DE102010060992A1

DE102010060992A1 - Ladedruckgeführtes Regelverfahren für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010060992A1
Application number: DE102010060992A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schnorbus; Joschka Schaub
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06
Also published as: JP2014501872A; JP6133781B2; CN103492690B; US9388756B2; CN103492690A; US20130311071A1; WO2012072333A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, wobei der Ladedruck auf einen Ladedrucksollwert geregelt wird und wobei der Ladedrucksollwert abhängig von Betriebsparametern eingestellt wird, wobei ein erster Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines direkten Einflusses des Ladedrucks auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ermittelt wird, sowie Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, bei der ein solches Regelverfahren vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, wobei der Ladedruck auf einen Ladedrucksollwert geregelt wird und wobei der Ladedrucksollwert abhängig von Betriebsparametern eingestellt wird, wobei ein erster Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines direkten Einflusses des Ladedrucks auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ermittelt wird, sowie eine Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, bei der ein solches Regelverfahren vorgesehen ist.
Eine Turboaufladung ermöglicht bei Brennkraftmaschinen neben einer Steigerung des Ladedrucks auch eine im Wesentlichen freie Einstellbarkeit des gewünschten Ladedrucks. Die Steigerung des Ladedrucks führt in der Regel zu einer Reduktion der Partikelemissionen durch die damit verbundene Veränderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses. Ein Ladedruck-Regelverfahren für eine Abgasturbolader mit verstellbaren Turbinenschaufeln ist in der Druckschrift DE 199 05 420 A1 beschrieben. Der Ladedruck wird mittels zumindest eines auf eine Verstelleinrichtung wirkenden Reglers auf einen Ladedrucksollwert geregelt, wobei die Reglerparameter über Kennlinien beziehungsweise Kennfelder abhängig von Betriebsparametern eingestellt werden.
Bei einer Regelung des Ladedrucks kommt es häufig vorrangig darauf an, einen verbrauchsoptimalen Sollwert unter Einhaltung aller vom Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerten einzustellen. Ein Nachteil von Regelungen nach dem Stand der Technik besteht darin, dass ein zusätzlicher Kraftstoffverbrauch durch eine Regeneration von Partikelfiltern unberücksichtigt bleibt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Kraftstoffverbrauch des Gesamtsystems aus Brennkraftmaschine und Abgasbehandlung zu optimieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Abgasbehandlung wird der Ladedruck auf einen Ladedrucksollwert geregelt, wobei der Ladedrucksollwert abhängig von Betriebsparametern eingestellt wird. Die Regelung des Ladedrucks erfolgt insbesondere über eine Turboaufladung, welche die Ansaugluft und gegebenenfalls rückgeführtes Abgas zur Erhöhung des Ladedrucks vor der Zuführung zu der Brennkraftmaschine verdichtet. Die Einrichtung zur Abgasbehandlung umfasst vorzugsweise ein Partikelfilter und/oder einen Stickoxid-Katalysator.
Eine Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses durch eine Veränderung des Ladedrucks hat einen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch durch den Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine. Zum einen wird dadurch ein Prozesswirkungsgrad des Hochdruckprozesses beeinflusst, zum anderen führt eine Anhebung des Ladedrucks zu veränderten Bedingungen beim Ladungswechsel des Motors, so dass auch der Niederdruckprozess der Brennkraftmaschine beeinflusst wird. Die genannten Einflüsse auf den Hochdruckprozess und den Niederdruckprozess stellen somit einen direkten Zusammenhang zwischen dem Ladedruck und einem Kraftstoffverbrauch her.
Erfindungsgemäß wird ein erster Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines direkten Einflusses des Ladedrucks auf einen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ermittelt. Unter dem Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine werden die zuvor beschriebenen Einflüsse auf den Wirkungsgrad im Hochdruckprozess und auf den Ladungswechsel im Niederdruckprozess zusammengefasst. Bevorzugt wird also ein erster Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines direkten Einflusses des Ladedrucks auf einen Wirkungsgrad im Hochdruckprozess und auf einen Ladungswechsel im Niederdruckprozess der Brennkraftmaschine ermittelt.
Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein zweiter Wert für einen den Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines indirekten Einflusses des Ladedrucks auf eine intervallweise Regeneration der Einrichtung zur Abgasbehandlung ermittelt wird. Eine Veränderung des Ladedrucks beeinflusst die Partikelemission durch die Brennkraftmaschine, wobei die Partikelemission ausschlaggebend für eine Regenerationshäufigkeit des Partikelfilters ist. Somit wird über den Ladedrucksollwert auch Einfluss auf die Länge des Regenerationsintervalls genommen. Die Länge des Regenerationsintervalls hat wiederum Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch, da für jede Partikelfilterregeneration eine gewisse Kraftstoffmenge zusätzliche verbraucht wird. Als Parameter für die Ermittlung des zweiten Werts werden eine Motordrehzahl, eine Einspritzmenge und der Ladedruck verwendet, so dass vorteilhafterweise keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden.
Unter Berücksichtigung des ersten Werts und des zweiten Werts wird weiterhin erfindungsgemäß ein optimierter Ladedrucksollwert eingestellt. Das Einstellen des Ladedrucksollwerts umfasst dabei insbesondere die Ermittlung des Werts. Bevorzugt wird der Ladedrucksollwert hinsichtlich eines minimalen Kraftstoffverbrauchs optimiert. Weiterhin bevorzugt wird der Ladedrucksollwert unter Einhaltung von Emissionsgrenzwerten eingestellt bzw. korrigiert.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der optimierte Ladedrucksollwert neben dem im normalen Fahrbetrieb verbrauchten Kraftstoff auch den für eine Partikelfilterregeneration benötigten Kraftstoff als Kraftstoffverbrauch berücksichtigt und somit einen für das gesamte System verbrauchsoptimalen Ladedrucksollwert liefert. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigt dadurch vorteilhaft an. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Kalibrierparameter des Ladedrucks irrelevant wird, was zu einem wesentlichen Vorteil im Kalibrierprozess führt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es vorteilhaft, den Applikationsaufwand im Fahrzeug erheblich zu verringern. Korrekturen der Luftparameter, zum Beispiel für Höhe und Kälte können vorteilhaft ausgeglichen werden. Eine Verbrauchsreduktion beim Betrieb einer Brennkraftmaschine im Automobilverkehr von bis zu zwei Prozent ist zu erwarten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass noch weitere Werte für einen den Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung anderer Einflussfaktoren ermittelt werden, wobei unter Berücksichtigung aller Werte oder wenigstens eines Teils der Werte der optimierte Ladedrucksollwert eingestellt wird. Beispielsweise ist der innere Wirkungsgrad ein Einflussfaktor, der noch berücksichtigt werden kann und vom Verbrennungsluftverhältnis abhängig ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Ermittlung des zweiten Werts eine Rußemission der Brennkraftmaschine quantifiziert wird.
Eine erste Variante besteht darin, dass die Rußemission in Abhängigkeit des Ladedrucks über ein Modell bestimmt wird. Das Modell wird insbesondere empirisch ermittelt. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass ein physikalisches Modell für die Rußemission verwendet wird.
Eine zweite Variante besteht darin, dass die Rußemission in Abhängigkeit des Ladedrucks über ein Kennfeld bestimmt wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, wobei ein ladedruckgeführtes Regelverfahren wie zuvor beschrieben vorgesehen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Diagrammen näher erläutert. Die Ausführungen gelten sowohl für das erfindungsgemäße Verfahren, als auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Einflüsse verschiedener Parameter auf den Kraftstoffverbrauch;
3 und 4 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Verbrauchsoptimierung des Ladedrucksollwerts gemäß 2.
Bei einer Regelung der Massen eines Luftsystems ist es von wesentlicher Bedeutung, den verbrauchsoptimalen Ladedrucksollwert unter Einhaltung von durch den Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerten einzustellen. Der Sollwert für ein ladedruckgeführtes Regelungsverfahren gemäß 1, auch als Ladedrucksollwert 30 bezeichnet, hat einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine. So beeinflusst er diesen einerseits direkt über den Wirkungsgrad im Verbrennungsprozess und den Ladungswechsel, andererseits indirekt über die Partikelemissionen durch Verkürzung oder Verlängerung des Regenerationsintervalls. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher eine Berücksichtigung beider Einflusspfade bei der Berechnung des Ladedrucksollwerts 30 vor. Dazu werden die Rußemissionen bevorzugt über ein Modell 2 in Abhängigkeit des Ladedrucks 7 unter Berücksichtigung von Motordrehzahl 5 und Einspritzmenge 6 ermittelt. Dadurch kann vorteilhaft auf einen durch die Partikelfilterregeneration hervorgerufenen Zusatzverbrauch geschlossen werden. Der Einfluss des Ladungswechsels und des Prozesswirkungsgrads im Hochdruckprozess auf den Kraftstoffverbrauch wird ebenfalls in Abhängigkeit von Betriebsparametern durch im Stand der Technik bekannte Kennlinien und/oder Kennfelder 1 ermittelt.
Aus dem ersten Wert 10 und dem zweiten Wert 20 für den Ladedruck, welche nach den unterschiedlichen Einflüssen hinsichtlich eines minimierten Kraftstoffverbrauchs ermittelt wurden, werden in einem nachgeschalteten Optimierungsprozess 3 dahingehend verarbeitet, dass der für das Gesamtsystem verbrauchsoptimale Ladedrucksollwert 30 ermittelt wird. Eine wiederum nachgeschaltete Begrenzung 4 ermittelt gegebenenfalls einen korrigierten Ladedrucksollwert 40, welcher die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten sicherstellt.
In der 2 ist in einem Diagramm der spezifische Kraftstoffverbrauch auf der Achse 101 über dem Ladedruckgradienten auf der Achse 100 angegeben, wobei die verschiedenen Kurven 11, 12, 21 jeweils den Kraftstoffverbrauch auf Grund bestimmter Einflussfaktoren darstellen. Die nicht durchgehende Linie 8 bezeichnet einen Ladedruck, bei dem ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen würde, also ein Lambda-Wert von eins. Dieselmotoren arbeiten in der Regel im überstöchiometrischen Bereich. Die Kurve 11 gibt den Verlauf des Kraftstoffverbrauchs an, welcher durch den Ladungswechsel beeinflusst wird. Die Kurve 12 verdeutlicht den Einfluss des Ladedrucks auf den inneren Wirkungsgrad, also den Prozesswirkungsgrad des Hochdruckprozesses. Die durch die Kurven 11, 12 dargestellten Einflussfaktoren sind durch die Brennkraftmaschine allein bedingt. Die Kurve 21 stellt den mittelbaren Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und Ladedruck auf Grund einer Beeinflussung der Regenerationsintervalle des Partikelfilters dar. Die Werte wurden empirisch ermittelt und bilden die Grundlage eines empirischen Modells zur Quantifizierung der Rußemissionen. Die Kurve 31 fasst schließlich alle Einflussfaktoren zusammen. Den Ladedrucksollwert auf das mit dem Pfeil 9 bezeichnete Minimum der Kurve 31 einzustellen, ist Ziel der Optimierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ein erhöhter Ladedruck bedingt höhere Ladungswechselverluste, also einen Mehrverbrauch an Kraftstoff, ebenso wie ein Regenerationsbetrieb einen Mehrverbrauch erzeugt. Das Optimum ist dort, wo der Gradient des spezifischen Kraftstoffverbrauchs unter Berücksichtigung dieser Mehrverbrauche gleich Null ist: db_eff/dp₂ = db_{eff, GasExchang}/dp₂ + db_{eff, Reg}/dp₂ = 0, wobei b_eff der spezifische Kraftstoffverbrauch, b_{eff, GasExchang} der spezifische Kraftstoffmehrverbrauch durch den Ladungswechsel und b_{eff, Reg} der spezifische Kraftstoffmehrverbrauch durch Regenerationsbetrieb ist.
Der Einfluss des Ladungswechsels entsprechend der Kurve 11 kann als konstant angenommen werden. In der 3 ist dieser schematisch erläutert. Der mit steigendem Ladedruck anwachsende Ladungswechselverlust 13 ist von der Drehzahl 5 der Brennkraftmaschine abhängig und wird in Beziehung zu einer spezifischen Leistung 14 gesetzt, die eine Funktion von Drehzahl 5 und Einspritzmenge 6 ist, vgl. Block 15. Mit der Änderungsrate 16 des Ladedrucks, die ebenfalls von der Drehzahl 5 und der Einspritzmenge 6 abhängt, ergibt sich der spezifische Mehrverbrauch durch den Gaswechsel in Beziehung zu der Ladedruckänderungsrate, (db_{eff, GasExchang}/dp₂) gemäß Kurve 11 in 2.
In der 4 ist die Entstehung der Kurve 21 aus 2 schematisch veranschaulicht, sowie der Optimierungsschritt hin zu der mit 9 bezeichneten Minimalstelle der resultierenden Kurve 31. Das Rußmodell 2 liefert unter Berücksichtung der Eingangsparameter Ladedruck 7, Drehzahl 5 und Einspritzmenge 6, sowie einem Sauerstoffgehalt 22 als Regelgröße einen Massenstrom 23 an partikulärer Masse m_PM. Der Block 24 gibt einen spezifischen Referenzverbrauch b_eff,0 der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Drehzahl 5 und Einspritzmenge 6 an. Die Berechnung in Block 25
mit einem Faktor k_{add, Reg}, welcher das Verhältnis des Kraftstoffverbrauchs im Regenerationsbetrieb zum Kraftstoffverbrauch ohne Regeneration angibt, der Regenerationszeit t_Reg, dem Volumen des Partikelfilters V_DPF und der spezifischen Beladung ρ_{max,DPF loading} des Filters ergibt den spezifischen Mehrverbrauch durch Regeneration, bezogen auf den Massenstrom der partikulären Masse (21'). Unter Berücksichtigung des Massenstroms an Partikeln ergibt sich hieraus die Kurve 21 in der 2.
Der spezifische Mehrverbrauch durch Ladungswechsel 11 gemäß 3 wird nun mit negativem Vorzeichen in Beziehung zu dem spezifischen Mehrverbrauch durch Regeneration, bezogen auf den Massenstrom der partikulären Masse (21') gesetzt. Um aus dem sich ergebenden Massenstromwert 32 einen Ladedrucksollwert 30, bzw. einen korrigierten Ladedrucksollwert 40 zu erhalten, wird ein invertiertes Rußmodell 2' verwendet. Durch die Sauerstoffregelung 22 entspricht der Ladedrucksollwert 30, 40 ebenso einem Sollwert für Lambda.
Bezugszeichenliste

1: Kennfeld
2: Rußmodell
2': Invertiertes Rußmodell
3: Optimierung
4: Begrenzung
5: Motordrehzahl
6: Einspritzmenge
7: Ladedruck
8: Linie
9: Pfeil
10: Erster Wert
20: Zweiter Wert
30: Verbrauchsoptimierter Ladedrucksollwert
40: Korrigierter Ladedrucksollwert
100, 101: Achsen
11: Spezifischer Mehrverbrauch durch Ladungswechsel, Kurve
12: Spezifischer Mehrverbrauch durch innere Effizienzänderung, Kurve
21: Spezifischer Mehrverbrauch durch Regeneration, Kurve
21': Spezifischer Mehrverbrauch, massenstromabhängig
31: Resultierende
13: Ladungswechselverlust
14: Spezifische Leistung
15: Block
16: Änderungsrate des Ladedrucks
22: Regelung des Sauerstoffgehalts
23: Partikelmassenstrom
24: Referenzverbrauch
32: Massenstromwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19905420 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Abgasbehandlung, insbesondere einem Partikelfilter und/oder Stickoxid-Katalysator, wobei der Ladedruck auf einen Ladedrucksollwert geregelt wird und wobei der Ladedrucksollwert abhängig von Betriebsparametern eingestellt wird, wobei ein erster Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines direkten Einflusses des Ladedrucks auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wert für einen Kraftstoffverbrauch minimierenden Ladedruck unter Berücksichtigung eines indirekten Einflusses des Ladedrucks auf eine intervallweise Regeneration der Einrichtung zur Abgasbehandlung ermittelt wird, wobei ein optimierter Ladedrucksollwert unter Berücksichtigung des ersten Werts und des zweiten Werts eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedrucksollwert hinsichtlich eines minimalen Kraftstoffverbrauchs optimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedrucksollwert unter Einhaltung von Emissionsgrenzwerten eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Werts eine Rußemission der Brennkraftmaschine quantifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußemission in Abhängigkeit des Ladedrucks über ein Modell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein physikalisches Modell für die Rußemission verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußemission in Abhängigkeit des Ladedrucks über ein Kennfeld bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter für die Ermittlung des zweiten Werts eine Motordrehzahl, eine Einspritzmenge und/oder ein Ladedruck verwendet werden.
Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter zur Abgasbehandlung, wobei ein ladedruckgeführtes Regelverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.