion center position.
  • a model preferably allows for a pre-calculation of how a NOx-related value would change when a combustion control changes.
  • an NOx regulator specifies a desired value for the combustion control.
  • a model-based consideration can be made as to which change in terms of the combustion control comes closest to the target NOx value.
  • a setting of the combustion control In this case, for example, an adjustment of an injection to early, preferably a shift of a center of gravity of the combustion takes place early, not as far as it would be possible.
  • the priority consideration of the NOx value for example in the form of assignment of corresponding factors or a corresponding weighting in the context of the scheme at the expense of a slightly deteriorated fuel consumption can be performed. If, for example, in the course of the model calculation it is recognized that an aspired NOx value can not be achieved, it is again possible to aim for a NOx value that is selected in consideration of fuel consumption advantages.
  • the proposed method is able to estimate by model calculation, which has a change of a combustion center position for effects on the NOx emissions, and allows with a corresponding correlation the setting of desired NOx values.
  • a refinement provides that the NOx control monitors NOx values in the exhaust gas of the internal combustion engine and sets them in correlation to a NOx limit value, and the combustion control based on values of the NOx control adapts to compliance with the NOx limit value. This can result in a change in the focal point of the combustion.
  • another adaptation may be provided as part of the combustion control. For example, a necessary adjustment can take place by a change in the course of the injection, by changing the time or point in time of an injection start or an end of injection, by a pre- and / or post-injection or multiple injection.
  • a value originating from a real NOx sensor is adjusted with a value coming from a virtual NOx sensor.
  • a NOx model and / or an adaptive exhaust gas recirculation control can be used, as described in the same day as this application PCT application filed by the same applicant entitled "control system for controlling the exhaust gas recirculation rate by virtual NOx sensor with adaptation via a NOx sensor "emerge.
  • This application will be referred to in the context of the disclosure of this invention with respect to the virtual NOx sensor as well as the presented adaptive EGR model and NOx model.
  • a learning function can be integrated into the method.
  • the learning function obtains a parameter from a combination of a value determined by a NOx sensor and a value determined by a virtual NOx sensor, the learning function incorporating the parameter into a NOx model, from which the control generates a virtual NOx Signal is provided.
  • the NOx sensor can expect a time delay of about 700 ms.
  • a presetting of the necessary values can take place, at least in the context of a pre-regulation, but especially by a cascade control, in particular a presetting with regard to a NOx value or an injection or a medium pressure to be set or Combustion position in the cylinder.
  • an air path control regulates a NOx value, wherein a combustion control of the air path control transmits a signal to change the NOx value, if a specification, in particular a limit is exceeded.
  • the air path control is for example able to influence the internal combustion engine supplied air mass flow, in particular oxygen flow can.
  • an exhaust gas recirculation rate can be regulated.
  • a pressure charging can be controlled accordingly, for example via a vane adjustment of a compressor.
  • the measurement values of the NOx sensor it has proved to be advantageous for the measurement values of the NOx sensor to be given priority over those of the lambda sensor in the context of the control using the lambda probe and the NOx sensor to determine measured values. It has been found that, due to the combination of the NOx control with the combustion control, an accuracy requirement for the lambda probe may be lower than that for the NOx sensor. The tolerance field of the lambda probe can thus be wider than that of the NOx sensor. Likewise, there is the Possibility that a sensitivity or quality of the probes is different, with a sensitivity or quality of the lambda probe is lower than that of the NOx sensor.
  • a refinement provides that a comparison of previously set limit values of a NOx emission of the internal combustion engine can be compared with new calculated limit values, which are determined by the method, and the deviation of the limit values from one another is selected, the closer to one, from the outside is predefinable limit.
  • that limit value can always be selected, for example, as the desired value, which, on the basis of the time-varying reaction of the system, results in the best possible relation to the predefinable limit value.
  • component aging which can occur with sensors, as well as series dispersion of components, in particular in the case of sensors or components in the gas-carrying parts of the internal combustion engine, can be absorbed in particular.
  • the combination of NOx control and combustion control is integrated into a combined control of a NOx concentration in the exhaust gas, a combustion air ratio in the exhaust gas, an exhaust gas temperature, a combustion noise, a combustion function and a peak cylinder pressure.
  • a NOx concentration in the exhaust gas a combustion air ratio in the exhaust gas
  • an exhaust gas temperature a combustion noise
  • a combustion function a combustion function of a combustion
  • a cascade control is used in the control.
  • the NOx control is used as an outer cascade and the combustion control as an inner cascade.
  • the combustion control can thus allow a very rapid adjustment, while the NOx control provides a higher-level function due to the somewhat slower behavior of the NOx sensor.
  • Another embodiment uses a cascade control, in which the NOx control is used as an inner cascade and the combustion control as an outer cascade.
  • a mean pressure, a waste heat function and / or a cylinder tip pressure is used as the controlled variable of a cylinder pressure-based combustion control.
  • a control unit of an internal combustion engine wherein the control unit has first control means for executing a cylinder pressure-based combustion control and second control means for executing a NOx control, wherein the first and second control means are linked together.
  • This control unit preferably has a cascade control of first and second control means.
  • the first control means have, for example, a combustion control and the second control means an air effort control, which are respectively connected to a NOx and with a lambda probe, and have a correlation element, via which a first NOx value from the combustion control and a second NOx Value from the air effort control can be linked together.
  • an adapted control is preferably integrated.
  • a virtual NOx sensor is also implemented in the control unit.
  • an EGR model can also be realized.
  • at least one of the cylinders for the combustion control has a pressure transducer in order to be able to record a cylinder pressure for the combustion control above it.
  • each cylinder has a corresponding pressure sensor for the combustion control.
  • Fig. 1 is a schematic overview of a motor vehicle internal combustion engine
  • Fig. 2 is a schematic overview of a process flow using a NOx model for the NOx control.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle internal combustion engine 1. This can be used in commercial vehicles but also in cars as well as the corresponding regulation.
  • the automotive internal combustion engine 1 is charged.
  • a turbine 2 and a compressor 3 are shown schematically by way of example.
  • the motor vehicle internal combustion engine 1 has a common rail system 4, via which the respective individual cylinders 5 can be supplied with fuel.
  • Each cylinder 5 is associated with a sensor 6, in particular a pressure sensor. By means of this, in particular a cylinder pressure-based combustion control can be performed.
  • a control unit 7 is connected to all relevant components, preferably by a bus system or a comparable data transmission means. Downstream of the motor vehicle internal combustion engine, a NOx sensor 8 and a lambda probe 9 are arranged in the exhaust gas line. Furthermore, an exhaust aftertreatment system 10 is located in the exhaust system.
  • the exhaust aftertreatment system 10 may be a catalytic converter, a diesel particulate filter and / or another device for influencing the exhaust gas flow. It can be one or more parts and one or more times available. Furthermore, it is possible via an exhaust gas recirculation valve 11 to be able to set an exhaust gas recirculation rate, which is supplied to the fresh air stream from the compressor 3.
  • the exhaust gas recirculation mass flow is conducted via a cooler 12; the exhaust gas recirculation mass flow is preferably regulated.
  • additional sensors 13 can be arranged at one or more locations in the illustrated schematic system, which are in particular in connection with the control unit 7. For example, temperatures, pressures as well as mass flows can be recorded via these sensors.
  • the control unit 7 preferably has first control means 14 and second control means 15. In the context of the illustration shown here, these are shown separately from the control unit 7. But they can also be integrated together.
  • the control unit 7 is preferably integrated in an engine control unit. However, there is also the possibility that parts of the control unit 7 are arranged in individual, different control devices, which are assigned to corresponding components of the internal combustion engine and their attachments.
  • the control means 14, 15 may comprise actuators, in particular for valves, flaps or other actuating means.
  • the first control means 14, for example, is able to influence an injector system of the motor vehicle internal combustion engine 1.
  • the injector system 16 is preferably integrated in the motor vehicle internal combustion engine 1.
  • an injection rate, an injection rate profile, a point in time of a nes beginning of an injection as well as an end of an injection and the pre- and post-injection are set accordingly.
  • the first control means 14 in conjunction with the sensors 6 allow the cylinder-controlled combustion control 17, which is indicated schematically.
  • the first control means 14 and the second control means 15 are preferably linked to one another, which is indicated schematically by a correlation device 18 by way of example.
  • Values which are determined via the first and second control means 14, 15 can be linked to one another via the correlation device 18 and, in particular, can be used further in the context of the overall control of the control unit 7.
  • the motor vehicle internal combustion engine 1 is a motor vehicle internal combustion engine operating on the diesel principle
  • an exhaust gas recirculation model can be stored in the control unit 7, for example.
  • an air effort model can also be stored there.
  • sensors for example, in the air effort model, a temperature is transmitted to the motor vehicle internal combustion engine, a value determined by the lambda probe 9, a pressure in front of the internal combustion engine and an exhaust gas recirculation flow. From this, the air effort model calculates, for example, virtual values, which then enter into a NOx model.
  • a virtual NOx signal is determined that is then fed directly or after adjustment to a preferably PID controller.
  • An adjustment can be made between the virtual NOx signal and a NOx value determined from a characteristic map, for example as a function of a speed, a fuel quality or other parameters such as load.
  • the control unit 7 can then make a default by using the combustion control 17, which finally leads to a minimization of NOx emissions in the exhaust gas via the NOx control of the control unit 7.
  • the text below describes how, for example, a NOx model can be set up for, in particular, a virtual NOx sensor, and in particular also undergoes an adaptation.
  • FIG. 2 shows an adaptation of the NOx model via the values determined by means of the NOx sensor.
  • the virtual values air expenditure ⁇ virtu ai, virtual EGR rate X E G R virtual and the virtual oxygen amount component ⁇ o ⁇ vi ru ai determined from FIG. 1 are used, for example, for a virtual oxidation air ratio A 0x , V i rtual determine.
  • this value is compared with the determined by the NOx sensor mole fraction NOx also. While a difference of the NOx substance amount fraction takes place as a model-based, quickly determined value from the comparison of the oxygen substance amount fraction via a correlation, the comparison of the NOx substance quantity components from characteristic map or from the NOx sensor results in a second difference value. These are both compared and then provided to a learning function. From this, an adapted NOx value is then made available to an inverse correlation, from which a difference value for the oxygen substance amount fraction in the form of ⁇ o ⁇ adapters then results.
  • the correlation which is preferably used here, results from the dissertation O: E Herrmann at RWTH Aachen University with the title "Emission control in commercial vehicle engines via the air and exhaust path", in particular from equation 2-3 given on page 7.
  • the determined difference value then returns to the comparison with the virtually determined proportion of oxygen substance amount and corrects it.
  • This corrected value goes into the NOx model, whereby the virtual NOx mass fraction ⁇ Ncx virtuai can now be determined from this NOx model.
  • the aim here is that the NOx value, which is determined by the NOx sensor, indicating an actual state description, and possibly coincides with that value, as the NOx mole fraction ⁇ NOx , Virtual finally by the NOx model in this way could be determined.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit einer Regelung zur Einstellung von NOx-Emissionen im Abgas, wobei eine NOx-Regelung mit einer Verbrennungsregelung kombiniert ausgeführt wird. Des Weiteren wird eine Regeleinheit einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Regeleinheit erste Regelungsmittel zur Ausführung einer zylinderdruckbasierten Verbrennungsregelung und zweite Regelungsmittel zur Ausführung einer NOx-Regelung aufweist, wobei erste und zweite Regelungsmittel miteinander verknüpft sind.

Description

Regelung einer Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug- Verbrennungskraftmaschine mit einer Regelung zur Minimierung von NOx-Emissionen im Abgas sowie eine Regeleinheit einer Verbrennungskraftmaschine selbst.
Zum Einhalten zukünftiger Emissionswerte werden Stickoxidemissionen immer wichtiger. Bei heute im Betrieb befindlichen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, ist oftmals vorgesehen, dass ein Frischluftmassenstrom geregelt wird, um damit eine gesteuerte Verbrennung unter Berücksichtigung der NOx-Emissionen zu erreichen. Prinzipbedingt treten bei einer derartigen Art der Regelung durch Serienstreuung im Bereich des Luftsystems sowie der Sensoren wie aber auch durch Bauteilalterungen Abweichungen auf. Diese können einen erheblichen Einfluss insbesondere auf das Emissionsverhalten von Stickoxiden haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Regelung zur Verfügung zu stellen, mittels der auch langzeitbeständig hohe Anforderungen an die NOx-Emissionen erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit dem Merkmal des Anspruches 1 sowie mit einer Regeleinheit mit dem Merkmal des Anspruches 16 erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit einer Regelung zur Einstellung von NOx-Emissionen im Abgas vorgeschlagen, wobei eine NOx-Regelung mit einer Verbrennungsregelung kombiniert ausgeführt wird. Der Vorteil einer NOx-Regelung ist es, dass diese prinzipbedingt weniger anfällig gegenüber einer Serienstreuung ist als eine bisher gängige Luftmassenregelung. Durch eine Kombination der NOx-Regelung mit einer Verbrennungsregelung wird eine Erhöhung einer Stabilität über die Lebensdauer erzielt. Gleichzeitig ermöglicht dieses eine weitere Minimierung im Rahmen einer Kalibrierung ermittelter Abstände zu vorgebbaren, insbesondere gesetzlich festgelegten Höchstwerten an NOx-Emissionen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsre- gelung einen einzuhaltenden NOx-Wert vorgibt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsregelung einen Sollwert, insbesondere einen NOx- abhängigen Parameter vorgibt. Auch kann vorgesehen sein, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsregelung einen Grenzwert vorgibt. Dieser Grenzwert kann insbesondere ein NOx-Wert sein, der im Rahmen der Verbrennungsregelung nicht überstiegen werden darf. Die Verbrennungsregelung wiederum ist vorzugsweise als zylinderdruckbasierte Verbrennungsregelung ausgeführt. Eine Möglichkeit zur Ausführung einer derartigen Verbrennungsregelung geht aus der DE 10 2006 015503 der Anmelderin hervor, auf die im Rahmen dieser Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird. Eine weitere Ausgestaltung einer Verbrennungsregelung, insbesondere einer zylinderdruckbasierten Brennver- laufsregelung, geht aus der DE 10 2007 013119 der Anmelderin hervor. Auf diese wird ebenfalls im Rahmen dieser Offenbarung vollständig diesbezüglich Bezug genommen. Die Verbrennungsregelung kann hierbei insbesondere durch eine Anpassung einer Verbrennungsschwerpunktlage die NOx-Emissionen gezielt mit beeinflussen.
Die Nutzung eines Modell ermöglicht vorzugsweise eine Vorausberechnung, wie sich ein NOx-bezogener Wert bei Änderung einer Verbrennungsregelung ändern würde. Ein NOx- Regler gibt hierfür beispielsweise einen Soll-Wert für die Verbrennungsregelung vor. Dadurch kann eine modellbezogene Abwägung erfolgen, welche Änderung hinsichtlich der Verbrennungsregelung den anzustrebenden NOx-Wert am nächsten kommt. Auf Basis dieser Abschätzung erfolgt sodann eine Einstellung der Verbrennungsregelung. Hierbei erfolgt beispielsweise eine Verstellung einer Einspritzung nach früh, vorzugsweise einer Verschiebung einer Schwerpunktlage der Verbrennung nach früh, nicht soweit wie es möglich wäre. Vielmehr kann die vorrangige Beachtung des NOx-Wertes beispielsweise in Form von Zuordnung entsprechender Faktoren bzw. einer entsprechenden Gewichtung im Rahmen der Regelung unter Inkaufnahme eines etwas verschlechterten Kraftstoffverbrauchs ausgeführt werden. Wird beispielsweise im Rahmen der Modellberechnung erkannt, dass ein anzustrebender NOx-Wert nicht erreicht werden kann, kann wiederum ein NOx-Wert angestrebt werden, der in Abwägung mit Verbrauchsvorteilen hinsichtlich Kraftstoff ausgewählt wird.
Vorzugsweise ist das vorgeschlagene Verfahren in der Lage, durch modellhafte Berechnung abschätzen zu können, was eine Änderung einer Verbrennungsschwerpunktlage für Auswirkungen auf die NOx-Emissionen hat, und ermöglich mit einer entsprechenden Korrelation die Einstellung gewünschter NOx-Werte. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die NOx-Regelung NOx-Werte im Abgas der Verbrennungskraftmaschine überwacht und in Korrelation zu einem NOx-Grenzwert setzt, und die Verbrennungsregelung auf Basis von Werten der NOx-Regelung eine Anpassung zum Einhalten des NOx-Grenzwertes vornimmt. Dieses kann in einer Änderung der Verbren- nungsschwerpunktlage münden. Jedoch kann im Rahmen der Verbrennungsregelung auch eine andere Anpassung vorgesehen werden. Beispielsweise kann durch eine Änderung des Einspritzverlaufes, durch Änderung der oder des Zeitpunkts eines Einspritzbeginnes bzw. eines Einspritzendes, durch eine Vor- und/oder Nach-Einspritzung bzw. Mehrfacheinspritzung eine notwendige Anpassung erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein von einem realen NOx-Sensor stammender Wert mit einem von einem virtuellen NOx-Sensor stammender Wert abgeglichen wird. Hierfür kann insbesondere ein NOx-Modell und/oder eine adaptive Abgasrückführungsregelung genutzt werden, wie sie aus der am gleichen Tag wie diese Anmeldung eingereichten PCT-Anmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel " Regelungssystem zur Regelung der Abgasrückführrate mittels virtuellem NOx-Sensors mit Adaption über einen NOx-Sensor" hervorgehen. Auf diese Anmeldung wird im Rahmen der Offenbarung dieser Erfindung in Bezug auf den virtuellen NOx-Sensor sowie das vorgestellte adaptive AGR-Modell sowie NOx-Modell Bezug genommen.
Des Weiteren kann eine Lernfunktion in das Verfahren integriert sein. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Lernfunktion einen Parameter aus einer Verknüpfung eines von einem NOx-Sensor und eines von einem virtuellen NOx-Sensor ermittelten Wertes erhält, wobei die Lernfunktion den Parameter in ein NOx-Modell einfließen lässt, aus dem der Regelung ein virtuelles NOx-Signal zur Verfügung gestellt wird.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass insbesondere für die zylinderdruckbasierte Verbrennungsregelung als Stellgröße zumindest einer der im Rahmen der Regelung virtuell oder real ermittelten Werte Raildruck, Einspritzcharakteristik, vorzugsweise Ein- spritzbeginn, Verbrennungscharakteristik, vorzugsweise eine Verbrennungslage, und/oder Einspritzquantität eingeht. Aus der DE 10 2007 013119 gehen in Bezug auf die zylinderdruckbasierte Brennverlaufsregelung verschiedene Definitionen hervor, was alles unter die oben genanten Parameter zu verstehen ist. Im Rahmen der Offenbarung dieser Anmeldung wird hiermit darauf verwiesen. Diese virtuell ermittelten Werte können durch die Regelung besonders verzerrungsfrei hinsichtlich einer dynamischen Verarbeitung von realen und virtuellen Parametern genutzt werden. Der Rückgriff auf virtuelle Werte im Rahmen der Regelung erlaubt es, dass ein Zeitverzug ausgeglichen wird, wie er sich aufgrund der real vorliegenden Werte durch die Lambda-Sonde wie auch durch die NOx- Sonde ansonsten ergeben kann. Während davon auszugehen ist, dass die Lambda- Sonde ihre Informationen mit einem Zeitverzug von etwa 300 ms überträgt, ist bei der NOx-Sonde mit einem Zeitverzug von etwa 700 ms zu rechnen. Durch Nutzung von virtuellen Werten im Rahmen von über Modelle ermittelten Modulen kann zumindest im Rahmen einer Vorregelung, insbesondere aber durch eine Kaskadenregelung, eine Voreinstellung der notwendigen Werte erfolgen, insbesondere einer Voreinstellung hinsichtlich eines NOx-Wertes bzw. einer Einspritzung oder eines einzustellenden Mitteldrucks oder einer Verbrennungslage im Zylinder. So ist gemäß einer Ausgestaltung beispielsweise vorgesehen, dass eine Luftpfadregelung einen NOx-Wert einregelt, wobei eine Verbrennungsregelung der Luftpfadregelung ein Signal zur Änderung des NOx-Wertes übermittelt, sofern eine Vorgabe, insbesondere ein Grenzwert, überschritten ist. Durch zusätzli- che Nutzung von virtuell ermittelten Werten kann schon im Vorbereich des Überschreitens reagiert werden. Durch eine gleichzeitig ablaufende Anpassung, insbesondere Adaption im Rahmen einer adaptierten Regelung und insbesondere durch Nutzung der Lernfunktion werden die vorhandenen virtuell ermittelten Werte mit den tatsächlich durch die Lambda-Sonde bzw. NOx-Sonde aufgenommenen Werte korreliert. Aus dieser Korrelation ge- hen sodann die entsprechend angepassten Werte weiter in die Regelung ein.
Die Luftpfadregelung ist beispielsweise in der Lage, den der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassenstrom, insbesondere auch Sauerstoffstrom beeinflussen zu können. Hierzu kann beispielsweise eine Abgasrückführungsrate geregelt werden. Auch eine Druckaufladung kann entsprechend geregelt werden, zum Beispiel über eine Leitschaufelverstellung eines Verdichters.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass im Rahmen der Regelung bei Rückgriff auf die Lambda-Sonde und die NOx-Sonde zur Ermittlung von Messwerten die Messwerte der NOx-Sonde gegenüber denjenigen der Lambda-Sonde vorrangig eingestuft werden. Hierbei hat sich herausgestellt, dass aufgrund der Kombination der NOx-Regelung mit der Verbrennungsregelung ein Genauigkeitsanspruch an die Lambda-Sonde geringer ausfallen kann gegenüber demjenigen Anspruch an die NOx-Sonde. Das Toleranzfeld der Lambda-Sonde kann somit breiter sein als dasjenige der NOx-Sonde. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass eine Sensitivität oder Güte der Sonden unterschiedlich ist, wobei eine Sensitivität oder Güte der Lambda-Sonde geringer ist als die der NOx-Sonde.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Vergleich von bisher eingestellten Grenzwerten einer NOx-Emission der Verbrennungskraftmaschine mit neuen berechneten Grenzwerten verglichen werden kann, die über das Verfahren ermittelt werden, und bei Abweichung der Grenzwerte voneinander derjenige ausgewählt wird, der enger zu einem, von außen vorgebbaren Grenzwert ist. Auf diese Weise gelingt es, dass einerseits bei sich ändernden gesetzlichen Vorgaben der vorgebbare Grenzwert anpassbar ist. Zum anderen kann im Rahmen einer Kalibrierung des Systems immer derjenige Grenzwert beispielsweise als Sollwert ausgewählt werden, der sich aufgrund der sich auch zeitlich ändernden Reaktion des Systems als bestmöglich in Bezug auf den vorgebbaren Grenzwert ergibt. Auf diese Weise kann insbesondere auch eine Bauteilalterung, wie sie bei Sensoren auftreten kann, wie auch eine Serienstreuung von Bauteilen wie insbesondere bei Sensoren oder Einbau- ten in den gasführenden Teilen der Verbrennungskraftmaschine vorhanden, aufgefangen werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Kombination aus NOx-Regelung und Verbrennungsregelung eingebunden ist in eine kombinierte Regelung einer NOx- Konzentration im Abgas, eines Verbrennungsluftverhältnisses im Abgas, einer Abgastemperatur, eines Verbrennungsgeräusches, einer Brennfunktion und eines Zylinder- Spitzendruckes. Es können aber auch nur Teile von diesen jeweils im Rahmen einer kombinierten Regelung geregelt werden.
Vorzugsweise wird in der Regelung eine Kaskadenregelung eingesetzt. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass die NOx-Regelung als äußere Kaskade und die Verbrennungsregelung als innere Kaskade genutzt wird. Die Verbrennungsregelung kann somit eine sehr schnelle Anpassung ermöglichen, während die NOx-Regelung aufgrund des etwas trägeren Verhaltens der NOx-Sonde eine übergeordnete Funktion zur Verfügung stellt. Eine andere Ausgestaltung nutzt eine Kaskadenregelung, bei der die NOx- Regelung als innere Kaskade und die Verbrennungsregelung als äußere Kaskade zum Einsatz kommt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass als Regelgröße einer zylinderdruck- basierten Verbrennungsregelung ein Mitteldruck, eine Abwärmefunktion und/ein Zylinderspitzendruck genutzt wird. Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Regeleinheit einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Regeleinheit erste Regelungsmittel zur Ausführung einer zylinderdruckbasierten Verbrennungsregelung und zweite Regelungsmittel zur Ausführung einer NOx-Regelung aufweist, wobei erste und zweite Regelungs- mittel miteinander verknüpft sind. Diese Regeleinheit weist vorzugsweise eine Kaskadenregelung aus ersten und zweiten Regelungsmitteln auf. Die ersten Regelungsmittel weisen beispielhaft eine Verbrennungsregelung und die zweiten Regelungsmittel eine Luftaufwandsregelung auf, die jeweils mit einer NOx- sowie mit einer Lambda-Sonde verbunden sind, und ein Korrelationsglied haben, über das ein erster NOx-Wert aus der Verbrennungsregelung und ein zweiter NOx-Wert aus der Luftaufwandsregelung miteinander verknüpft werden können. In der Regeleinheit ist vorzugsweise eine adaptierte Regelung integriert. In die Regeleinheit implementiert ist insbesondere auch beispielsweise ein virtueller NOx-Sensor. Daneben kann auch ein AGR-Modell verwirklicht sein. Vorzugsweise weist zumindest einer der Zylinder für die Verbrennungsregelung einen Druck- aufnehmer auf, um darüber einen Zylinderdruck für die Verbrennungsregelung aufnehmen zu können. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass jeder Zylinder einen entsprechenden Drucksensor für die Verbrennungsregelung aufweist. Bezüglich des Aufbaus der Verbrennungsregelung sowie auch entsprechender Aufbauten hierfür sowie Sensoren wird beispielhaft auf die oben angegebenen eingereichten Schutzrechtsanmeldungen der Anmelderin verwiesen, die diesbezüglich in vollem Umfang im Rahmen der Offenbarung hier mitaufgenommen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die dabei vorgestellten Merkmale sind jedoch nicht auf die jeweils gezeigte Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können einzelne oder mehrere dieser Merkmale auch mit anderen Merkmalen aus anderen Ausgestaltungen wie auch der obigen Beschreibung zu neuen Weiterbildungen verknüpft werden. Die vorgestellten Beispiele sind insbesondere auch nicht beschränkend auszulegen, sondern dienen vor allem der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Übersicht einer Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, und Fig. 2 eine schematische Übersicht eines Verfahrensablaufes unter Nutzung eines NOx- Modells für die NOx-Regelung. Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine 1. Diese kann bei Nutzfahrzeugen aber auch in PKWs ebenso wie die entsprechende Regelung eingesetzt werden. Die Kraftfahrzeug- Verbrennungskraftmaschine 1 ist aufgeladen. Hierfür ist exemplarisch eine Turbine 2 so- wie ein Verdichter 3 schematisch eingezeichnet. Die Kraftfahrzeug- Verbrennungskraftmaschine 1 weist ein Common-Rail-System 4 auf, über das die jeweils einzelnen Zylinder 5 mit Kraftstoff versorgt werden können. Jedem Zylinder 5 ist ein Sensor 6, insbesondere ein Drucksensor, zugeordnet. Mittels diesem kann insbesondere eine zylinderdruckbasierte Verbrennungsregelung ausgeführt werden. Eine Regeleinheit 7 ist mit allen relevanten Bauteilen verbunden, vorzugsweise durch ein Bus-System oder ein vergleichbares Datenübertragungsmittel. Der Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine nachgeordnet ist im Abgasstrang eine NOx-Sonde 8 sowie eine Lambda-Sonde 9 angeordnet. Des Weiteren befindet sich im Abgasstrang eine Abgasnachbehandlungsanlage 10. Die Abgasnachbehandlungsanlage 10 kann ein Katalysator, ein Dieselpartikelfilter und/ oder eine sonstige Einrichtung zur Beeinflussung des Abgasstromes sein. Sie kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sowie ein oder mehrfach vorhanden sein. Über ein Abgasrückführungsventil 11 besteht des Weiteren die Möglichkeit, eine Abgasrückführungsrate, die dem Frischluftstrom vom Verdichter 3 zugeführt wird, einstellen zu können. Der Ab- gasrückführungsmassenstrom wird hierbei über einen Kühler 12 geführt, der Abgasrück- führungsmassenstrom ist vorzugsweise geregelt. Des Weiteren können an ein oder mehreren Orten in dem dargestellten schematischen System zusätzliche Sensoren 13 angeordnet sein, die insbesondere in Verbindung mit der Regeleinheit 7 stehen. Über diese Sensoren können beispielsweise Temperaturen, Drücke wie auch Massenströme aufgenommen werden. Die Regeleinheit 7 weist vorzugsweise erste Regelungsmittel 14 und zweite Regelungsmittel 15 auf. Im Rahmen der hier ausgeführten Darstellung sind diese von der Regeleinheit 7 getrennt dargestellt. Sie können aber auch zusammen miteinander integriert sein. Die Regeleinheit 7 ist vorzugsweise in ein Motorsteuergerät integriert. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass Teile der Regeleinheit 7 in einzelnen, verschiedenen Steuergeräten angeordnet sind, die entsprechenden Bauteilen der Verbrennungs- kraftmaschine und deren Anbauten zugeordnet sind. Die Regelungsmittel 14, 15 können Aktuatoren, insbesondere für Ventile, Klappen oder sonstige Stellmittel, umfassen. Das erste Regelungsmittel 14 beispielsweise ist in der Lage, ein Injektorsystem der Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine 1 beeinflussen zu können. Das Injektorsystem 16 ist vorzugsweise in die Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine 1 integriert. Hierbei kann über das Injektorsystem 16 eine Einspritzrate, ein Einspritzratenverlauf, ein Zeitpunkt ei- nes Beginns einer Einspritzung sowie auch ein Ende einer Einspritzung sowie die Vor- und auch Nacheinspritzung entsprechend eingestellt werden. Insbesondere erlauben die ersten Regelungsmittel 14 im Zusammenspiel mit den Sensoren 6 die zylinderdrυckba- sierte Verbrennungsregelung 17, die schematisch angedeutet ist. Die ersten Regelungs- mittel 14 und die zweiten Regelungsmittel 15 sind vorzugsweise miteinander verknüpft, was beispielhaft schematisch durch eine Korrelationseinrichtung 18 angedeutet ist. Über die Korrelationseinrichtung 18 können Werte, die über die ersten und zweiten Regelungsmittel 14, 15 ermittelt werden, miteinander verknüpft und insbesondere im Rahmen der Gesamtregelung der Regeleinheit 7 weiter verwendet werden. Ist die Kraftfahrzeug- Verbrennungskraftmaschine 1 beispielsweise eine nach dem Diesel-Prinzip arbeitende Kraftfahrzeugverbrennungskraftmaschine kann in der Regeleinheit 7 beispielsweise ein Abgasrückführungsmodell hinterlegt sein. Des Weiteren kann dort ebenfalls ein Luftaufwandmodell hinterlegt sein. Durch entsprechende Sensoren wird beispielsweise in das Luftaufwandmodell eine Temperatur nach der Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, ein von der Lambda-Sonde 9 ermittelter Wert, ein Druck vor der Verbrennungskraftmaschine und ein Abgasrückführungsstrom übermittelt. Hieraus berechnet das Luftaufwandmodell beispielsweise virtuelle Werte, die sodann in ein NOx-Modell eingehen. Hieraus wird ein virtuelles NOx-Signal ermittelt, dass sodann direkt oder nach Abgleich einem vorzugsweise PID-Regler zugeführt wird. Ein Abgleich kann zwischen dem virtuellen NOx- Signal und einem aus einem Kennfeld beispielsweise in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit, einer Kraftstoffqualität oder sonstigen Parameter wie Last ermittelten NOx- Wert erfolgen. Darüber kann die Regeleinheit 7 sodann durch Nutzung der Verbrennungsregelung 17 eine Voreinstellung vornehmen, die schließlich über die NOx-Regelung der Regeleinheit 7 zu einer Minimierung der NOx-Emissionen im Abgas führt. Nachfolgend wird beschrieben, wie beispielsweise ein NOx-Modell für insbesondere einen virtuellen NOx-Sensor aufgesetzt werden kann und insbesondere auch eine Adaption erfährt.
Fig. 2 zeigt eine Adaption des NOx-Modells über die mittels des NOx-Sensors ermittelten Werte. Die aus Fig. 1 beispielsweise ermittelten virtuellen Werte Luftaufwand λvirtUai, virtu- eile AGR-Rate XEGR virtuell und der virtuelle Sauerstoffmengenanteil Ψo∑viruai wird beispielsweise dazu genutzt, um ein virtuelles Oxidationsluftverhältnis A0x, Virtual zu ermitteln. Dieses geht in ein Partikel-Modell ein. Daraus kann somit eine Partikelkonzentration CPM im Abgas ermittelt werden. Aus dem Stoffmengenanteil Ψ02, Virtual des Sauerstoffs wird unter Berücksichtigung einer Sauerstoffmengenanteilsdifferenz, die adaptiert wurde, ein kor- rigierter Stoffmengenanteil an Sauerstoff Ψ02, Virtual corrected einem NOx-Modell zugeführt. Hieraus kann sodann ein virtueller Stoffmengenanteil an NOx bestimmt werden. Die Formel für die Bestimmung des Sauerstoffmengenanteils, der virtuell korrigiert ist, ergibt sich hierbei aus der aus Fig. 2 hervorgehenden Beziehung. Aus dem virtuellen Sauerstoff- stoffmengenanteil und dem über eine Drehzahl Nengine und einer Last q bestimmten Kenn- feld wird ein Sollwert eines Sauerstoffstoffmengenanteils zugeführt. Gleiches erfolgt für einen Stoffmengenanteil an NOx als Sollwert aus einem Kennfeld, wobei dieser Wert mit dem vom NOx-Sensor ermittelten Stoffmengenanteil NOx auch verglichen wird. Während aus dem Vergleich des Sauerstoffstoffmengenanteils über eine Korrelation eine Differenz des NOx-Stoffmengenanteils als modellbasierter, schnell ermittelter Wert erfolgt, ergibt der Vergleich der NOx-Stoffmengenanteile aus Kennfeld beziehungsweise vom NOx- Sensor einen zweiten Differenzwert. Diese werden beide miteinander verglichen und sodann einer Lernfunktion zur Verfügung gestellt. Daraus wird sodann ein angepasster NOx-Wert nun einer inversen Korrelation zur Verfügung gestellt, aus der sodann sich ein Differenzwert für den Sauerstoffstoffmengenanteil in Form von ΔΨo∑-Adapter ergibt. Die Korrelation, die vorzugsweise hierbei genutzt wird, ergibt sich aus der Dissertation O:E Herrmann an der RWTH Aachen mit dem Titel "Emissionsregelung bei Nutzfahrzeugmotoren über dne Luft- und Abgspfad", insbesondere aus der auf Seite 7 angegebenen Gleichung 2-3. Der ermittelte Differenzwert geht sodann wieder in den Vergleich mit dem virtuell ermittelten Sauerstoffstoffmengenanteil ein und korrigiert diesen. Dieser korrigierter Wert geht in das NOx-Modell, wobei aus diesem NOx-Modell nun der virtuelle NOx- Stoffmengenanteil ΨNcx virtuai ermittelt werden kann. Ziel hierbei ist es, dass der NOx-Wert, der von dem NOx-Sensor ermittelt wird, eine tatsächliche Zustandsbeschreibung angibt, und möglichst mit demjenigen Wert übereinstimmt, der als NOx-Stoffmengenanteil ΨNOx, Virtual schließlich durch das NOx-Modell auf diese Weise ermittelt werden konnte. Aufgrund der virtuell schneller verfügbaren Werte sowie der Nutzung der Lernfunktion und damit der Adaptierung kann eine schnellere und insbesondere auch präzisere Einstellung eines Massenstromes an der Abgasrückführung erfolgen, um die gewünschten Stickstoffwerte bzw. Partikelwerte einhalten zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit einer Regelung zur Einstellung von NOx-Emissionen im Abgas, wobei eine NOx-Regelung mit einer Verbrennungsregelung kombiniert ausgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsregelung einen einzuhaltenden NOx-Wert vorgibt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsregelung einen Sollwert vorgibt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regelung der Verbrennungsregelung einen Grenzwert vorgibt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein virtueller NOx-Sensor eingesetzt wird, um mit einem Abgasrückführungsregler zusammenzuwirken.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regelung NOx-Werte im Abgas der Verbrennungskraftmaschine überwacht und in Korrelation zu einem NOx-Grenzwert setzt, und die Verbrennungsregelung auf Basis von Werten der NOx-Regelung eine Anpassung zum Einhalten des NOx-Grenzwertes vornimmt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem realen NOx-Sensor stammender Wert mit einem von einem virtuellen NOx- Sensor stammenden Wert abgeglichen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lernfunktion einen Parameter aus einer Verknüpfung eines von einem NOx-Sensor und eines von einem virtuellen NOx-Sensor ermittelten Werts erhält, wobei die Lernfunktion den Parameter in ein NOx-Modell einfließen lässt, aus dem der Regelung ein virtuelles NOx-Signal zur Verfügung gestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße einer zylinderdruckbasierten Verbrennungsregelung zumindest einer der virtuell ermittelten Werte Raildruck, Einspritzcharakteristik, wie vorzugsweise Einspritzbeginn, Verbrennungscharakteristik, wie vorzugsweise Verbrennungslage, und/oder Ein- spritzquantität eingeht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftpfadregelung einen NOx-Wert einregelt, wobei eine Verbrennungsregelung der Luftpfadregelung ein Signal zur Änderung des NOx-Werts übermittelt, sofern eine Vorgabe überschritten ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Lambda-Sonde und auf eine NOx-Sonde zur Ermittlung von Messwerten zurückgegriffen wird, wobei die Messwerte der NOx-Sonde gegenüber denjenigen der Lambda-Sonde vorrangig eingestuft werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich von bisher eingestellten Grenzwerten einer NOx-Emission der Verbrennungskraftmaschine mit neuen berechneten Grenzwerten verglichen werden, die über das Verfahren ermittelt werden, und bei Abweichung der Grenzwerte voneinander derjenige ausgewählt wird, der enger zu einem, von außen vorgebbaren Grenzwert ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kombinierte Regelung einer NOx-Konzentration im Abgas, eines Verbrennungs- luftverhältnisses im Abgas, einer Abgastemperatur, eines Verbrennungsgeräusch, einer Brennfunktion und eines Zylinder-Spitzendruckes erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kaskadenregelung ausgeführt wird, wobei die NOx-Regelung als äußere Kas- kade und die Verbrennungsregelung als innere Kaskade genutzt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße einer zylinderdruckbasierten Verbrennungsregelung ein Mitteldruck, eine Abwärmefunktion und/oder ein Zylinderspitzendruck genutzt wird.
16. Regeleinheit (7) einer Verbrennungskraftmaschine (1 ), wobei die Regeleinheit (7) erste Regelungsmittel (14) zur Ausführung einer zylinderdruckbasierten Verbrennungsregelung und zweite Regelungsmittel (15) zur Ausführung einer NOx-Regelung aufweist, wobei erste und zweite Regelungsmittel (14), (15) miteinander verknüpft sind.
17. Regeleinheit (7) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kaskadenregelung aus ersten und zweiten Regelungsmitteln (14), (15) aufweist.
18. Regeleinheit (7) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Regelungsmittel (14) eine Verbrennungsregelung und die zweiten Regelungsmittel (15) eine Luftaufwandsregelung aufweisen, die jeweils mit einer NOx-Sonde (8) und mit einer Lambda-Sonde (9) verbunden sind, und ein Korrelationsglied aufweisen, über das ein erster NOx-Wert aus der Verbrennungsregelung und ein zweiter NOx-Wert aus der Luftaufwandsregelung miteinander verknüpft sind.
19. Regeleinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptierte Regelung vorgesehen ist.
20. Regeleinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeich- net, dass ein virtueller NOx-Sensor vorgesehen ist.
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