DE10148663A1 - Process for determining nitrogen oxide emissions in an Internal Combustion engine operating with excess of air comprises determining thermal condition of combustion chamber of engine, and calculating the mass of nitrogen oxide emissions - Google Patents

Process for determining nitrogen oxide emissions in an Internal Combustion engine operating with excess of air comprises determining thermal condition of combustion chamber of engine, and calculating the mass of nitrogen oxide emissions

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Abstract

Process for determining the nitrogen oxide emissions in an I.C. engine operating with an excess of air comprises determining the thermal condition of the combustion chamber of the engine; and calculating the mass of nitrogen oxide emissions from the value of the thermal state of the chamber and the fuel amount, revolutions of the engine and the rate of exhaust gas back-flow. Preferred Features: The combustion chamber temperature is used to determine the thermal state of the combustion chamber. The combustion chamber temperature is determined by a temperature sensor by acquiring the cylinder wall temperature in the combustion chamber region of a cylinder head temperature in the combustion chamber region.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Stickoxidgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen insbesondere von direkteinspritzenden Ottomotoren. The invention relates to a method for determining the Nitrogen oxide content in exhaust gases of internal combustion engines in particular of Direct injection gasoline engines.

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, d. h. heißt Lambda > 1, ist der Anteil der Stickoxidemissionen (NOx) groß. Es ist bekannt, dass bei solchen Motoren NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden, um die strengen Abgasvorschriften einhalten zu können. Die NOx-Speicherkatalysatoren besitzen trotz einer im Motorbetrieb in bestimmter Folge eingeleiteten Regeneration während bestimmter Betriebsbedingungen lediglich eine begrenzte Speicherkapazität, so dass eine Speicherung der anfallenden Stickoxide nicht immer in ausreichendem Maße möglich ist. Bei diskontinuierlichen Abgasreinigungsverfahren muss die in einen NOx-Speicherkatalysator gelangte NOx-Masse bestimmt werden, um den Zeitpunkt und die Dauer einer Regeneration bestimmen zu können. Diese NOx-Masse ist abhängig von der NOx- Konzentration im Abgas und dem Abgasmassenstrom und entspricht im Magerbetrieb im wesentlichen der NOx-Rohemission des Motors. During operation of internal combustion engines, exhaust gases containing various pollutants are produced, the respective proportion of which is essentially dependent on the composition of the fuel / air mixture. In particular, when operating with a lean fuel / air mixture, ie lambda> 1, the proportion of nitrogen oxide emissions (NO x ) is large. It is known that NO x storage catalytic converters are used in such engines in order to be able to comply with the strict emission regulations. The NO x storage catalytic converters, despite a regeneration initiated in a specific sequence during engine operation, have only a limited storage capacity during certain operating conditions, so that storage of the resulting nitrogen oxides is not always sufficiently possible. In the case of discontinuous emission control methods, the NO x mass that has reached a NO x storage catalytic converter must be determined in order to be able to determine the time and duration of a regeneration. This NO x mass is dependent on the NO x - concentration in the exhaust gas and the exhaust gas mass flow and corresponds in lean operation substantially the NO x -remission of the engine.

Eine Möglichkeit, die NOx-Konzentration im Abgas zu bestimmen, ist die Verwendung eines Sensors vor dem Katalysator. Dieser liefert ein Signal für die NOx-Konzentration im Abgas, aus dem zusammen mit dem Luft- und Kraftstoffmassenstrom die emittierte NOx-Masse berechnet werden kann. Zur Diagnose sollte ein solcher Sensor auch nach dem Katalysator angeordnet sein, um dessen Wirksamkeit zu überprüfen. One way to determine the NO x concentration in the exhaust gas, is the use of a sensor before the catalyst. This provides a signal for the NO x concentration in the exhaust gas, from which, together with the air and fuel mass flow, the emitted NO x mass can be calculated. For diagnosis, such a sensor should also be placed after the catalyst to check its effectiveness.

Da die o. g. Sensoren teuer sind, ist es wünschenswert, zumindest auf einen der beiden Sensoren oder sogar ganz auf beide zu verzichten. Es wird daher versucht, die Stickoxidemission des Motors aus entsprechenden, durch eine Motorsteuerung erfassten Einflussgrößen mittels eines Rechenmodells zu berechnen. Aus diesem Grund wird der Einfluss verschiedener Motorparameter auf die NOx-Rohemission in eine Struktur für ein Stickoxid- Rohemissionsmodell berücksichtigt, um bei einer ausreichenden Genauigkeit einer Modellierung mindestens auf einen NOx-Sensor im Abgasstrang verzichten zu können. Since the above-mentioned sensors are expensive, it is desirable to dispense with at least one of the two sensors or even both. It is therefore attempted to calculate the nitrogen oxide emission of the engine from corresponding influencing variables detected by a motor control by means of a computer model. For this reason, the influence of different engine parameters on the NO x raw emission is taken into account in a structure for a nitrogen oxide raw emission model in order to be able to dispense with a sufficient accuracy modeling at least one NO x sensor in the exhaust system.

Aus DE 198 51 319 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der NOx- Rohemission einer mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine bekannt, mit dem eine Annäherung der modellierten NOx- Rohemission an die tatsächliche NOx-Rohemission erreicht werden soll. Bei diesem Verfahren wird die Androsselung sowie die Ansauglufttemperatur innerhalb eines Rechenmodells zur Bestimmung der NOx-Rohemission quantitativ berücksichtigt. Dabei wird eine Basis-NOx-Rohemission im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld in Abhängigkeit von der Kraftstoffmasse und der Motordrehzahl gewonnen. Dieser Basiswert wird dann mit einem von der Ansauglufttemperatur abhängigen Korrekturwert bestimmt, welcher wiederum mit einem von der Motordrehzahl und der Abgasrückführrate abhängigen Korrekturwert korrigiert wird. Des Weiteren findet eine weitere Korrektur durch eine Berücksichtigung der Androsselung im Schichtladebetrieb statt. DE 198 51 319 A1 discloses a method for determining the NO x raw emission of an internal combustion engine operated with excess air, with which an approximation of the modeled NO x raw emissions to the actual NO x crude emissions is to be achieved. In this method, the throttling and the intake air temperature within a calculation model for the determination of the NO x raw emissions are quantitatively taken into account. In this case, a base NO x raw emission is obtained in the stratified charge mode of the internal combustion engine from a characteristic map as a function of the fuel mass and the engine speed. This base value is then determined with a correction value dependent on the intake air temperature, which in turn is corrected with a correction value dependent on the engine speed and the exhaust gas recirculation rate. Furthermore, a further correction takes place by taking into account the throttling in the stratified charge mode.

Es bleiben bei dem oben genannten Verfahren einige Motorparameter unberücksichtigt, die einen erheblichen Einfluss auf die NOx-Bildung im Motor haben. The above-mentioned method does not take account of some engine parameters which have a considerable influence on the formation of NO x in the engine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxidgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit dem die Stickoxidemission genauer bestimmt werden kann. The invention is therefore based on the object, a method for the determination of the nitrogen oxide content in waste gases of To create internal combustion engines, with which the nitrogen oxide emission more accurate can be determined.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Berechnung des Stickoxidgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst. This task is performed by a method of calculating the Nitrogen oxide content in the exhaust gas of internal combustion engines with the Characteristics of claim 1 or claim 2 solved.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht, die NOx-Emission genau 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 Sauerstoffkonzentration 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. The present invention makes it possible to calculate the NO x emission precisely, since this calculation is based on values from the actual influencing variables on the NO x emission. The level of NO x emission of an internal combustion engine depends primarily on the local temperature, the oxygen concentration and the residence time of the cylinder charge in the combustion chamber. The two latter variables can be detected relatively easily by measuring the engine speed of the air used and the amount of fuel.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es von besonderer Bedeutung bei der Bestimmung der NOx-Rohemissionen, insbesondere bei den mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschinen und bei der Verwendung von NOx-Speicherkatalysatoren, dass bei der Überwachung der NOx-Beladungsmasse eine unterschiedliche Modellierung in Abhängigkeit vom Betriebsmodus vorzunehmen. Vorzugsweise werden oben genannte Brennkraftmaschinen im Schichtbetrieb oder im homogenen Magerbetrieb gefahren. Daher werden einige motorische Parameter abhängig von der jeweiligen Betriebsart erfasst und zur Berechnung der Stickoxidemission verwendet. Dabei werden für eine genau Bestimmung bzw. Annäherung der NOx-Rohemissionen die entsprechenden Signale durch ein Steuergerät erfasst und dann entsprechend einer erfindungsgemäßen Modellierung die NOx-Emissionen ermittelt. According to the present invention, it is of particular importance in determining the NO x raw emissions, especially in the super-powered internal combustion engines and in the use of NO x storage catalytic converters, that in monitoring the NO x charge mass different modeling depending on the Operating mode. Preferably, the above-mentioned internal combustion engines are operated in stratified operation or in homogeneous lean operation. Therefore, some engine parameters are detected depending on the particular operating mode and used to calculate the nitrogen oxide emission. In this case, for a precise determination or approximation of the NO x crude emissions, the corresponding signals are detected by a control unit and then determined according to a modeling according to the invention, the NO x emissions.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Stickoxidemissionen sieht eine Erfassung der dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge, der dem Brennraum zugeführten Luftmenge, der Abgasrückführrate, der Drehzahl der Brennkraftmaschine, des Zündzeitpunkts und des thermischen Zustands des Brennraums vor, wobei die Masse der Stickoxidemission im Schichtbetrieb aus dem Wert des thermischen Zustands des Brennraums sowie den Werten der Kraftstoffmenge, der Drehzahl und der Abgasrückführrate berechnet wird. Dagegen wird die Masse der Stickoxidemission im homogenen Magerbetrieb aus dem Wert des thermischen des Brennraumzustands sowie den Werten der Kraftstoffmenge, der Drehzahl, des Luftverhältnisses und dem Zündzeitpunkt berechnet. The inventive method for determining the Nitric oxide emissions provides a detection of the combustion chamber supplied Amount of fuel, the amount of air supplied to the combustion chamber, the Exhaust gas recirculation rate, the speed of the internal combustion engine, the Ignition timing and the thermal state of the combustion chamber, wherein the mass of the nitrogen oxide emission in the shift operation from the Value of the thermal state of the combustion chamber and the values the fuel quantity, the speed and the exhaust gas recirculation rate is calculated. In contrast, the mass of nitrogen oxide emissions in homogeneous lean operation from the value of the thermal of Combustion chamber state and the values of the fuel quantity, the Speed, air ratio and ignition timing.

Erfindungsgemäß erfolgt die Erfassung des thermischen Zustands des Brennraums durch Bestimmung der Brennraumtemperatur, welche mittels eines Temperatursensors erfolgen kann. Zur Erfassung des Brennraumtemperaturniveaus wird vorzugsweise die Zylinderwandtemperatur im Brennraumbereich oder die Zylinderkopftemperatur im Brennraumbereich durch den Temperatursensor gemessen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der thermische Zustand des Brennraums mittels Erfassung der Kühlmitteltemperatur insbesondere im Bereich des Brennraums erfolgen. D. h., die Kühlwassertemperatur des Motors wird im Zylinderkopf oberhalb des Brennraums oder zylinderwandseitig in dem Bereich ermittelt, wo die Zündung des Kraftstoff/Luft- Gemisches stattfindet. According to the detection of the thermal state takes place the combustion chamber by determining the combustion chamber temperature, which can be done by means of a temperature sensor. To capture the combustion chamber temperature level is preferably the Cylinder wall temperature in the combustion chamber area or the Cylinder head temperature in the combustion chamber area through the temperature sensor measured. According to a preferred embodiment of the invention the thermal state of the combustion chamber by detecting the Coolant temperature, in particular in the region of the combustion chamber respectively. That is, the cooling water temperature of the engine is in Cylinder head above the combustion chamber or cylinder wall side in determined where the ignition of the fuel / air Mixture takes place.

Die Ermittlung der NOx-Rohemissionen wird im Schichtbetrieb unter Berücksichtigung des thermischen Niveaus des Brennraums, der an der Verbrennung teilgenommenen Kraftstoffmenge, der Drehzahl und der AGR-Rate. Die Kraftstoffmenge und die Drehzahl einer Brennkraftmaschine charakterisieren gemäß eines im Steuergerät abgelegten Grundkennfelds den gefahrenen Betriebspunkt. Aus einem solchen Kennfeld erfolgt ein NOx-Wert, der zunächst durch einen AGR-Rate-Korrekturwert korrigiert wird. Dieser wird wiederum durch einen aus dem thermischen Zustand des Brennraums der Brennkraftmaschine bestimmten Wert korrigiert, um dadurch den tatsächlichen NOx-Wert zu ermitteln. The determination of the NO x raw emissions becomes in the stratified operation considering the thermal level of the combustion chamber, the amount of fuel taken in the combustion, the rotational speed and the EGR rate. The amount of fuel and the speed of an internal combustion engine characterize the driven operating point according to a basic map stored in the control unit. From such a map is an NO x value, which is first corrected by an EGR rate correction value. This is in turn corrected by a determined from the thermal state of the combustion chamber of the internal combustion engine value to thereby determine the actual NO x value.

Die Kraftstoffmenge kann beispielsweise durch eine Kraftstoffmesseinrichtung oder durch Werte wie die Öffnungsdauer und den Druck am Kraftstoffinjektor ermittelt werden. Des Weiteren kann die Drehzahl mit Hilfe eines Drehzahlsensors erfasst werden. Die Bestimmung der Abgasrückführrate erfolgt am Abgasrückführungsventil durch eine geeignete Messeinrichtung, wobei die Erfassung des Luftmassenstroms anhand einer Drosselklappeneinrichtung erfolgen kann. The amount of fuel, for example, by a Fuel meter or by values such as the opening time and the Pressure can be determined at the fuel injector. Furthermore, can the speed can be detected by means of a speed sensor. The determination of the exhaust gas recirculation rate takes place on Exhaust gas recirculation valve by a suitable measuring device, wherein the Detection of the air mass flow by means of a Throttle valve device can be done.

Durch die im Steuergerät abgelegten verschiedenen Kennfelder werden dann die Korrekturwerte ermittelt und für die Berechnung der tatsächlichen NOx-Rohemission anhand der erfindungsgemäßen Modellierung verwendet. By the various maps stored in the control unit, the correction values are then determined and used for the calculation of the actual NO x raw emission on the basis of the modeling according to the invention.

Die Ermittlung der NOx-Rohemissionen erfolgt im Homogenbetrieb, insbesondere in einem homogenen Magerbetrieb (Luftverhältnis ca. 1.4 bis 1.5), unter Berücksichtigung des thermischen Niveaus des Brennraums, der an der Verbrennung teilgenommenen Kraftstoffmenge, der Drehzahl, des Luftverhältnisses λ und des Zündzeitpunkts. Ähnlich wie beim Schichtbetrieb werden aus abgelegten Kennfeldern ein λ-, ein Zündzeitpunkt- und ein thermischen Brennraumzustands-Korrekturwert ermittelt, welche für die Berechnung der NOx-Rohemission anhand einer erfindungsgemäßen Modellierung verwendet werden. The determination of the NO x raw emissions is carried out in homogeneous operation, in particular in a homogeneous lean operation (air ratio about 1.4 to 1.5), taking into account the thermal level of the combustion chamber, the amount of fuel participating in the combustion, the speed, the air ratio λ and the ignition timing. Similar to the stratified operation, a lambda, an ignition timing and a combustion chamber thermal correction value are determined from stored maps, which are used for the calculation of the NO x raw emission by means of a modeling according to the invention.

Erfindungsgemäß wird bei der Berechnung der Masse der Stickoxidemission zur Annäherung des Zusammenhangs zwischen dem Luftverhältnis, der Abgasrückführrate und der Stickoxidemission ein Polynom 2. Grades verwendet. Dabei kann bei der Berechnung der Masse der Stickoxidemission die Reihenfolge der Eingangsgrößen beliebig gewählt werden, und die Verknüpfung der Eingangsgrößen wahlweise multiplikativ oder additiv erfolgen. According to the calculation of the mass of the Nitrogen oxide emission to approximate the relationship between the Air ratio, the exhaust gas recirculation rate and the nitrogen oxide emission 2nd degree polynomial used. It can be used in the calculation of Mass of nitrogen oxide emission the order of the input variables be chosen arbitrarily, and the combination of the input variables either multiplicatively or additively.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann eine Korrektur der berechneten Masse der Stickoxidemission durch das Luftverhältnis der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen. Dadurch ist es möglich, die NOx-Rohemission eines Verbrennungsmotors trotz Abweichungen der einzelnen Zylinder im Verbrennungsluftverhältnis genau zu berechnen. Da das Luftverhältnis in den einzelnen Zylindern aufgrund von Streuungen in der Fertigung der Einspritzdüsen nicht immer gleich ist, können dementsprechend Abweichungen bei den NOx-Emissionen vorliegen. Üblicherweise gleicht eine Lambdaregelung solche Abweichungen zwar aus, indem sie alle Zylinder mit mehr oder weniger Kraftstoff versorgt, so dass in Summe das gewünschte Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas einstellt. Da aber die NOx- Emission eines Zylinder nicht linear vom Luftverhältnis abhängt, führt dies dazu, dass die von einem NOx -Rohemissionsmodell berechnete NOx-Emission nicht mit der messbaren NOx- Emission übereinstimmt. Durch Bestimmung der λ-Werte der einzelnen Zylinder ist es dennoch möglich, die Abweichungen der eingespritzten Kraftstoffmengen zu erfassen. Dies kann z. B. durch eine hohe zeitliche Auflösung des mit einer λ-Regelsonde gemessen Signals erfolgen. Im Abgas ist die Zündfolge des Verbrennungsmotors derart wiederzufinden, dass die λ-Sonde die Abweichungen der einzelnen Zylinder vom Soll-Luftverhältnis erfasst. Somit wird die NOx-Emission des Motors als die Summe der Emissionen der einzelnen Zylinder ermittelt. According to a further preferred embodiment of the invention, a correction of the calculated mass of the nitrogen oxide emission by the air ratio of the individual cylinders of the internal combustion engine. This makes it possible to accurately calculate the NO x raw emission of an internal combustion engine despite deviations of the individual cylinders in the combustion air ratio. Since the air ratio in the individual cylinders is not always the same due to variations in the production of the injection nozzles, deviations in the NO x emissions may accordingly occur. Although a lambda control usually compensates for such deviations by supplying all cylinders with more or less fuel, the sum of these sets the desired air / fuel ratio in the exhaust gas. However, since the NO x - emission is not linearly dependent of a cylinder by the air-fuel ratio, this results in that the NO x from a -Rohemissionsmodell calculated NO x emission is not measurable with the NO x - match emission. By determining the λ values of the individual cylinders, it is still possible to detect the deviations of the injected fuel quantities. This can be z. B. by a high temporal resolution of the signal measured with a λ control probe. In the exhaust gas, the firing order of the internal combustion engine is to be found such that the λ-probe detects the deviations of the individual cylinders from the desired air ratio. Thus, the NO x emission of the engine is determined as the sum of the emissions of the individual cylinders.

Es ist außerdem 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. It is also expedient to provide an NO x sensor which detects the NO x content in the exhaust gas flow, the resulting measured value being compared with the amount of the calculated NO x emission.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen sowie in der Beschreibung enthalten. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen. Further advantages and details of the invention are in the Claims and included in the description. The Invention will be explained below with reference to the drawing. It demonstrate.

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines direkteinspritzenden Ottomotors mit einer Abgasrückführung und einem NOx-Speicherkatalysator, Fig. 1 is a schematic representation of a direct injection gasoline engine with an exhaust gas recirculation and an NO x storage catalytic converter,

Fig. 2 die Darstellung des Einflusses der Abgasrückführrate im Schichtbetrieb auf die NOx-Konzentration im Abgas, Fig. 2 is an illustration of the influence of the exhaust gas recirculation rate in the shift operation to the NO x concentration in the exhaust gas,

Fig. 3 die Darstellung des Einflusses des Luftverhältnisses im Schichtbetrieb auf die NOx-Konzentration im Abgas, Fig. 3 is an illustration of the influence of the air ratio in the shift operation to the NO x concentration in the exhaust gas,

Fig. 4 die Darstellung des Einflusses der Kühlwassertemperatur im Schichtbetrieb auf die NOx- Konzentration im Abgas, . Figure 4 shows the representation of the influence of the cooling water temperature x in shifts on the NO - concentration in the exhaust gas,

Fig. 5 die Darstellung des Einflusses des Luftverhältnisses im Homogenbetrieb auf die NOx-Konzentration im Abgas, Fig. 5 illustrates the influence of the air ratio in the homogeneous mode to the NO x concentration in the exhaust gas,

Fig. 6 die Darstellung des Einflusses des Zündzeitpunkts im Homogenbetrieb auf die NOx-Konzentration im Abgas, Fig. 6 shows the representation of the influence of the ignition timing in the homogeneous mode to the NO x concentration in the exhaust,

Fig. 7 die Darstellung des Einflusses der Kühlwassertemperatur im Homogenbetrieb auf die NOx- Konzentration im Abgas, Fig. 7 is the representation of the influence of the cooling water temperature x in the homogeneous mode to the NO - concentration in the exhaust gas,

Fig. 8 die Darstellung des Prinzips einer additiven Verknüpfung, Fig. 8 show the principle of additively combining,

Fig. 9 die Darstellung des Prinzips einer multiplikativen Verknüpfung, Fig. 9, the representation of the principle of a multiplicative combination,

Fig. 10 die Darstellung der Berücksichtigung des Last- und Drehzahleinflusses für die NOx-Korrektur, Fig. 10, the illustration of the consideration of the influence of load and speed for the NO x correction,

Fig. 11 die Darstellung einer Berechnung eines Polynoms 2. Grads in der Motorsteuerung, Fig. 11 shows the view of a calculation of a polynomial of degree 2 in the motor controller,

Fig. 12 die Darstellung einer Modellstruktur zur Bestimmung der NOx-Emissionen im Schichtbetrieb, Fig. 12, the representation of a model structure for determining the NO x emissions in the shift operation,

Fig. 13 die Darstellung einer Modellstruktur zur Bestimmung der NOx-Emissionen im Homogenbetrieb, Fig. 13 shows the representation of a model structure for determining the NO x emissions in the homogeneous mode,

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Zylinderblocks einer Vierzylinderbrennkraftmaschine mit einer angeordneten Lambdasonde, Fig. 14 is a schematic view of a cylinder block of a four-cylinder internal combustion engine having a lambda probe arranged,

Fig. 15 die Darstellung der NOx-Emission in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis, und Fig. 15, the representation of the NO x emissions as a function of air / fuel ratio, and

Fig. 16 die Darstellung eines Verlaufs des λ-Signals einer Vierzylinderbrennkraftmaschine. Fig. 16 shows the representation of a curve of the λ signal of a four-cylinder internal combustion engine.

In Fig. 1 ist ein Zylinderblock 1 eines direkteinspritzenden 4-Zylinder-Ottomotors schematisch in Querschnitt durch einen Zylinder dargestellt. In jedem Zylinder sind ein Kraftstoffinjektor 2 und eine Zündkerze 3 angeordnet. Weiterhin befindet sich im Zylinder ein Brennraum 4, der durch einen verschiebbar geführten Kolben 7 begrenzt ist. Dem Brennraum 4 wird durch ein Einlassventil 5 Frischluft zugeführt, wobei die Abgase nach einer Verbrennung durch ein Auslassventil 6 abgeführt werden. In Fig. 1, a cylinder block 1 of a direct injection 4-cylinder gasoline engine is shown schematically in cross section through a cylinder. In each cylinder, a fuel injector 2 and a spark plug 3 are arranged. Furthermore, located in the cylinder, a combustion chamber 4 , which is bounded by a displaceably guided piston 7 . The combustion chamber 4 is supplied with fresh air through an inlet valve 5 , the exhaust gases being discharged after combustion through an outlet valve 6 .

Ein Steuergerät 8 übernimmt die Steuerung der Verbrennung und die Verarbeitung der verschiedenen Signale. Die Signale aus einer Lambdasonde 9, einem NOx-Speicherkatalysator 10, einem Abgasrückführungsventil 11, einem im Bereich des Brennraums 4 angeordneten Temperatursensor 12, einer Drosselklappeneinrichtung 13, einer nach einer Einspritzpumpe 16 angeordneten Kraftstoffmesseinrichtung 17 werden vom Steuergerät 8 erfasst. Die Signalaufbereitung im Steuergerät 8 ist Bestandteil einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung. Auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist eine nicht dargestellte Scheibe, die beispielsweise gleichzeitig das Schwungrad bilden kann, angeordnet, wobei dieser Scheibe ein Winkelmarkengeber (nicht dargestellt) zur Erfassung der Drehzahl zugeordnet ist. Dieser Winkelmarkengeber ist auch am Steuergerät 8 angeschlossen. A controller 8 takes over the control of the combustion and the processing of the various signals. The signals from a lambda probe 9 , a NO x storage catalytic converter 10 , an exhaust gas recirculation valve 11 , a temperature sensor 12 arranged in the region of the combustion chamber 4 , a throttle valve device 13 , a fuel measuring device 17 arranged after an injection pump 16 are detected by the control unit 8 . The signal conditioning in the control unit 8 is part of an electronic circuit, not shown. On a not shown in the drawing crankshaft of the internal combustion engine, a disc, not shown, which may form the flywheel, for example, at the same time, arranged, said disc is an angle mark transmitter (not shown) associated with the detection of the speed. This angle mark transmitter is also connected to the control unit 8 .

Der Brennraum 4 wird an seiner Oberseite durch einen Zylinderkopf 15 begrenzt, wobei im Zylinderkopf 15 die Einlass- und Auslassventile angeordnet sind. Durch das Einlassventil 5 kann die benötigte Verbrennungsluft durch das Saugrohr 19 in den Brennraum 4 einströmen, wobei die jeweilige Luftmasse in der Drosselklappeneinrichtung durch einen nicht dargestellten Luftmassenmesser erfasst wird. Der Luftmassenmesser ist ebenfalls mit dem Steuergerät 8 verbunden, wobei es denkbar ist, die Luftmasse anhand der Drosselklappenstellung und der Motordrehzahl zu bestimmen. The combustion chamber 4 is bounded on its upper side by a cylinder head 15 , wherein the intake and exhaust valves are arranged in the cylinder head 15 . Through the inlet valve 5 , the required combustion air can flow through the intake manifold 19 into the combustion chamber 4 , wherein the respective air mass is detected in the throttle valve device by an air mass meter, not shown. The air mass meter is also connected to the controller 8 , wherein it is conceivable to determine the air mass based on the throttle position and the engine speed.

Durch das Auslassventil 6 gelangen die Abgase in eine Abgasleitung 21, die zum NOx-Speicherkatalysator 10 führt. Eine von der Abgasleitung 21 abzweigende Abgasrückführleitung 14 ist vorgesehen, um Abgas in das Saugrohr 19 zurückzuführen. In dieser Abgasrückführleitung 14 befindet sich ein im Abgasrückführungsventil 11 angeordneter Rückführmengensensor (nicht dargestellt), der die Masse des rückgeführten Abgases erfasst und entsprechende Signale an das Steuergerät 8 überträgt. Through the exhaust valve 6 , the exhaust gases pass into an exhaust pipe 21 , which leads to the NO x storage catalytic converter 10 . An exhaust gas recirculation line 14 branching off from the exhaust pipe 21 is provided to recirculate exhaust gas into the intake pipe 19 . In this exhaust gas recirculation line 14 is located in the exhaust gas recirculation valve 11 arranged return flow sensor (not shown), which detects the mass of recirculated exhaust gas and transmits corresponding signals to the control unit 8 .

Nachfolgend wird eine die Berechnung des NOx-Massenstroms aus der NOx-Konzentration im Abgas c (NOx) näher erläutert. Der NOx-Massenstrom ≙NO x aus der NOx-Konzentration c (NOx) im Abgas erfolgt nach der Formel:


In the following, a calculation of the NO x mass flow from the NO x concentration in the exhaust gas c (NO x ) will be explained in greater detail. The NO x mass flow ≙ NO x from the NO x concentration c (NO x ) in the exhaust gas takes place according to the formula:


Für die Emissionsauswertung der Stickoxide wird die Molemasse M von NO2 und dem Abgas verwendet. FW und FA korrigieren die Luftfeuchte, d. h., die NOx-Emission wird auf eine bestimmte Luftfeuchte normiert, wobei MBH den Luftmassenstrom und MLKH den Kraftstoffmassenstrom wiedergeben. Dies ist erforderlich, weil die Luftfeuchte einen messbaren Einfluss auf die NOx -Emission von Verbrennungsmotoren hat. Bei einer höheren Luftfeuchte entsteht eine niedrigere NOx-Emission als bei trockener Luft. Die Wärmekapazität der Ansaugluft steigt mit dem Wasserdampfgehalt und senkt dadurch die Verbrennungs-Spitzentemperaturen, wobei sich FW nach folgender Formel errechnet:


mit:
PHIT: Luftfeuchte bezogen auf trockene Luft in g/kg
XTANSK: Ansauglufttemperatur in K. For the emission evaluation of the nitrogen oxides, the molar mass M of NO 2 and the exhaust gas is used. FW and FA correct the air humidity, ie, the NO x emission is normalized to a certain humidity, MBH representing the air mass flow and MLKH the fuel mass flow. This is necessary because the humidity has a measurable effect on the NO x emissions of internal combustion engines. Higher air humidity results in lower NO x emissions than in dry air. The heat capacity of the intake air increases with the water vapor content and thereby lowers the combustion peak temperatures, whereby FW is calculated according to the following formula:


With:
PHIT: Humidity relative to dry air in g / kg
XTANSK: intake air temperature in K.

Die Faktoren a und b werden nach folgenden Formeln bestimmt:


The factors a and b are determined according to the following formulas:


Das Partialdruckverhältnis PDV kann über die Taupunkttemperatur Ttau (in °C) berechnet werden:


mit:
XPL: Absoluter Luftdruck
PDT: Dampfdruck berechnet zu:
PDT = 3,267.107.Ttau4 + 0,0002988.Ttau3 + 0,01408.Ttau2 + 0,4378.Ttau + 6,054 The partial pressure ratio PDV can be calculated via the dew point temperature Ttau (in ° C):


With:
XPL: Absolute air pressure
PDT: Vapor pressure calculated to:
PDT = 3,267.10 7 .Tau 4 + 0,0002988.Tau 3 + 0,01408.Tau 2 + 0,4378.Tau + 6,054

Der Korrekturfaktor FA ergibt sich aus dem Term


The correction factor FA results from the term


Bei der Berechnung des NOx-Massenstroms im Fahrzeug kann der Einfluss der Luftfeuchte nicht berücksichtigt werden, da keine entsprechenden Sensoren zur Bestimmung von Luftfeuchte oder Taupunkt vorhanden sind. Deshalb muss eine vereinfachte Berechnung verwendet werden, wobei der Einfluss der Luftfeuchte berücksichtigt werden kann, wenn gegebenenfalls solche Sensoren im Fahrzeug eingebaut werden, oder entsprechende Informationen über Datenübertragung erhältlich sind. Die vereinfachte Berechnung berücksichtigt lediglich den Abgasmassenstrom, der sich aus Luftmassenstrom MBH und Kraftstoffmassenstrom MLKH zusammensetzt.


When calculating the NO x mass flow in the vehicle, the influence of the air humidity can not be taken into account because there are no corresponding sensors for determining the air humidity or dew point. Therefore, a simplified calculation has to be used, taking into account the influence of humidity, if such sensors are installed in the vehicle if necessary, or corresponding information about data transmission is available. The simplified calculation only takes into account the exhaust gas mass flow, which is composed of air mass flow MBH and fuel mass flow MLKH.


Grundsätzlich ist die NOx-Emission eines Motors von Drehzahl und Last abhängig. Bei einem direkteinspritzenden Ottomotor wird im Schichtladungsbetrieb die Last vorzugsweise über die zugeführte Kraftstoffmasse (MFF) eingestellt. Diese Größe wird durch die Kraftstoffmesseinrichtung 17 bestimmt und durch entsprechende Signale an die Motorsteuerung 8 weitergeleitet. Basically, the NO x emission of a motor is dependent on speed and load. In a direct-injection gasoline engine, the load is preferably set in the stratified charge mode via the supplied fuel mass (MFF). This variable is determined by the fuel measuring device 17 and forwarded by appropriate signals to the motor controller 8 .

Somit kann die zugeführte Kraftstoffmasse zur Ermittlung der NOx-Emission verwendet werden. Thus, the supplied fuel mass can be used to determine the NO x emission.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung das Abspeichern von Kennfeldern, welche für den Schichtbetrieb die Stickoxidemissionen für den verwendeten Motor in Abhängigkeit von den gefahrenen Lastpunkten aufweisen. Ein solches Kennfeld kann als "Grundkennfeld" bezeichnet werden. Entsprechen im Fahrzeug alle Randbedingungen denen an einem zur Ermittlung solcher Kennfelder verwendeten Motorprüfstand, so ergibt sich ein im Kennfeld abgelegter NOx-Wert. Im dynamischen Betrieb unterscheiden sich jedoch bestimmte Parameter von den stationär gemessenen Werten. Ein Abweichen der Parameter hat eine Änderung der emittierten NOx-Menge zur Folge. Im folgenden wird der Einfluss signifikanter Parameter auf die NOx-Emission erläutert. Of particular importance for the present invention is the storage of characteristic maps which have the nitrogen oxide emissions for the engine used as a function of the driven load points for the stratified operation. Such a map can be referred to as a "basic map". If all the boundary conditions in the vehicle correspond to those on an engine test stand used to determine such maps, an NO x value stored in the map is obtained. In dynamic operation, however, certain parameters differ from the stationary measured values. Deviation of the parameters results in a change in the amount of NO x emitted. The following section explains the influence of significant parameters on NO x emissions.

Den stärksten Einfluss auf die NOx-Emission im Schichtbetrieb hat die applizierte Abgasrückführrate. Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Reduzierung der NOx-Emission eingesetzt. The most important factor influencing the NO x emission during shift operation is the applied exhaust gas recirculation rate. Exhaust gas recirculation (EGR) is used to reduce NO x emissions.

In Fig. 2 ist der Verlauf der NOx-Konzentration bei einer Variation der Abgasrückführrate (AGR-Rate) im Schichtladebetrieb dargestellt. Die NOx-Konzentration sinkt mit steigender Abgasrückführrate. Eine Abweichung der AGR-Rate im dynamischen Betrieb vom Sollwert hat in erster Näherung eine lineare Ab- bzw. Zunahme der NOx-Emission zur Folge. Die Steigung der Geraden ist von Last, gekennzeichnet durch die eingespritzte Kraftstoffmenge (MFF), und Drehzahl (n) abhängig. Die Abgasrückführrate (AGR) wird im Fahrzeug nicht direkt gemessen, sondern z. B. über einen Hub des AGR-Ventils 11 und eine aus einem Saugrohrmodell kalkulierte Druckdifferenz zwischen dem Druck im Saugrohr 19 und dem Druck in der Abgasleitung 21 berechnet. Die Güte einer NOx-Korrektur für die Abgasrückführung hängt somit stark von einer Güte der Bestimmung der AGR-Rate im Fahrzeug ab. FIG. 2 shows the profile of the NO x concentration with a variation of the exhaust gas recirculation rate (EGR rate) in the stratified charge mode. The NO x concentration decreases with increasing exhaust gas recirculation rate. A deviation of the EGR rate in the dynamic operation from the setpoint results in a first approximation, a linear decrease or increase in NO x emissions result. The slope of the straight line is dependent on load, characterized by the injected fuel quantity (MFF), and speed (n). The exhaust gas recirculation rate (EGR) is not measured directly in the vehicle, but z. B. calculated via a stroke of the EGR valve 11 and calculated from a Saugrohrmodell pressure difference between the pressure in the intake manifold 19 and the pressure in the exhaust pipe 21 . The quality of an NO x correction for the exhaust gas recirculation thus depends heavily on a quality of the determination of the EGR rate in the vehicle.

Ein weiterer Parameter mit Einfluss auf die NOx-Emission im Schichtbetrieb ist das Luftverhältnis (λ). Fig. 3 zeigt den Verlauf der NOx-Konzentration in Abhängigkeit von λ. Im dynamischen Betrieb kann das aktuelle Luftverhältnis vom Wert im Stationärbetrieb abweichen, wenn z. B. die Drosselklappe nicht schnell genug auf einen applizierten Wert gestellt wird. Der Luftmangel bzw. Überschuss wirkt sich auf die Verbrennung und somit auf die NOx-Emission aus. Das Luftverhältnis wird für die jeweiligen Messungen durch Veränderung der Drosselklappenstellung eingestellt. Bei eingeschalteter Abgasrückführung würde sich die AGR-Rate durch den wechselnden Unterdruck im Saugrohr 19 ebenfalls deutlich ändern und Einfluss auf die NOx- Emission nehmen. Daher wurden die in Fig. 3 dargestellten Verläufe ohne Abgasrückführung ermittelt. Der Zusammenhang ist nicht linear, kann aber durch ein Polynom 2. Grades angenähert werden. Die Koeffizienten eines solchen Polynoms sind gemäß Fig. 3 je nach Last MFF und Drehzahl n verschieden. Another parameter influencing the NO x emission in stratified operation is the air ratio (λ). FIG. 3 shows the course of the NO x concentration as a function of λ. In dynamic operation, the current air ratio may deviate from the value in stationary mode, if z. B. the throttle is not set fast enough to an applied value. The lack of air or surplus has an effect on combustion and thus on NO x emissions. The air ratio is set for each measurement by changing the throttle position. When the exhaust gas recirculation is switched on, the EGR rate would also change significantly due to the changing negative pressure in the intake manifold 19 and would influence the NO x emission. Therefore, the curves shown in Fig. 3 were determined without exhaust gas recirculation. The relationship is not linear, but can be approximated by a 2nd order polynomial. The coefficients of such a polynomial according to FIG. 3 differ depending on the load MFF and rotational speed n.

Einen Einfluss auf die Verbrennungstemperatur und somit auf die NOx-Emission hat auch die Temperatur des Brennraums 4. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Kühlwassertemperatur als Indikator für die Brennraumtemperatur verwendet werden, wobei allerdings ein direkter Zusammenhang im Aufheizbetrieb des Motors nicht gegeben ist. Fig. 4 zeigt für den Schichtbetrieb die NOx-Konzentration im Abgas in Abhängigkeit von den Kühlwassertemperaturen von 40 bis 90°C, wobei sich die in Fig. 4 dargestellten Werte bei einer konstanten AGR-Rate von 20% ergeben. Alternativ kann die Brennraumwandtemperatur erfindungsgemäß als ein Indikator für die Brennraumtemperatur dienen, welche durch den Temperatursensor 12 gemessen wird. Durch eine kalte Brennraumwand wird eine Verbrennungs-Spitzentemperatur gesenkt und dadurch die NOx-Emission vermindert. Dagegen wird eine Gemischbildung bei einem warmen Brennraum verbessert, was auf der anderen Seite zu einer höheren NOx -Emission führt. Der Zusammenhang zwischen Kühlwassertemperatur und NOx-Emission kann linear angenähert werden. Die Steigung des Geraden gemäß Fig. 4 ist nahezu unabhängig von Last MFF und Drehzahl n. An influence on the combustion temperature and thus on the NO x emission also has the temperature of the combustion chamber 4 . According to a preferred embodiment of the invention, the cooling water temperature can be used as an indicator of the combustion chamber temperature, although a direct relationship in the heating operation of the engine is not given. Fig. 4 shows the shift operation, the NO x concentration in the exhaust gas in dependence on the cooling water temperatures of 40 to 90 ° C, with the values shown in Fig. 4 yield at a constant EGR rate of 20%. Alternatively, according to the invention, the combustion chamber wall temperature can serve as an indicator for the combustion chamber temperature, which is measured by the temperature sensor 12 . By a cold combustion chamber wall, a combustion peak temperature is lowered, thereby reducing the NO x emission. In contrast, a mixture formation is improved in a warm combustion chamber, which leads on the other hand to a higher NO x emissions. The relationship between cooling water temperature and NO x emissions can be approximated linearly. The slope of the straight line according to FIG. 4 is almost independent of load MFF and rotational speed n.

Ebenso wie im Schichtladungsbetrieb ist auch im Homogenbetrieb die NOx-Emission von Last und Drehzahl abhängig. Bei einem stöchiometrischen Betrieb ist in der Regel ein Drei-Wege-Katalysator in der Lage, die Stickoxide zu reduzieren. Dagegen ist in einem homogenen Magerbetrieb, z. B. wie im oberen Lastbereich eines modernen direkteinspritzenden Ottomotors, zur Berechnung der im NOx-Speicherkatalysator 10 gespeicherten NOx-Masse die Kenntnis der NOx-Emission erforderlich. As in the stratified charge mode, the NO x emission also depends on the load and speed in homogeneous operation. In a stoichiometric operation, a three-way catalyst is usually able to reduce the nitrogen oxides. In contrast, in a homogeneous lean operation, z. As in the upper load range of a modern direct-injection spark-ignition engine, the knowledge of NO x emission required to calculate the NO x mass stored in the NO x storage 10 .

Im Homogenbetrieb wird die Last über die zugeführte Ladungs- bzw. Luftmasse geregelt. Der Wert für die angesaugte Luftmasse wird im Saugrohrmodell der Motorsteuerung berechnet und kann zum Abgleich des Modells zusätzlich mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Heißfilm-Luftmassensensor gemessen werden. Um die größte Kraftstoffverbrauchseinsparung zu erzielen, kann das Soll-Luftverhältnis möglichst mager gewählt werden, d. h. kurz vor einer Laufgrenze für aussetzerfreien Betrieb, wo der Luftverhältniswert (λ) ca. 1,4 bis 1,5 beträgt. In einem solchen Bereich ist es nicht mehr üblich, Abgasrückführung zur Senkung der NOx-Emission einzusetzen, da dadurch die Laufruhe des Motors zu stark beeinträchtigt wird. Fig. 5 zeigt die Stickoxidemission für einen homogen Magerbetrieb (λ beträgt ca. 1,4) in Abhängigkeit vom Luftverhältnis mit der Drehzahl n und dem Luftmassenstrom MAF als Lastparameter. Es ist ersichtlich, dass die Stickoxidemission im homogenen Magerbetrieb deutlich über der im Schichtladungsbetrieb liegt. In homogeneous operation, the load is controlled by the supplied charge or air mass. The value for the intake air mass is calculated in the intake manifold model of the engine control and can be additionally measured with a hot-film air mass sensor, not shown in FIG. 1, in order to balance the model. In order to achieve the largest fuel economy savings, the desired air ratio can be selected as lean as possible, ie just before a running limit for misfire-free operation, where the air ratio (λ) is about 1.4 to 1.5. In such an area, it is no longer common to use exhaust gas recirculation to reduce the NO x emission, as this causes the smoothness of the engine is impaired too much. FIG. 5 shows the nitrogen oxide emission for a homogeneous lean operation (λ is approximately 1.4) as a function of the air ratio with the rotational speed n and the air mass flow MAF as the load parameter. It can be seen that the nitrogen oxide emission in the homogeneous lean operation is significantly higher than in the stratified charge mode.

In einem homogen Magerbetrieb hat das Luftverhältnis λ den stärksten Einfluss auf die NOx-Bildung. Fig. 5 zeigt einen solchen Zusammenhang bei konstantem Zündzeitpunkt. Es ist festzustellen, dass der Zusammenhang nicht linear ist, wobei dieser für geringe Schwankungen jedoch um ein Soll-Luftverhältnis linear angenähert werden kann. Die Steigung einer Ausgleichsgeraden ist abhängig von Last MAF und Drehzahl n. In a homogeneous lean operation, the air ratio λ has the strongest influence on the NO x formation. Fig. 5 shows such a relationship at constant ignition timing. It should be noted that the relationship is not linear, but this can be linearly approximated by a desired air ratio for small fluctuations. The slope of a regression line depends on load MAF and speed n.

Im homogenen Magerbetrieb kann es erforderlich sein, dass ein anderer Zündwinkel IGA eingestellt wird als im Soll-Kennfeld appliziert wurde. Gründe dafür sind z. B. Klopfregelung oder Eingriffe zur Verbesserung des Fahrkomforts durch Vermeidung von Drehmomentsprüngen. Ein solcher Zündwinkeleingriff hat eine Abweichung der NOx-Emission vom Basiswert zur Folge, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die NOx-Emission ist bei konstantem Luftverhältnis vom Zündzeitpunkt IGA fast linear abhängig. Dabei ist die Steigung der Ausgleichsgeraden je nach Last n und Drehzahl MAF verschieden. In homogeneous lean operation, it may be necessary for a different ignition angle IGA to be set than was applied in the desired characteristic map. Reasons are z. B. Knock control or interventions to improve ride comfort by avoiding torque jumps. Such a Zündwinkeleingriff results in a deviation of the NO x emission from the base value, as shown in Fig. 6. The NO x emission is almost linearly dependent on the ignition timing IGA at a constant air ratio. The slope of the regression line is different depending on the load n and the speed MAF.

Auch im homogen Magerbetrieb beeinflusst die Brennraumtemperatur die NOx-Emission eines Motors. Durch eine kalte Umgebung wird gleichermaßen die Spitzentemperatur der Verbrennung gesenkt. Bei einem kaltem Brennraum ist eine schlechtere Gemischaufbereitung z. B. bei einem direkteinspritzenden Ottomotor auch im homogenen Betrieb vorhanden. Diese kann bei magerem Luftverhältnis sogar zu Verbrennungsaussetzern führen. In Fig. 7 ist der Einfluss der Kühlwassertemperatur, gekennzeichnet durch TCO, als Indikator für die Brennraumtemperatur auf die NOx-Emission dargestellt. Der Zusammenhang zwischen einer Kühlwassertemperatur und der NOx-Emission stellt sich gemäß Fig. 7 linear dar. In erster Näherung ist der Drehzahleinfluss auf die Steigung einer Ausgleichsgeraden vernachlässigbar. Even in homogeneously lean operation, the combustion chamber temperature influences the NO x emission of an engine. A cold environment also lowers the peak combustion temperature. In a cold combustion chamber is a poorer mixture preparation z. B. in a direct injection gasoline engine and in homogeneous operation. This can even lead to misfiring in lean air ratio. FIG. 7 shows the influence of the cooling water temperature, characterized by TCO, as an indicator of the combustion chamber temperature on the NO x emission. The relationship between a cooling water temperature and the NO x emission is shown in FIG. 7 is linear. In a first approximation, the speed factor on the slope of a compensation line is negligible.

Werden die zuvor beschriebenen Zusammenhänge in einem Modell nachgebildet, muss davon ausgegangen werden, dass einzelne Parameter unabhängig voneinander überlagert werden können. Basis für die Berechnung einer emittierten NOx-Masse stellt jeweils das Grundkennfeld im entsprechenden Betriebsbereich dar. Der NOx-Wert kann als Konzentration [ppm] oder Massenstrom [mg/s] angegeben werden. In beiden Fällen besteht die Ungenauigkeit in der nicht berücksichtigten Luftfeuchte im Fahrzeug. Bei der Angabe in mg/s wird Rechenzeit im Steuergerät 8 gespart, da eine Multiplikation mit der Luft- und Kraftstoffmasse entfällt. If the relationships described above are modeled in a model, it must be assumed that individual parameters can be superimposed independently of one another. The basis for the calculation of an emitted NO x mass is in each case the basic characteristic field in the corresponding operating range. The NO x value can be specified as concentration [ppm] or mass flow [mg / s]. In both cases, the inaccuracy in the not considered humidity in the vehicle. When specifying in mg / s, computing time is saved in the control unit 8 , since a multiplication with the air and fuel mass is omitted.

Der Wert des Grundkennfeldes kann durch Faktoren oder Summanden korrigiert werden, die sich aus den Abweichungen der oben ausgeführten Parameter vom Sollwert ergeben. Den einfachsten Zusammenhang stellt die lineare Abhängigkeit zwischen einem Parameter und der NOx-Emission wie folgt dar:

NOx = a.x + b
The value of the basic map can be corrected by factors or summands resulting from the deviations of the above parameters from the setpoint. The simplest relationship is the linear dependence between a parameter and the NO x emission as follows:

NO x = ax + b

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen korrigierten NOx-Wert zu ermitteln. Die Verknüpfung erfolgt entweder additiv oder multiplikativ. Gemäß Fig. 8 ist das Prinzip einer additiven Verknüpfung dargestellt. Demnach wird in einem Korrekturkennfeld die Differenz der NOx-Menge in Abhängigkeit von einer Parameterabweichung (x_mes-x_ref) gespeichert. Ist keine Abweichung vorhanden, wird der Korrektursummand zu Null gesetzt. There are two ways to get a corrected NO x value. The linking is either additive or multiplicative. According to Fig. 8, the principle of an additive link is shown. Accordingly, the difference of the NO x amount as a function of a parameter deviation (x_mes-x_ref) is stored in a correction map. If there is no deviation, the correction sum is set to zero.

Fig. 9 stellt das Prinzip einer multiplikativen Verknüpfung dar. Im Korrekturkennfeld wird jetzt die auf den Referenzwert bezogene NOx-Emission dimensionslos abgelegt und als Faktor mit einem NOx-Wert des Grundkennfeldes multipliziert. FIG. 9 illustrates the principle of a multiplicative link. In the correction map, the NO x emission related to the reference value is now stored dimensionless and multiplied as a factor by an NO x value of the basic map.

Der Unterschied zwischen additiver und multiplikativer Verknüpfung liegt darin, dass bei einer multiplikativen Verknüpfung die korrigierte NOx-Menge niemals kleiner als Null werden kann. Daher kann das Produkt aus Referenzwert und Korrektur niemals negativ werden. Dagegen ist es bei der additiven Verknüpfung möglich, dass der Betrag eines berechneten Korrektursummanden größer ist als der Referenzwert der NOx-Emission. Ist das Vorzeichen dieses Korrektursummanden negativ, kann der korrigierte NOx-Wert kleiner als Null werden. Die additive Verknüpfung wird bevorzugt verwendet, da sie selbst mit einer anschließenden Limitierung weniger Rechenzeit im Prozessor des Motorsteuergerätes erfordert als die Multiplikation mit einer Dezimalzahl. Da der Einfluss eines Parameters je nach Last und Drehzahl unterschiedlich stark sein kann, so dass sich dies in einer unterschiedlichen Steigung der Ausgleichskurve bemerkbar macht, wird die in Fig. 10 dargestellte Struktur bevorzugt verwendet, um diesen Effekt zu berücksichtigen. The difference between additive and multiplicative linking is that in a multiplicative link, the corrected amount of NO x can never become less than zero. Therefore, the product of reference value and correction can never become negative. On the other hand, in the additive linking, it is possible that the amount of a calculated correction sum is larger than the reference value of the NO x emission. If the sign of this correction sum is negative, the corrected NO x value can become less than zero. The additive linkage is preferably used since, even with a subsequent limitation, it requires less computation time in the processor of the engine control unit than multiplication by a decimal number. Since the influence of one parameter can be different depending on the load and speed, so that this is noticeable in a different slope of the compensation curve, the structure shown in FIG. 10 is preferably used to take this effect into account.

In dem Korrekturkennfeld wird nicht mehr der Faktor bzw. Summand für die NOx-Korrektur abgelegt, sondern die Steigung der Ausgleichsgeraden. Diese wird mit der Parameterabweichung multipliziert und ergibt dann den Korrekturwert. In the correction map is no longer the factor or summand for the NO x correction filed, but the slope of the best-fit line. This is multiplied by the parameter deviation and then gives the correction value.

Falls der Zusammenhang zwischen einem Parameter und der NOx- Emission nicht durch eine Gerade beschrieben werden kann, muss die Genauigkeit durch ein Polynom n-ten Grades verbessert werden. Allerdings können im Prozessor einer Motorsteuerung keine komplexen mathematischen Funktionen berechnet werden. Es sind lediglich Additionen und Multiplikationen möglich. If the relationship between a parameter and the NO x emission can not be described by a straight line, the accuracy must be improved by an n-th degree polynomial. However, in the engine control processor, complex mathematical functions can not be calculated. Only additions and multiplications are possible.

Im folgenden wird eine Möglichkeit beschrieben, wie z. B. ein Polynom 2. Grades durch Aneinanderreihung von einfachen Additionen und Multiplikationen dargestellt werden kann.

NOx = a.x2 + b.x + c

und:

NOx_ref = a.x ref2 + b.x_ref + c

Dabei ist "x" der aktuell gemessene Parameter-Istwert, "x_ref" ist der Sollwert des Parameters für den entsprechenden Betriebspunkt, "a", "b" und "c" sind Koeffizienten abhängig vom entsprechenden Betriebspunkt. Es soll die aktuelle NOx-Emission berechnet werden. Durch Differenzbildung fällt der Summand "c" weg und man erhält man folgende Gleichung:

NOx-NOx_ref = a.(Δx)2 + b.(Δx)

Die Koeffizienten "a" und "b" können in Kennfeldern abgelegt werden. Demnach sieht die Struktur dann gemäß Fig. 11 aus. Da ein Fehler bei der Bestimmung der Koeffizienten durch die mehrfache Multiplikation potenziert wird, ist eine lineare Approximation möglichst vorzuziehen, auch wenn die Ausgleichsgerade nicht exakt den Verlauf der Messwerte wiedergibt. The following describes a way, such. For example, a 2nd degree polynomial can be represented by stringing together simple additions and multiplications.

NO x = ax 2 + bx + c

and:

NO x _ref = ax ref 2 + b.x_ref + c

In this case, "x" is the currently measured parameter actual value, "x_ref" is the nominal value of the parameter for the corresponding operating point, "a", "b" and "c" are coefficients depending on the corresponding operating point. The current NO x emission is to be calculated. By subtraction subtracts the summand "c" and one obtains the following equation:

NO x -NO x _ref = a. (Δx) 2 + b. (Δx)

The coefficients "a" and "b" can be stored in maps. Accordingly, the structure then looks like FIG. 11. Since an error in the determination of the coefficients is increased by the multiple multiplication, a linear approximation is preferable if possible, even if the regression line does not exactly reproduce the course of the measured values.

Die oben beschriebenen Strukturen ermöglichen somit, lineare oder polynomische Abhängigkeiten von bis zu 3 abhängigen Parametern auf die NOx-Emission zu beschreiben. Weitere Parameter mit trennbarem Einfluss können zusätzlich korrigiert werden. The structures described above thus make it possible to describe linear or polynomial dependencies of up to 3 dependent parameters on the NO x emission. Additional parameters with separable influence can be additionally corrected.

Für den Schichtbetrieb wird aufgrund verschiedener Messungen die in Fig. 12 dargestellte Struktur vorgeschlagen. For the shift operation, the structure shown in Fig. 12 is proposed based on various measurements.

In einem Grundkennfeld wird in Abhängigkeit von Last MFF und Drehzahl N die stationär emittierte NOx-Menge in mg/s abgelegt. Dieser Wert wird bei Abweichungen zwischen einer eingestellten AGR-Rate und einem Sollwert korrigiert. In einem AGR-Korrektur- Kennfeld ist die Steigung einer Näherungsgeraden abgelegt, die den Zusammenhang zwischen AGR-Rate und NOx-Massenstrom beschreibt. Multipliziert mit der Differenz der Ist- und Soll- AGR-Raten ergibt sich ein NOx-Massenstrom, der zu dem Wert des Grundkennfeldes addiert wird. Abschließend wird durch einen Faktor in Abhängigkeit der Kühlwassertemperatur TCO die berechnete NOx-Emission dem thermischen Zustand des Motors entsprechend angeglichen. In a basic map, the stationary emitted NO x amount is stored in mg / s as a function of load MFF and speed N. This value is corrected for deviations between a set EGR rate and a setpoint. In an EGR correction map, the slope of a proximity line is stored, which describes the relationship between EGR rate and NO x mass flow. Multiplied by the difference between the actual and desired EGR rates, a NO x mass flow results, which is added to the value of the basic map. Finally, the calculated NO x emission is adjusted according to the thermal state of the engine by a factor as a function of the cooling water temperature TCO.

Zur Berechnung der NOx-Emissionen in einem homogenen Magerbetrieb wird erfindungsgemäß das in Fig. 13 beschriebene Modell vorgeschlagen. In einem Grundkennfeld wird die NOx-Emission in mg/s in Abhängigkeit von Luftmassenstrom MAF und Drehzahl abgelegt. Anschließend erfolgt eine Korrektur, wenn das aktuelle Luftverhältnis λ nicht dem Soll-Luftverhältnis entspricht. Bei einem Zündwinkeleingriff IGA wird die NOx-Menge ebenfalls durch einen Summanden erhöht bzw. reduziert. Abschließend erfolgt wie im Schichtbetrieb eine Korrektur entsprechend dem thermischen Zustand des Motors mit Hilfe der Kühlwassertemperatur TCO. In order to calculate the NO x emissions in a homogeneous lean operation, the model described in FIG. 13 is proposed according to the invention. In a basic map, the NO x emission is stored in mg / s depending on the mass air flow MAF and speed. Subsequently, a correction takes place if the current air ratio λ does not correspond to the desired air ratio. In an ignition angle IGA the amount of NOx is also increased by an addend or reduced. Finally, as in shift operation, a correction is made according to the thermal state of the engine with the aid of the cooling water temperature TCO.

Aufgrund von Streuungen in der Fertigung der Einspritzdüsen ist es möglich, dass einzelne Zylinder nicht die Kraftstoffmenge zugeteilt bekommen, die für ein bestimmtes Soll- Luft/Kraftstoffverhältnis erforderlich ist. Dadurch ist es möglich, dass die einzelnen Zylinder mit unterschiedlichem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben werden, wie z. B. in Fig. 14 dargestellt ist. Die Lambdaregelung gleicht solche Toleranzen zwar aus, indem sie alle Zylinder mit mehr oder weniger Kraftstoff versorgt, so dass in Summe das gewünschte Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas einstellt. Die NOx-Emission eines Zylinder ist dennoch vom Luftverhältnis nicht linear abhängig, wie aus Fig. 15 ersichtlich ist. Dies führt dazu, dass die von einem NOx-Rohemissionsmodell berechnete NOx-Emission nicht mit der messbaren NOx-Emission übereinstimmt. Due to variations in the manufacture of the injectors, it is possible that individual cylinders may not be allocated the amount of fuel required for a particular desired air / fuel ratio. This makes it possible that the individual cylinders are operated with different air / fuel ratio, such. B. is shown in Fig. 14. Although the lambda control compensates for such tolerances by supplying all cylinders with more or less fuel, so that in total sets the desired air / fuel ratio in the exhaust gas. The NO x emission of a cylinder is nevertheless not linearly dependent on the air ratio, as can be seen from FIG. 15. This means that the calculated from a NOx -Rohemissionsmodell NOx emission does not match the measurable NO x emissions.

Durch Messung der λ-Werte der einzelnen Zylinder ist es möglich, die Abweichungen der eingespritzten Kraftstoffmengen zu erfassen. Dies kann z. B. durch eine hohe zeitliche Auflösung des mit der λ-Regelsonde gemessen Signals erfolgen. Im Abgas ist die Zündfolge des Verbrennungsmotors wiederzufinden, wie in Fig. 16 für einen 4-Zylindermotor dargestellt ist. Wird der Motor gemäß Fig. 15 betrieben, so erfasst die λ-Sonde die Abweichungen der einzelnen Zylinder vom Soll-Luftverhältnis. Die NOx-Emission des Motors ergibt sich wie folgt aus der Summe der Emissionen der einzelnen Zylinder:

NOx,ges = NOx,1 + NOx,2 + NOx,3 + NOx,4
By measuring the λ values of the individual cylinders, it is possible to detect the deviations of the injected fuel quantities. This can be z. B. by a high temporal resolution of the signal measured with the λ control probe. In the exhaust gas, the firing order of the internal combustion engine is found again, as shown in Fig. 16 for a 4-cylinder engine. If the engine is operated according to FIG. 15, the λ probe detects the deviations of the individual cylinders from the desired air ratio. The NO x emission of the engine results from the sum of the emissions of the individual cylinders as follows:

NO x, ges = NO x, 1 + NO x, 2 + NO x, 3 + NO x, 4

Die NOx-Emission eines einzelnen Zylinders ergibt sich aus dem Basiswert und einer Korrektur aufgrund der Abweichung vom Basis-λ-Wert und dem gemessenen λ-Wert.


The NO x emission of a single cylinder results from the base value and a correction due to the deviation from the base λ value and the measured λ value.


Somit ist es möglich, die NOx-Rohemission eines Verbrennungsmotors trotz Abweichungen der einzelnen Zylinder im Verbrennungsluftverhältnis genau zu bestimmen. Thus, it is possible to accurately determine the NO x raw emission of an internal combustion engine despite deviations of the individual cylinders in the combustion air ratio.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann eine Überwachung der NOx-Emissionsmasse erfolgen. Ferner ist es möglich, eine Überwachung bezüglich der Gleichmäßigkeit der Verbrennung in den einzelnen Zylindern durchzuführen. Der Einsatz eines zusätzlichen NOx-Sensors zur Redundanz des Systems ist weiterhin denkbar, um einen Vergleich des gemessenen Wertes mit dem berechneten Wert für NOx vorzunehmen. Die ermittelten Werte für NOx können für die Steuerung bzw. Regelung von Abgasnachbehandlungssystemen benutzt werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz im Fahrzeug bei der sogenannten On Bord-Diagnose sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstgezündeten Brennkraftmaschinen, und ermöglicht eine ständige Berechnung und Kontrolle der NOx-Emission für einen 2-Takt oder 4-Takt-Brennkraftmaschinen. Es ist auch denkbar die Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung zur Durchführung von Versuchen auf Prüfständen zu übertragen. With the aid of the present invention, monitoring of the NO x emission mass can take place. Further, it is possible to carry out monitoring of the uniformity of combustion in the individual cylinders. The use of an additional NO x sensor for redundancy of the system is also conceivable to make a comparison of the measured value with the calculated value for NO x . The determined values for NO x can be used for the control or regulation of exhaust aftertreatment systems. The present invention is particularly suitable for use in the vehicle in so-called on-board diagnostics in both spark-ignited and self-ignited engines, and allows continuous calculation and control of NO x emissions for a 2-stroke or 4-stroke engine , It is also conceivable to transmit the findings of the present invention for carrying out experiments on test benches.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der im Abgas enthaltenen Stickoxidemissionen einer insbesondere mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder angeordneten Brennraum, einem Katalysator, einer Abgasrückführvorrichtung und einer Motorsteuerung, wobei
eine dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge,
eine dem Brennraum zugeführten Luftmenge,
eine Abgasrückführrate, und
eine Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass
im Schichtbetrieb der thermische Zustand des Brennraums erfasst und
aus einem Wert des thermischen Zustands des Brennraums sowie den Werten der Kraftstoffmenge, der Drehzahl und der Abgasrückführrate die Masse der Stickoxidemission berechnet wird. 1. A method for determining the nitrogen oxide emissions contained in the exhaust gas of a particular operated with excess air internal combustion engine having a combustion chamber arranged in a cylinder, a catalyst, an exhaust gas recirculation device and a motor control, wherein
an amount of fuel supplied to the combustion chamber,
an amount of air supplied to the combustion chamber,
an exhaust gas recirculation rate, and
a speed of the internal combustion engine are detected, characterized in that
in stratified operation, the thermal state of the combustion chamber is detected and
The mass of the nitrogen oxide emission is calculated from a value of the thermal state of the combustion chamber and the values of the fuel quantity, the rotational speed and the exhaust gas recirculation rate. 2. Verfahren zur Ermittlung der im Abgas enthaltenen Stickoxidemissionen einer insbesondere mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder angeordneten Brennraum, einem Katalysator, einer Abgasrückführvorrichtung und einer Motorsteuerung, wobei
eine dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge,
ein Luftverhältnis durch eine dem Brennraum zugeführten Luftmenge,
eine Abgasrückführrate,
ein Zündzeitpunkt, und
eine Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass
im Homogenbetrieb der thermische Zustand des Brennraums erfasst und
aus dem Wert des thermischen Zustands des Brennraums sowie den Werten der Kraftstoffmenge, der Drehzahl, des Luftverhältnisses und dem Zündzeitpunkt die Masse der Stickoxidemission berechnet wird. 2. A method for determining the nitrogen oxide emissions contained in the exhaust gas of a particular operated with excess air internal combustion engine having a combustion chamber arranged in a cylinder, a catalyst, an exhaust gas recirculation device and a motor control, wherein
an amount of fuel supplied to the combustion chamber,
an air ratio by an amount of air supplied to the combustion chamber,
an exhaust gas recirculation rate,
an ignition point, and
a speed of the internal combustion engine are detected, characterized in that
recorded in homogeneous operation, the thermal state of the combustion chamber and
The mass of the nitrogen oxide emission is calculated from the value of the thermal state of the combustion chamber and the values of the fuel quantity, the rotational speed, the air ratio and the ignition time. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des thermisches Zustands des Brennraums die Brennraumtemperatur erfasst wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for determining the thermal state of the combustion chamber the Combustion chamber temperature is detected. 4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumtemperatur durch Erfassung einer Zylinderwandtemperatur im Brennraumbereich oder einer Zylinderkopftemperatur im Brennraumbereich vorzugsweise durch einen Temperatursensor erfolgt. 4. The method according to claim 3 characterized in that the combustion chamber temperature by detecting a Cylinder wall temperature in the combustion chamber area or one Cylinder head temperature in the combustion chamber area preferably done by a temperature sensor. 5. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumtemperatur durch Erfassung einer Kühlmitteltemperatur insbesondere im Bereich des Brennraums durch einen Temperatursensor erfolgt. 5. The method according to claim 3 characterized in that the combustion chamber temperature by detecting a Coolant temperature, in particular in the region of the combustion chamber done by a temperature sensor. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Masse der Stickoxidemission zur Annäherung des Zusammenhangs zwischen dem Luftverhältnis, der Abgasrückführrate und der Stickoxidemission ein Polynom 2. Grades verwendet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that when calculating the mass of nitrogen oxide emissions to Approximation of the relationship between the air ratio, the exhaust gas recirculation rate and the nitrogen oxide emission a polynomial 2nd degree is used. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Masse der Stickoxidemission die Reihenfolge der Eingangsgrößen beliebig ist, und die Verknüpfung der Eingangsgrößen multiplikativ erfolgt. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the calculation of the mass of nitrogen oxide emission the Order of input variables is arbitrary, and the Linking of the input variables is done multiplicatively. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Masse der Stickoxidemission die Reihenfolge der Eingangsgrößen beliebig ist, und die Verknüpfung der Eingangsgrößen additiv erfolgt. 8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the calculation of the mass of nitrogen oxide emission the Order of input variables is arbitrary, and the Linking of the input variables is additive. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur der berechneten Masse der Stickoxidemission durch das Luftverhältnis der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a correction of the calculated mass of nitrogen oxide emission by the air ratio of the individual cylinders of Internal combustion engine takes place. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis eines einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschine durch eine zeitliche Auflösung eines mit einer Lambda-Regelsonde gemessenen Signals erfasst wird. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the air ratio of a single cylinder Internal combustion engine by a temporal resolution of a a lambda control probe measured signal is detected.
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