DE102011007637A1 - Method for computing nitrogen oxide exhaust emission of diesel engine of motor vehicle, involves applying correction function based on nitrogen oxide emissions before catalytic converter phase at temperature prevailing in suction pipe - Google Patents

Abstract

The method involves determining oxygen concentration in a suction pipe (20) as operating characteristic. The nitrogen oxide emissions of internal combustion engine (10) are calculated based on the determined oxygen concentration. The correction function is applied according to the nitrogen oxide emissions before catalytic converter phase at temperature prevailing in the suction pipe. The nitrogen oxide exhaust emission before the catalytic converter phase is calculated from the corrected nitrogen oxide concentration. Independent claims are included for the following: (1) computer program for computing nitrogen oxide exhaust emission of internal combustion engine; and (2) control and/or regulating device for internal combustion engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer NOx-Rohemission einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The present invention relates to a method for calculating a raw NOx emission of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a computer program according to the preamble of claim 9 and a control device according to the preamble of claim 10.

In der Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren und benzindirekteinspritzenden Motoren kommt häufig die selektive katalytische Reduktion (SCR) zur Minderung der Stickoxidemissionen (NO_x) zum Einsatz. Dabei muss dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak (NH₃), zugesetzt werden. Die Menge des zugesetzten Reduktionsmittels hängt wesentlich von der Menge an emittiertem NO_x ab. Ist die Reduktionsmittelmenge zu klein, wird im SCR-Katalysator zu wenig NO_x umgesetzt. Wird hingegen zu viel Reduktionsmittel zugesetzt, wird dieses ebenfalls emittiert und stellt somit eine Umweltbelastung dar, die zu vermeiden ist. Üblicherweise werden die aktuellen NO_x-Emissionen mittels eines Sensors erfasst.Exhaust gas aftertreatment of diesel engines and gasoline direct injection engines often uses selective catalytic reduction (SCR) to reduce nitrogen oxide (NO _x ) emissions. In this case, a reducing agent, usually ammonia (NH ₃ ), must be added to the exhaust gas stream. The amount of the reducing agent added depends essentially on the amount of NO _x emitted. If the amount of reducing agent is too small, too little NO _{x is} converted in the SCR catalytic converter. If, on the other hand, too much reducing agent is added, this is also emitted and thus represents an environmental burden which must be avoided. Usually, the current NO _x emissions are detected by means of a sensor.

Solange der Sensor nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine nicht betriebsbereit ist, werden der Reduktionsmitteldosierung NO_x-Rohemissionswerte zugrunde gelegt, die mithilfe von Modellen berechnet werden. Auch zur On-Board-Diagnose-Überwachung wird der NO_x-Sensor mit berechneten Werten abgeglichen. In neuesten Anwendungen wird der Sensor aus Kostengründen sogar vollständig durch ein Berechnungsmodell ersetzt.As long as the sensor is not ready for operation after a cold start of the internal combustion engine, the reducing agent metering is based on NO _x raw emission values, which are calculated by means of models. The NO _x sensor is also calibrated with calculated values for on-board diagnostic monitoring. In recent applications, the sensor is even completely replaced by a calculation model for cost reasons.

Die beschriebenen Anwendungsfälle setzen eine hohe Genauigkeit der Modellierung der NO_x-Rohemissionswerte voraus. Aus der DE 10 2009 05 50585 wird ein NO_x-Rohemissionsmodell als bekannt vorausgesetzt, welches einen Zusammenhang zwischen den NO_x-Rohemissionen und der Sauerstoffkonzentration im Saugrohr der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und dem aktuellen Einspritzmuster bzw. Betriebsmodus in Kennfeldern hinterlegt. Wobei der Betriebspunkt im Wesentlichen durch die Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschine charakterisiert ist. Umgebungseinflüsse wie beispielsweise Druck und Temperatur berücksichtigt dieses Modell durch Korrekturfaktoren, die auf die in den Kernfeldern hinterlegten Basiswerte angewendet werden.The described applications require a high accuracy of the modeling of the NO _x raw emission values. From the DE 10 2009 05 50585 For example, a NO _x raw emission model is assumed to be known which deposits a relationship between the NO _x raw emissions and the oxygen concentration in the intake manifold of the internal combustion engine as a function of the operating point of the internal combustion engine and the current injection pattern or operating mode in maps. Wherein the operating point is characterized essentially by the speed and the load of the internal combustion engine. Environmental factors such as pressure and temperature are taken into account by correction factors applied to the base values stored in the core fields.

Allerdings kann auch bei konstanten Umgebungsbedingungen die Temperatur nach dem Ladeluftkühler, das heißt im Saugrohr variieren, was sich deutlich auf die NO_x-Rohemissionen auswirkt. Von Einfluss sind dabei beispielsweise die Stauwärme im Stand, Wirkungsgradänderungen des Ladeluftkühlers bei Temperaturänderung des Kühlmediums etc. Das bekannte NO_x-Rohemissionsmodell berücksichtigt diese Einflüsse nur indirekt, da mit einer Temperaturänderung auch eine Änderung der Sauerstoffkonzentration im Saugrohr einhergeht.However, even at constant ambient conditions, the temperature after the intercooler, ie in the intake manifold vary, which has a significant effect on the NO _x -Rohemissionsen. Influence is, for example, the heat accumulation in the state, changes in efficiency of the charge air cooler with temperature change of the cooling medium, etc. The known NO _x raw emission model takes into account these influences only indirectly, since a change in temperature is accompanied by a change in the oxygen concentration in the intake manifold.

Vom bekannten Modell wird hingegen nicht berücksichtigt, dass eine Temperaturänderung nach dem Ladeluftkühler, eine Temperaturänderung der Brennraumfüllung vor Kompressionsbeginn und damit eine Änderung der Verbrennungstemperatur verursacht. Weil eine erhöhte Verbrennungstemperatur die Oxidation von atmosphärischem Stickstoff begünstigt (Zeldovich-Reaktion), hat die Verbrennungstemperatur einen großen Einfluss auf die NO_x-Emission. Dieser Effekt kann je nach Betriebspunkt, den vorgenannten Effekt, verursacht durch die Änderung der Sauerstoffkonzentration, klar überwiegen.By contrast, the known model does not take account of the fact that a temperature change after the intercooler causes a change in the temperature of the combustion chamber charge before the start of compression and thus a change in the combustion temperature. Because an increased combustion temperature promotes the oxidation of atmospheric nitrogen (Zeldovich reaction), the combustion temperature has a major influence on the NO _x emission. Depending on the operating point, this effect can clearly outweigh the aforementioned effect caused by the change in the oxygen concentration.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung des bereits bekannten Verfahrens zur Berechnung von NO_x-Rohemissionen im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine dar.The invention represents a significant improvement of the already known method for calculating NO _x raw emissions in the exhaust gas tract of an internal combustion engine.

Ein wesentlicher Gedanke dabei ist es, die Genauigkeit des bekannten Verfahrens im realen Fahrzeugbetrieb zu verbessern, indem der Einfluss der Temperatur nach dem Ladeluftkühler, beziehungsweise im Saugrohr der Brennkraftmaschine, auf die NO_x-Rohemissionen berücksichtigt wird.An essential idea here is to improve the accuracy of the known method in real vehicle operation by taking into account the influence of the temperature after the charge air cooler, or in the intake manifold of the internal combustion engine, on the NO _x raw emissions.

Es hat sich gezeigt, dass sich eine Temperaturerhöhung nach dem Ladeluftkühler auf die NO_x-Rohemissionen auswirkt. Ursache dafür sind zwei Mechanismen: Zum Einen reduziert sich aufgrund der erhöhten Temperatur nach dem Ladeluftkühler die Füllung der Brennräume. Über die Luftmassenregelung wird damit auch die Abgasrückführrate (AGR) reduziert. Weil sich weniger rückgeführtes Abgas im Brennraum befindet, ist der Anteil an Frischluft und damit der Sauerstoffanteil höher. Ein höherer Sauerstoffanteil verursacht eine höhere NO_x-Emission. Diesen Mechanismus berücksichtigt das bekannte Modell, da es die NO_x-Emission in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration im Saugrohr berechnet.It has been shown that an increase in temperature after the intercooler affects the NO _x raw emissions. This is due to two mechanisms: On the one hand, the filling of the combustion chambers is reduced due to the increased temperature after the intercooler. Air mass control also reduces the exhaust gas recirculation rate (EGR). Because there is less recirculated exhaust gas in the combustion chamber, the proportion of fresh air and thus the oxygen content is higher. A higher oxygen content causes a higher NO _x emissions. This mechanism takes into account the known model, since it calculates the NO _x emission as a function of the oxygen concentration in the intake manifold.

Der zweite Mechanismus, führt auch bei gleichbleibender Sauerstoffkonzentration im Saugrohr über eine erhöhte Temperatur der Brennraumfüllung zu einer erhöhten Verbrennungstemperatur und damit zu einer Erhöhung der NO_x-Rohemissionen. Der sogenannte Zeldovich-Mechanismus führt bei hohen Verbrennungstemperaturen über die Bildung von Sauerstoffradikalen und anschließender Oxidation von atmosphärischem Stickstoff zur Bildung von Stickstoffmonoxid. Dabei werden Stickstoffradikale erzeugt, die wiederum mit Sauerstoffmolekülen zu Stickstoffmonoxid und Sauerstoffradikalen reagieren. Dieser Mechanismus wird vom bereits bekannten NO_x-Berechnungsmodell nicht abgebildet. Durch Anwendung des bekannten NO_x-Berechnungsmodells, lässt sich dieser zweite Mechanismus aber klar vom Ersten trennen.The second mechanism, even at a constant oxygen concentration in the intake manifold via an elevated temperature of the combustion chamber filling leads to an increased combustion temperature and thus to an increase in the NO _x raw emissions. The so-called Zeldovich mechanism leads to the formation of nitrogen monoxide at high combustion temperatures via the formation of oxygen radicals and subsequent oxidation of atmospheric nitrogen. This nitrogen radicals are generated, which in turn react with oxygen molecules to nitrogen monoxide and oxygen radicals. This mechanism is not depicted by the already known NO _x calculation model. By applying the known NO _x calculation model, however, this second mechanism can be clearly separated from the first.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Temperatureinfluss der Zeldovich-Reaktion bei einem Betrieb ohne Abgasrückführung (das heißt, bei konstanter Sauerstoffkonzentration im Saugrohr) auf die NO_x-Emission zu ermitteln. Dieser Temperatureinfluss lässt sich leicht auch auf den Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung übertragen. Im Anschluss daran wird durch Anwendung des bekannten NO_x-Berechnungsmodells der Einfluss der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Korrekturfunktion eine genauere Modellierung und trägt damit in Kombination mit dem bereits bekannten Berechnungsmodell zu einer Verbesserung der Modellierung im realen Fahrzeugbetrieb bei.According to the invention it is now provided to determine the temperature influence of the Zeldovich reaction in an operation without exhaust gas recirculation (that is, at a constant oxygen concentration in the intake manifold) on the NO _x emission. This temperature influence can be easily transferred to the operation of the internal combustion engine with exhaust gas recirculation. Subsequently, the influence of the oxygen concentration is taken into account by applying the known NO _x calculation model. Thus, the correction function according to the invention allows a more accurate modeling and thus contributes in combination with the already known calculation model to an improvement of the modeling in real vehicle operation.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der Ausgangswert der erfindungsgemäßen Korrekturfunktion für weitere bereits bekannte Korrekturfunktionen als Eingangswert verwendet wird. Durch geeignete Anordnung der Korrekturfunktionen im Modellkern, beziehungsweise im Hauptprogramm, werden so Interaktionen der Korrekturfunktionen miteinander vermieden. Es ist also erfindungsgemäß möglich, die erfindungsgemäße Korrekturfunktion unabhängig von anderen Korrekturfunktionen zu applizieren. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, die Genauigkeit des Modellierungsergebnisses im realen Betrieb verbessert.Another significant advantage is that the output value of the correction function according to the invention is used as input value for further already known correction functions. By appropriate arrangement of the correction functions in the model kernel, or in the main program, interactions of the correction functions are avoided with each other. It is thus possible according to the invention to apply the correction function according to the invention independently of other correction functions. Overall, the accuracy of the modeling result in real operation is improved by the method according to the invention.

Ein weiterer Vorteil ergibt daraus, dass sich die Korrekturfunktion sehr einfach bedaten lässt. Grund dafür ist die einfache Separierbarkeit des Einflusses der Sauerstoffkonzentration auf die NO_x-Bildung vom Einfluss der Verbrennungstemperatur ohne Abgasrückführung. Damit reduziert sich der Applikationsaufwand gegenüber anderen bekannten Modellen erheblich.Another advantage results from the fact that the correction function is very easy to use. The reason for this is the simple separability of the influence of the oxygen concentration on the NO _x formation from the influence of the combustion temperature without exhaust gas recirculation. This considerably reduces the application effort compared with other known models.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following drawings, the description and the claims removable. All of the features disclosed in the drawing, the description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.

Es zeigen:Show it:

1 das technische Umfeld der Erfindung; 1 the technical environment of the invention;

2a empirisch ermittelter Zusammenhang der NO_x-Rohemission mit dem Sauerstoffvolumenanteil und der Temperatur im Saugrohr, 2a empirically determined relationship of the NO _x raw emission with the oxygen volume fraction and the temperature in the intake manifold,

2b modellierter Zusammenhang der NO_x-Rohemission mit der Temperatur im Saugrohr; 2 B modeled relationship of NO _x raw emissions with the temperature in the intake manifold;

3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Funktionsblockdarstellung; 3 a first embodiment of the invention in a functional block diagram;

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Funktionsblockdarstellung; 4 a further embodiment in a functional block diagram;

5 Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein bekanntes NO_x-Rohemissionsmodell in Funktionsblockdarstellung. 5 Integration of the method according to the invention into a known NO _x crude emission model in functional block representation.

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, die insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges dient. Die dargestellte Brennkraftmaschine 10 arbeitet mit einer Direkteinspritzung von Kraftstoff über Injektoren 12 in Brennräume 14 der Brennkraftmaschine 10 nach dem Otto-Brennverfahren, dem Dieselbrennverfahren oder einem anderen Brennverfahren, zum Beispiel einem CAI-Brennverfahren (CAI = Controlled Auto Ignition). Beim Otto-Brennverfahren erfolgt eine Fremdzündung der Brennraumfüllung aus Luft und eingespritztem Kraftstoff mit einer Zündkerze 16. Jeder Brennraum 14 wird von einem Kolben 18 beweglich abgedichtet und über ein Saugrohr 20 mit Luft gefüllt. Stromaufwärts des Saugrohrs 20 ist ein Ladeluftkühler 22 angeordnet, der die Luft vor Eintritt in das Saugrohr 20 kühlt. Nicht dargestellt ist ein stromaufwärts des Ladeluftkühlers 22 angeordneter Turbolader. Zwischen Ladeluftkühler 22 und Brennraum 14 ist ein Temperatursensor 24 angeordnet, der die Temperatur der Luft nach Austritt aus dem Ladeluftkühler 22 und damit vor Eintritt in dem Brennraum 14 ermittelt. Das im Brennraum 14 verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch wird in ein Abgassystem 26 ausgeschoben. Der Wechsel der Brennraumfüllung (Gaswechsel) wird durch Gaswechselventile 28, 30 gesteuert, die synchron zur Bewegung des Kolbens 18 betätigt werden. 1 shows an internal combustion engine 10 , which is used in particular for driving a motor vehicle. The illustrated internal combustion engine 10 works with a direct injection of fuel via injectors 12 in combustion chambers 14 the internal combustion engine 10 after the Otto combustion process, the diesel combustion process or another combustion process, for example, a CAI combustion process (CAI = Controlled Auto Ignition). In the Otto combustion process, spark ignition of the combustion chamber filling from air and injected fuel takes place with a spark plug 16 , Every combustion chamber 14 is from a piston 18 movably sealed and over suction tube 20 filled with air. Upstream of the suction pipe 20 is a charge air cooler 22 arranged the air before entering the suction pipe 20 cools. Not shown is an upstream of the intercooler 22 arranged turbocharger. Between intercooler 22 and combustion chamber 14 is a temperature sensor 24 arranged, which determines the temperature of the air after leaving the intercooler 22 and thus before entering the combustion chamber 14 determined. That in the combustion chamber 14 burned fuel-air mixture is in an exhaust system 26 ejected. The change of the combustion chamber filling (gas exchange) becomes by gas exchange valves 28 . 30 controlled in synchronism with the movement of the piston 18 be operated.

Über eine Abgasrückführung 32 wird bei geöffnetem Abgasrückführventil 34 Abgas in den Brennraum 14 zurückgeführt, um die NO_x-Rohemission der Brennkraftmaschine zu reduzieren.About an exhaust gas recirculation 32 is when the exhaust gas recirculation valve is open 34 Exhaust gas in the combustion chamber 14 returned to reduce the NO _x -remission of the internal combustion engine.

Die Temperatur der Luft nach Austritt aus dem Ladeluftkühler 22 wird als T_akt bezeichnet. Sie kann noch weiter unterschieden werden in eine Temperatur T_n,LLK vor der Abgasrückführung 32 und eine Temperatur T_n,misch nach der Abgasrückführung 32. Wenn im Folgenden die Temperatur T_akt erwähnt wird, können damit beide Temperaturen T_n,LLK und T_n,misch gemeint sein. Die Temperatur T_n,misch nach der Abgasrückführung 32 kann entweder durch einen gesonderten Temperatursensor (nicht dargestellt) oder durch eine entsprechende Umrechung der vom Temperatursensor 24 erfassten Temperatur T_n,LLK vor der Abgasrückführung 32 ermittelt werden.The temperature of the air after exiting the intercooler 22 is called T _act . It can be further differentiated into a temperature T _{n, LLK} before the exhaust gas recirculation 32 and a temperature T _{n, mixed} after the exhaust gas recirculation 32 , If the temperature T _{akt is} mentioned below, it can mean both temperatures T _{n, LLK} and T _{n, mixed} . The temperature T _{n, mixed} after the exhaust gas recirculation 32 can either by a separate temperature sensor (not shown) or by a corresponding conversion of the temperature sensor 24 detected temperature T _{n, LLK} before exhaust gas recirculation 32 be determined.

Das Abgassystem weist auch nicht dargestellte Abgasnachbehandlungskomponenten wie Partikelfilter, Katalysatoren, Dosiersysteme für Reduktionsmittel, Abgassensoren 36 usw. auf.The exhaust system also has exhaust aftertreatment components, not shown, such as particulate filters, catalysts, dosing systems for reducing agents, exhaust gas sensors 36 etc. on.

Die Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuergerät 38 gesteuert, das dazu unter anderem Signale des Abgassensors 36, eines Drehzahlsensors 40, des Temperatursensors 24 sowie weiterer Sensoren für weitere Betriebsparameter verarbeitet. Solche weiteren Betriebsparameter sind zum Beispiel Fahrpedalstellung oder die Masse der angesaugten Frischluft. Aus diesen Signalen bildet das Steuergerät 38 Ansteuersignale für Injektoren 12, für gegebenenfalls vorhandene Zündkerzen 16, für die Abgasrückführung 34 und eventuell weitere Stellsignale für in der Figur nicht dargestellte Stellglieder, die bei modernen Brennkraftmaschinen 10 vorhanden und daher der Fachmann vertraut sind.The internal combustion engine 10 is from a control unit 38 controlled, including signals from the exhaust gas sensor 36 , a speed sensor 40 , the temperature sensor 24 and other sensors for further operating parameters. Such further operating parameters are, for example, the accelerator pedal position or the mass of the intake fresh air. The control unit forms from these signals 38 Control signals for injectors 12 , for any existing spark plugs 16 , for exhaust gas recirculation 34 and possibly further control signals for not shown in the figure actuators, in modern internal combustion engines 10 present and therefore the expert is familiar.

Im Übrigen ist das Steuergerät 38 dazu eingerichtet, insbesondere programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner Ausgestaltungen durchzuführen. Das Steuergerät 38 ist insbesondere dazu eingerichtet, die NO_x-Rohemissionen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 zu modellieren. Der Wert der Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 wird bei bekannten Steuergeräten 38 von Brennkraftmaschinen 10 ohnehin berechnet oder liegt in den Steuergeräten 38 vor. Wesentliche Eingangsgrößen dafür sind die angesaugte Frischluftmasse, die Abgasrückführrate, als Zwischengröße, die eingespritzte Kraftstoffmenge und eine modellierte, oder mit dem Abgassensor 36 gemessene Sauerstoffkonzentration im Abgas.Incidentally, the controller 38 set up, in particular programmed to perform the method according to the invention or one of its embodiments. The control unit 38 is particularly adapted to the NO _x raw emissions as a function of the oxygen concentration in the intake manifold 20 to model. The value of the oxygen concentration in the intake manifold 20 is in known control devices 38 of internal combustion engines 10 calculated anyway or is located in the control units 38 in front. Essential input variables for this are the aspirated fresh air mass, the exhaust gas recirculation rate, as intermediate size, the injected fuel quantity and a modeled, or with the exhaust gas sensor 36 measured oxygen concentration in the exhaust gas.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine konkrete Modellierung der NO_x-Rohemissionen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration bzw. von der Temperatur im Saugrohr 20 ist die Kenntnis der quantitativen Zusammenhänge.An essential prerequisite for a concrete modeling of the NO _x raw emissions as a function of the oxygen concentration or of the temperature in the intake manifold 20 is the knowledge of quantitative relationships.

2a zeigt solche empirisch ermittelten Zusammenhänge. Dabei ist die NO_x-Konzentration in ppm in den Rohemissionen der Brennkraftmaschine 10 jeweils über den Volumenanteil von Sauerstoff in % im Saugrohr 20 aufgetragen dargestellt. Sowohl die Sauerstoffkonzentration als auch die NO_x-Konzentration sind logarithmisch aufgetragen. 2a shows such empirically determined relationships. Here, the NO _x concentration in ppm in the raw emissions of the internal combustion engine 10 in each case via the volume fraction of oxygen in% in the intake manifold 20 plotted shown. Both the oxygen concentration and the NO _x concentration are plotted logarithmically.

Eine Auswertung der empirisch gewonnen Daten ergibt, dass eine Erhöhung der Temperatur im Saugrohr 20 einerseits zu einer erhöhten Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 und damit zu einer Erhöhung der NO_x-Rohemission führt. Die erhöhte Sauerstoffkonzentration lässt bei Annahme einer Luftmassenregelung der Brennkraftmaschine 10 folgendermaßen erlklären:
Bei erhöhter Temperatur nach dem Ladeluftkühler 22 ist die Füllmenge der Brennräume 14 reduziert. Das zieht wiederum eine Reduzierung der Abgasrückführrate nach sich. Da die Frischluft eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist als das rückgeführte Abgas, wird somit eine höhere Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 erzielt. Dargestellt wird dieser Effekt durch einen Pfeil 42.An evaluation of the empirically obtained data shows that an increase in the temperature in the intake manifold 20 on the one hand to an increased oxygen concentration in the intake manifold 20 and thus leads to an increase in the NO _x raw emission. The increased oxygen concentration leaves assuming an air mass control of the internal combustion engine 10 explain as follows:
At elevated temperature after the intercooler 22 is the capacity of the combustion chambers 14 reduced. This in turn entails a reduction in the exhaust gas recirculation rate. Since the fresh air has a higher oxygen concentration than the recirculated exhaust gas, thus a higher oxygen concentration in the intake manifold 20 achieved. This effect is represented by an arrow 42 ,

Andererseits führt die erhöhte Temperatur im Saugrohr 20 bei konstanter Sauerstoffkonzentration ebenfalls zu einer Erhöhung der NO_x-Rohemission. Die Zusammenhänge stellen sich dabei wie folgt dar. Eine Temperaturerhöhung im Saugrohr führt zu einer Erhöhung der Temperatur der Brennraumfüllung bei Kompressionsbeginn, dadurch erhöht sich die Temperatur während der Verbrennung. Hohe Verbrennungstemperaturen begünstigen die sogenannte thermische Stickoxidbildung, bei der aus atmosphärischem Stickstoff und Sauerstoff jeweils Radikale entstehen, die miteinander zu Stickstoffmonoxid (NO), reagieren. Diese auch Zeldovich-Mechanismus genannte Reaktionen sind der im Brennraum dominierende Prozess zur Bildung von Stickoxid während der Verbrennung. Die Verbrennungstemperatur beeinflusst dabei in erste Linie die Geschwindigkeit, mit der Stickstoffmonoxid gebildet wird. Somit führt eine erhöhte Temperatur bei konstanter Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 zu einer erhöhten Stickoxidemission. Ein Pfeil 44 symbolisiert diesen Effekt in 2a.On the other hand, the increased temperature in the intake manifold 20 At constant oxygen concentration also to an increase of the NO _x -Rohemission. The relationships are as follows. Increasing the temperature in the intake manifold increases the temperature of the combustion chamber filling Start of compression, this increases the temperature during combustion. High combustion temperatures favor the so-called thermal nitrogen oxide formation, in which from atmospheric nitrogen and oxygen in each case radicals are formed, which react with each other to nitric oxide (NO). These reactions, also called Zeldovich mechanism, are the dominant process in the combustion chamber for the formation of nitrogen oxide during combustion. The combustion temperature primarily influences the rate at which nitrogen monoxide is formed. Thus, an elevated temperature leads to a constant oxygen concentration in the intake manifold 20 to an increased nitrogen oxide emission. An arrow 44 symbolizes this effect in 2a ,

Die beiden oben beschriebenen Effekte können sehr gut voneinander getrennt werden. Dies wird anhand der nachfolgenden 2b deutlich:
2b zeigt den Zusammenhang zwischen Stickoxidkonzentration NOx in ppm, logarithmisch auf der Ordinate aufgetragen und der Sauerstoffkonzentration in Massenprozent, ebenfalls logarithmisch auf der Abszisse aufgetragen. Messungen ergaben für unterschiedliche Temperaturen nach dem Ladeluftkühler bzw. im Saugrohr 20 parallel verlaufende Geraden 45a, 45b und 45c, deren Steigung nicht von einer Änderung der Temperatur beeinflusst wird.The two effects described above can be separated very well. This will be explained by the following 2 B clear:
2 B shows the relationship between nitrogen oxide concentration NOx in ppm, logarithmically plotted on the ordinate and the oxygen concentration in mass percent, also plotted logarithmically on the abscissa. Measurements resulted for different temperatures after the intercooler or in the intake manifold 20 parallel straight lines 45a . 45b and 45c whose slope is not affected by a change in temperature.

Eine Auswertung der empirisch gewonnenen Daten hat ergeben, dass sich dieser Zusammenhang mit der Formel

darstellen lässt.An evaluation of the empirically obtained data has shown that this relationship with the formula

let represent.

Darin ist NO_x,Cor, die korrigierte NO_x-Konzentration, die sich in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur T_Akt nach dem Ladeluftkühler und der unter Referenzbedingungen erfassten Konzentration NO_x,Bas berechnen lässt. NO_x,Bas ist die NO_x-Rohemission die sich bei einer Referenztemperatur T_Ref nach dem Ladeluftkühler 22, einstellt. Als Referenzzustand bietet sich dabei der Zustand ohne Abgasrückführung an, da hier die Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 konstant ist.Therein, NO _{x, Cor} , is the corrected NO _x concentration, which can be calculated as a function of the current temperature T _Akt after the intercooler and the concentration NO _{x, Bas} detected under reference conditions. NO _{x, Bas} is the NO _x raw emission resulting at a reference temperature T _ref after the intercooler 22 , sets. As a reference state, the state without exhaust gas recirculation offers, since here the oxygen concentration in the intake manifold 20 is constant.

C ist ein Parameter, der an einem Prüfstand einen konstanten Wert aufweist. Generell ergibt sich für andere Brennkraftmaschinen 10 ein anderer Wert für C, der auch abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 sein kann.C is a parameter that has a constant value on a test bench. Generally results for other internal combustion engines 10 another value for C, which also depends on the operating point of the internal combustion engine 10 can be.

Daraus ergibt sich, dass sich sowohl die korrigierte NO_x-Konzentration NO_x,Cor als auch die erfasste Konzentration NO_x,Bas dabei auf die Sauerstoffkonzentration von 23,15 Massen-% beziehen. Also auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ohne Abgasrückführung.As a result, both the corrected NO _x concentration NO _{x, Cor} and the detected concentration NO _{x, Bas} relate to the oxygen concentration of 23.15 mass%. So on an operation of the internal combustion engine 10 without exhaust gas recirculation.

3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Parameter C als Konstante. Der Block 46 symbolisiert die Bildung einer, die Last L der Brennkraftmaschine 10 repräsentierenden, Größe. Die Last L kann ein Kraftstoffzumesssignal sein oder ein vom Steuergerät 38 ohnehin berechneter Wert des inneren Drehmoments der Brennkraftmaschine 10. Die zur Ermittlung beider Größen üblichen Verfahren sind dem Fachmann bekannt. 3 shows a functional block diagram of a first embodiment of the method according to the invention with the parameter C as a constant. The block 46 symbolizes the formation of one, the load L of the internal combustion engine 10 representing size. The load L may be a fuel metering signal or one from the controller 38 anyway calculated value of the internal torque of the internal combustion engine 10 , The methods customary for determining both variables are known to the person skilled in the art.

In Block 48 erfolgt eine Berechnung der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 aus Signalen des Drehzahlsensors 40.In block 48 there is a calculation of the rotational speed n of the internal combustion engine 10 from signals of the speed sensor 40 ,

In Block 50 erfolgt eine Berechnung der aktuellen Temperatur T_AKT nach dem Ladeluftkühler 22 bzw. im Saugrohr 20 der Brennkraftmaschine 10 aus den Signalen des dort angeordneten Temperatursensors 24.In block 50 a calculation of the current temperature T _AKT after the intercooler 22 or in the intake manifold 20 the internal combustion engine 10 from the signals of the temperature sensor arranged there 24 ,

In einem Kennfeld 52 sind in Referenzzuständen ermittelte Referenzwerte der NO_x-Rohemissionen last- und drehzahlabhängig gespeichert.In a map 52 Reference values of the NO _x raw emissions determined in reference states are stored in dependence on load and speed.

Ein Kennfeld 54 enthält last- und drehzahlabhängig gespeicherte Werte der jeweils zugehörigen Temperatur T_Ref. Im Funktionsblock 56 ist der Wert des Parameters C hinterlegt. Die Blöcke 46 bis 56 liefern damit sämtliche für die Anwendung der Gleichung 1 erforderlichen Größen an den Block 58, der die Berechnung der korrigierten Stickoxidkonzentration NO_x,Cor, nach Gleichung 1 repräsentiert. Diese erfindungsgemäß ermittelte korrigierte NO_x-Konzentration wird an das Emissionsberechnungsmodell übergeben.A map 54 contains load- and speed-dependent stored values of the respective associated temperature T _Ref . In the function block 56 the value of parameter C is stored. The blocks 46 to 56 thus supply all the quantities required for the application of Equation 1 to the block 58 representing the calculation of the corrected nitrogen oxide concentration NO _{x, Cor} , according to Equation 1. This inventively determined corrected NO _x concentration is passed to the emission calculation model.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel im Falle eines last- und/oder drehzahlabhängigen Parameters C. Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt entsprechend des anhand von 3 vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. Mit dem Unterschied, dass an Stelle eines konstanten Wertes im Funktionsblock 56 last- und/oder drehzahlabhängige Werte für C in einem Kennfeld hinterlegt sind. 4 shows a further embodiment in the case of a load and / or speed-dependent parameter C. The sequence of the method according to the invention is carried out according to the basis of 3 previously described embodiment. With the difference that instead of a constant value in the function block 56 Last- and / or speed-dependent values for C are stored in a map.

Die erfindungsgemäße Korrekturfunktion nach 3 oder 4 wird, wie nachfolgend in 5 gezeigt, der bekannten Gesamtfunktion für das NO_x-Modell implementiert.The correction function according to the invention 3 or 4 will, as in below 5 shown implements the known overall function of the NO _x model.

Die bekannte Gesamtfunktion berechnet die NO_x-Rohemissionen nach folgender Gleichung 2:

The known total function calculates the NO _x raw emissions according to the following equation 2:

Darin ist NO_x,AKT die aktuelle NO_x-Konzentration in ppm, die sich in Abhängigkeit von der aktuellen Sauerstoffkonzentration O_2,AKT in Massenprozent und den unter Referenzbedingungen erfassten Konzentrationen NO_x,REF und O_2,REF berechnen lässt. Der Exponent α ist jeweils von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine 10 abhängig und in erster Näherung von der aktuellen O₂-Konzentration unabhängig. Die Referenzkonzentrationen NO_x,REF und O_2,REF sind jeweils von der Drehzahl und der Last abhängig.Therein, NO _{x, AKT is} the current NO _x concentration in ppm, which can be calculated as a function of the current oxygen concentration O _{2, AKT} in percent by mass and the concentrations NO _{x, REF} and O _{2, REF} detected under reference conditions. The exponent α is in each case of the rotational speed and the load of the internal combustion engine 10 dependent and to a first approximation on the current O ₂ concentration independently. The reference concentrations NO _{x, REF} and O _{2, REF} are each dependent on the speed and the load.

Ausführungsbeispiele der bekannten Gesamtfunktion sehen auch last- und drehzahlabhängige Korrekturfunktionen für α und O_2,REF vor.Embodiments of the known overall function also provide load- and speed-dependent correction functions for α and O _{2, REF} .

Erfindungsgemäß wird in oben erläuterten Gleichung 2 anstelle von NO_x,REF das Ergebnis aus Gleichung 1, also NO_x,Cor eingesetzt.According to the invention, in equation 2 explained above, instead of NO _{x, REF,} the result from equation 1, that is to say NO _{x, Cor is} used.

5 zeigt eine Funktionsblockdarstellung der bekannten Gesamtfunktion mit implementierter erfindungsgemäßer, Korrekturfunktion. Der Block 46 repräsentiert wie in vorangehenden Figuren die Bildung einer, die Last L der Brennkraftmaschine 10 repräsentierenden, Größe. Im Block 48 erfolgt eine Berechnung der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 aus den Signalen des Sensors 40. 5 shows a functional block diagram of the known overall function with implemented inventive correction function. The block 46 As in previous figures, the formation of one, the load L of the internal combustion engine 10 representing size. In the block 48 there is a calculation of the rotational speed n of the internal combustion engine 10 from the signals of the sensor 40 ,

Im Block 60 erfolgt eine Berechnung der Sauerstoffkonzentration O_2,akt im Saugrohr 20 der Brennkraftmaschine 10. Die Sauerstoffkonzentration ergibt sich dabei im Wesentlichen als Quotient mit dem Sauerstoffstrom in das Saugrohr 20 im Zähler und dem Füllungs-Massenstrom (Frischluft und rückgeführtes Abgas) in die Brennräume 14 der Brennkraftmaschine 10 im Nenner.In the block 60 a calculation of the oxygen concentration O _{2, akt takes place} in the intake manifold 20 the internal combustion engine 10 , The oxygen concentration results essentially as a quotient with the oxygen flow into the intake manifold 20 in the meter and the filling mass flow (fresh air and recirculated exhaust gas) into the combustion chambers 14 the internal combustion engine 10 in the denominator.

Der Füllungsmassenstrom ergibt sich dabei durch die allgemeine Gasgleichung in Abhängigkeit von dem bekannten Saugrohrvolumen, dem gemessenen Saugrohrdruck, der gemessenen Temperatur und der allgemeinen Gaskonstante.The filling mass flow results from the general gas equation as a function of the known intake manifold volume, the measured intake manifold pressure, the measured temperature and the general gas constant.

Der Sauerstoffstrom in das Saugrohr 20 ergibt sich als Summe des mit der bekannten Sauerstoffkonzentration der Frischluft (23,15 Massenprozent) gewichteten Frischluftmassenstroms, der gemessen wird, und des mit der Sauerstoffkonzentration im Abgas gewichteten Massenstroms des rückgeführten Abgases. Dabei wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas aus dem Signal des Abgassensors 36 bestimmt. Der Massenstrom des rückgeführten Abgases ergibt sich durch Subtrahieren des gemessenen Frischluftmassenstroms vom aus der allgemeinen Gasgleichung berechneten Füllungsmassenstrom.The oxygen flow into the intake manifold 20 is the sum of the fresh air mass flow weighted with the known oxygen concentration of the fresh air (23.15 mass%), which is measured and the mass flow of the recirculated exhaust gas weighted with the oxygen concentration in the exhaust gas. In this case, the oxygen concentration in the exhaust gas from the signal of the exhaust gas sensor 36 certainly. The mass flow of the recirculated exhaust gas is obtained by subtracting the measured fresh air mass flow from the filling mass flow calculated from the general gas equation.

Die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist niedriger als die Sauerstoffkonzentration der Frischluft, so dass sich die resultierende Sauerstoffkonzentration im Saugrohr als Mittelwert der mit den beteiligten Frischluft- und Abgasmassen gewichteten Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und in der Frischluft ergibt. Derartige Berechnungen werden von modernen Steuergeräten ohnehin durchgeführt und sind dem Fachmann vertraut.The oxygen concentration in the exhaust gas is lower than the oxygen concentration of the fresh air, so that the resulting oxygen concentration in the intake manifold results as the average value of the oxygen concentrations in the exhaust gas and in the fresh air, which are weighted with the fresh air and exhaust masses involved. Such calculations are carried out by modern control units anyway and are familiar to the expert.

Ein Kennfeld 62 enthält last- und drehzahlabhängig gespeicherte Werte der jeweils zugehörigen Sauerstoffkonzentration O_2,REF. Im Kennfeld 64 sind Werte des Exponenten α ebenfalls Last- und Drehzahl-abhängig gespeichert. In Block 66 wird, wie anhand der vorangehenden 3 und 4 erläutert, die korrigierte Stickoxidkonzentration NO_x,Cor berechnet. Die Blöcke 60 bis 66 liefern damit sämtliche für die Anwendung der Gleichung 1 erforderlichen Größen an den Block 68, der die Berechnung der aktuellen NO_x-Konzentration NO_x,AKT durch die Gleichung 1 repräsentiert.A map 62 load- and speed-dependent contains stored values of the respectively associated oxygen concentration O _{2, REF.} In the map 64 are values of the exponent α also load- and speed-dependent stored. In block 66 becomes, as with the previous one 3 and 4 explains the corrected nitrogen oxide concentration NO _{x, Cor} calculated. The blocks 60 to 66 thus supply all the quantities required for the application of Equation 1 to the block 68 representing the calculation of the current NO _x concentration NO _{x, AKT} by the equation 1.

Bei der bekannten Gesamtfunktion wird der Zusammenhang zwischen NO_x-Rohemissionen und Sauerstoffkonzentration im Saugrohr 20 in Kennfeldern abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, von der Betriebsart und vom Einspritzprofil der Brennkraftmaschine 10 hinterlegt. Abhängig von den aktuell herrschenden Umgebungsbedingungen (Umgebungsdruck und – temperatur) werden daraufhin, in der Figur nicht explizit dargestellt, für die aus den Kennfeldern entnommenen aktuellen Werte Korrekturen ausgeführt. In the known overall function, the relationship between NO _x raw emissions and oxygen concentration in the intake manifold 20 in maps depending on the operating point, the operating mode and the injection profile of the internal combustion engine 10 deposited. Depending on the currently prevailing ambient conditions (ambient pressure and temperature), corrections are then carried out, not explicitly shown in the figure, for the current values taken from the characteristic diagrams.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der bekannten Gesamtfunktion dargestellt durch Gleichung 2. Wie bereits vorangehend erläutert, wird die Steigung der Geraden 45 durch eine Änderung der Frischlufttemperatur im Saugrohr 20 nicht verändert, so dass die erfindungsgemäße Korrekturfunktion (Gleichung 1) vorteilhafterweise auf die NOx-Rohemission ohne Abgasrückführung angewendet wird. Und anschließend kann der mit der erfindungsgemäßen Korrekturfunktion korrigierte Stickoxidwert NO_x,Cor als Ausgangswert für die bekannte Gesamtfunktion (Gleichung 2), also für den Betrieb mit Abgasrückführung, dienen. Das heißt in Gleichung 2 wird NO_x,REF durch NO_x,Cor ersetzt. Dadurch, dass die Gleichung 2 erst auf den Ausgangswert der Gleichung 1 angewendet wird, können beide Gleichungen bzw. die damit verbunden Korrekturen bei der Modellierung der NO_x-Rohemissionen unabhängig voneinander appliziert werden. 5 shows an embodiment of the known overall function represented by equation 2. As already explained above, the slope of the line 45 by a change in the fresh air temperature in the intake manifold 20 not changed, so that the correction function according to the invention (equation 1) is advantageously applied to the raw NOx emission without exhaust gas recirculation. And then the corrected with the inventive correction function nitrogen oxide NO _{x, Cor} as the output value for the known overall function (equation 2), ie for operation with exhaust gas recirculation serve. That is, in Equation 2, NO _{x, REF is} replaced by NO _{x, Cor} . Because equation 2 is first applied to the output value of equation 1, both equations or the corrections associated therewith can be applied independently of one another in the modeling of the NO _x raw emissions.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 1020090550585 [0004] DE 1020090550585 [0004]

Claims (10)

Verfahren zur Berechnung der NO_x-Rohemissionen (NO_x,AKT) einer Brennkraftmaschine (10) aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (10), wobei als wesentliche Betriebskenngröße eine Sauerstoffkonzentration (O_2,AKT) in einem Saugrohr (20) ermittelt wird und die Berechnung der NO_x-Rohemission (NO_x,AKT) in Abhängigkeit von der ermittelten Sauerstoffkonzentration (O_2,AKT) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturfunktion eine Abhängigkeit der NOx-Rohemission (NO_x,AKT) von einer im Saugrohr (20) herrschenden Temperatur (TAKT) berücksichtigt.Method for calculating the NO _x raw emissions (NO _x , AKT) of an internal combustion engine ( 10 ) from operating parameters of the internal combustion engine ( 10 ), wherein as an essential operating parameter an oxygen concentration (O _{2, AKT} ) in a suction tube ( 20 ) is determined and the calculation of the NO _x raw emission (NO _{x, AKT} ) in dependence on the determined oxygen concentration (O _{2, AKT} ), characterized in that a correction function of the NOx raw emission (NO _{x, AKT} ) of one in the intake manifold ( 20 ) prevailing temperature (TAKT). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfunktion folgender Gleichung genügt:

wobei NO_x,Cor, die korrigierte NO_x-Konzentration ist, die sich in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur T_Akt nach dem Ladeluftkühler (22) und der unter Referenzbedingungen erfassten Konzentration NO_x,Bas der NO_x-Rohemission bei der Temperatur T_Ref nach dem Ladeluftkühler (22) berechnen lässt und C eine Konstante ist.Method according to Claim 1, characterized in that the correction function satisfies the following equation:

where NO _{x, Cor} , the corrected NO _x concentration, which depends on the current temperature T _Akt after the intercooler ( 22 ) and the detected under reference conditions concentration NO _{x, base of} the NO _x -remission at the temperature T _Ref after the intercooler ( 22 ) and C is a constant. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der korrigierten NO_x-Konzentration (NO_x,Cor) die NO_x-Rohemission (NO_x,AKT) berechnet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that from the corrected NO _x concentration (NO _{x, Cor} ), the NO _x raw emission (NO _{x, AKT} ) is calculated. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter C eine brennkraftmaschinenspezifische Konstante ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter C is an engine-specific constant. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter C eine last- und/oder drehzahlabhängige Größe istMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter C is a load and / or speed-dependent variable Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter C durch einen Kennfeldzugriff ermittelt oder während des Betriebes der Brennkraftmaschine (10) berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameter C determined by a map access or during operation of the internal combustion engine ( 10 ) is calculated. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Saugrohr (20) herrschende Temperatur (T_akt) der Luft gleich der Temperatur (T_n,LLK) vor der Abgasrückführung (32) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the intake manifold ( 20 ) prevailing temperature (T _act ) of the air equal to the temperature (T _{n, LLK} ) before the exhaust gas recirculation ( 32 ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Saugrohr (20) herrschende Temperatur (T_akt) der Luft gleich der Temperatur (T_n,misch) nach der Abgasrückführung 32 ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the intake manifold ( 20 ) prevailing temperature (T _act ) of the air equal to the temperature (T _{n, mixed} ) after the exhaust gas recirculation 32 is. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.Computer program, characterized in that it is programmed for use in a method according to one of the preceding claims. Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.Control and / or regulating device for an internal combustion engine ( 10 ), characterized in that it is programmed for use in a method according to one of claims 1 to 8.

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