Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) in der mindestens einen Abgasleitung (1) vorgesehen sind.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Es soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas und damit eine genauere Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht wird, insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine.
Erreicht wird dies mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
■ ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt,
■ die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor (3) ermittelt wird,
■ die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für den Satz von Kennfeldern verwendet wird, um die aktuelle Rußkonzentration als Ausgangssignal auszulesen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen sind.

[0002] Des weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) vorgesehen sind.

[0003] Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.

[0004] Bei Ottomotoren kommen häufig katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.

[0005] Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.

[0006] Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren und auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt - d.h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel und eines Sauerstoffüberschusses - nicht reduziert werden.

[0007] Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) wird ein Oxidationskatalysator im Abgassystem vorgesehen. Zur Reduzierung der Stickoxide werden unter anderem selektive Katalysatoren - sogenannte SCR-Katalysatoren - eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.

[0008] Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren (LNT - Lean NO_x Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst - während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine - im Katalysator absorbiert d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase (deNO_x) beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden. Auf einen unterstöchiometrischen Betrieb kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im wesentlichen in Stickstoffdioxid (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt.

[0009] Die Beladung des Speicherkatalysators kann mit Hilfe von zwei NO_x-Sensoren abgeschätzt werden, indem ein NO_x-Sensor stromaufwärts des LNT und ein NO_x-Sensor stromabwärts des LNT angeordnet wird. Die Stickoxidmenge, die im Speicherkatalysator gespeichert wird, ergibt sich dabei aus den unterschiedlichen Stickoxidkonzentrationen im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des LNT. Alternativ kann ein Rechenmodell zur Abschätzung der Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine verwendet werden, das zusammen mit der Stickoxidkonzentration stromabwärts des LNT, die mittels NO_x-Sensor erfaßt werden kann, zur Bestimmung der LNT-Beladung herangezogen wird. Das Modell ersetzt dabei den zweiten, stromaufwärts des LNT vorgesehenen NO_x-Sensor in der zuvor beschriebenen Variante.

[0010] Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen einer Regeneration (deSoot) des Filters intermittierend verbrannt werden. Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes des Filters aufgrund der anwachsenden Beladung mit Rußpartikeln einstellt, mitbestimmt.

[0011] Zwar können grundsätzlich auch innermotorische Maßnahmen - wie eine optimierte Verbrennung - zur Reduzierung der Schadstoffemissionen herangezogen werden. Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen sind aber innermotorische Maßnahmen im Hinblick auf eine gleichzeitige Reduzierung der Ruß- und Stickoxidemission in der Regel nicht zielführend, da die hierzu notwendigen innermotorischen Randbedingungen zur Verringerung der Rußbildung einerseits und der Stickoxidbildung andererseits in einem Zielkonflikt zueinander stehen, was auch als trade-off bezeichnet wird.

[0012] D. h. die innermotorischen Maßnahmen, die zu einer Reduzierung der Stickoxidemission führen, bedingen in der Regel eine erhöhte Rußbildung bzw. Rußemission und umgekehrt.

[0013] Figur 1a zeigt diesen Zusammenhang, der charakteristisch ist für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen. Die Kreise stehen dabei für experimentell bestimmte Wertepaare umfassend eine gemessene spezifische Stickoxidemission und die dazu korrespondierende Rußemission der Brennkraftmaschine. Die Konzentrationen können beispielsweise als Massenkonzentration in Milligramm pro Gramm Abgas [mg/g] oder als Massenstrom in Gramm pro Stunde [g/hr] angegeben werden. Die Korrelation zwischen diesen beiden Emissionen wird durch die eingezeichnete Kurve wiedergegeben, die auch als Korrelations- oder Regressionskurve bzw. trade-off Kurve bezeichnet wird.

[0014] Die Lage der trade-off Kurve einer Brennkraftmaschine kann durch konstruktive Merkmale der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch die Anzahl der Ventile (2-Ventiler, 4-Ventiler) und das Einspritzsystem (Pumpe-Düse), sowie durch das Brennverfahren, beispielsweise durch die Ladungsbewegung (Drall) im Brennraum, beeinflußt werden, was in Figur 1b dargestellt ist. Durch eine entsprechend ausgelegte Turboaufladung (ATL) und/oder Abgasrückführung (AGR) lassen sich die Ruß- und Stickoxidemissionen ebenfalls - wenn auch in engen Grenzen - vermindern. Der Einfluß einer Abgasrückführung und einer Abgasturboaufladung auf die Emissionen ist aber vergleichsweise gering. Die sogenannte trade-off Kurve als solche d. h. ihr Verlauf bzw. ihre Gestalt bleibt bei den beispielhaft genannten und in Figur 1b dargestellten Variationen aber nahezu unverändert.

[0015] Folglich ist die trade-off Kurve für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine bestimmte Brennkraftmaschine, die unter Verwendung eines konkreten Brennverfahrens betrieben wird, charakteristisch.

[0016] Aufgrund des trade-off kann insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen nicht auf den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen der eingangs beschriebenen Art verzichtet werden, wobei einige dieser Abgasnachbehandlungssysteme - wie weiter oben bereits ausgeführt wurde - von Zeit zu Zeit eine Regeneration (Partikelfilter) bzw. eine Reinigung (LNT) erfordern, um eine ausreichende und effektive Abgasnachbehandlung sicherzustellen.

[0017] Da die Beladung eines Partikelfilters infolge Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel nach dem Stand der Technik nicht direkt meßbar ist, wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die momentane Beladung des Filters abzuschätzen. Die Beladung des Filters ist - gegebenenfalls zusammen mit weiteren Parametern - die maßgebliche Entscheidungsgrundlage zur Einleitung der Filterregeneration, weshalb die Kenntnis der Filterbeladung unerläßlich ist für eine Steuerung und Überwachung der Abgasnachbehandlung.

[0018] Ein Ansatz zur Bestimmung der Filterbeladung macht sich den Umstand zunutze, daß der Abgasgegendruck stromaufwärts des Filters mit anwachsender Beladung zunimmt und die Beladung des Filters mit der Druckdifferenz, die sich über den Filter in der Abgasleitung einstellt, in weiten Bereichen korreliert. Zur Ermittlung der Druckdifferenz wird stromaufwärts des Filters ein Drucksensor zur Erfassung des Abgasgegendrucks in der Abgasleitung vorgesehen und näherungsweise der Druck in der Abgasleitung stromabwärts des Filters dem Umgebungsdruck gleichgesetzt.

[0019] Bei höheren Lasten korreliert die Druckdifferenz aber nicht mehr mit der Beladung des Filters. Verantwortlich hierfür ist eine passive Regenration des Filters, bei der die im Abgas befindlichen Stickoxide den für die Verbrennung des Rußes erforderlichen Sauerstoff liefern. Die partielle d. h. lokal begrenzte Regenration des Filters führt zu einer Absenkung des Abgasgegendrucks, wohingegen die Beladung des Filters kaum abnimmt. Wird ungeachtet dessen auch bei höheren Lasten von einer Korrelation ausgegangen, führt dies bei der Abschätzung der momentanen Filterbeladung zu zu niedrigen Werten für die Beladung.

[0020] Daher kommt nach dem Stand der Technik zusätzlich ein Modell zur rechnerischen Bestimmung der Filterbeladung zum Einsatz, um die Untauglichkeit der zuvor beschriebenen Vorgehensweise bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine zu kompensieren. Eine Messung der Rußkonzentration - beispielsweise mittels Sensor - ist nach dem Stand der Technik nicht möglich, weil sie im Hinblick auf den Serieneinsatz nicht ausgereift und unter Kostengesichtspunkten nicht akzeptabel ist.

[0021] Mit dem Rechenmodell wird die Rußkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt d.h. rechnerisch abgeschätzt. Hierzu werden Kennfelder verwendet, die im stationären Betrieb auf dem Motorenprüfstand generiert werden und die Rußemissionen in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der beispielsweise durch die Drehzahl und die Last beschrieben wird, wiedergeben.

[0022] Die aus diesen Kennfeldern ausgelesene Rußkonzentration wird anschließend korrigiert, um beispielsweise den Einfluß der Kühlertemperatur und der Umgebungsbedingungen, nämlich dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur, auf die Rußbildung zu erfassen. Auch die Abweichung des tatsächlichen Luftverhältnisses von einem vorgegebenen Sollwert für das Luftverhältnis wird berücksichtigt, was insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen erforderlich ist, um eine qualitativ gute d. h. möglichst genaue Abschätzung der Rußkonzentration zu gewährleisten. Des weiteren wird eine eventuelle Abgasrückführung mit in Betracht gezogen, da die Rückführung von heißen Abgasen in den Brennraum die Rußbildung - wenn auch nur in geringem Maße - mitbeeinflußt.

[0023] Die mittels Rechenmodell abgeschätzte Rußkonzentration wird über die Zeit aufintegriert, wobei die auf diese Weise ermittelte Rußmasse der in der betrachteten Zeitspanne generierten Filterbeladung gleichgesetzt wird. Eine passive und/oder aktive Regeneration des Filters kann bei der Bestimmung der momentanen Filterbeladung ebenfalls berücksichtigt werden.

[0024] Die mittels dieses Rechenmodells vorhergesagte Filterbeladung kann prinzipbedingt nur als grober Anhaltswert betrachtet werden, da Abweichungen von den angenommenen Betriebsbedingungen nur unzureichend und näherungsweise - über einen Korrektur der ausgelesenen Werte - erfaßt werden. Die nach dem Stand der Technik eingesetzten Modelle führen häufig zu einer konservativen Abschätzung der Filterbeladung, wobei die vorhergesagte Filterbeladung höher ist als die tatsächlich vorliegende Filterbeladung. Folglich wird die Regeneration des Filters früher eingeleitet als eigentlich erforderlich, was als nachteilig anzusehen ist, da jede Filterregeneration mit einem Kraftstoffmehrverbrauch verbunden ist.

[0025] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas und damit eine genauere Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht wird und dies insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine.

[0026] Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) vorgesehen sind.

[0027] Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen sind, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß

■ ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt,

■ die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor ermittelt wird,

■ die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für den Satz von Kennfeldern verwendet wird, um die aktuelle Rußkonzentration als Ausgangssignal auszulesen.

[0028] Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich den Umstand zunutze, daß die Rußemission und die Stickoxidemission einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine miteinander korrelieren (siehe Figur 1a) und die Stickoxidemission im Abgas - im Gegensatz zu der Rußkonzentration - mittels eines Sensors, nämlich eines stromaufwärts des ersten Abgasnachbehandlungssystems angeordneten NO_x-Sensors, meßtechnisch erfaßt werden kann.

[0029] Ausgehend von der gemessenen Stickoxidkonzentration kann unter Hinzunahme entsprechender Kennfelder, welche den Zusammenhang (trade-off) zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration wiedergeben, auf die Rußkonzentration im Abgas geschlossen werden.

[0030] Vorteilhaft ist dabei, daß die trade-off Kurve (siehe Figur 1a) für eine konkrete Brennkraftmaschine, die mittels eines konkreten Brennverfahrens betrieben wird, charakteristisch ist d.h. in engen Grenzen allgemeingültigen Charakter hat und nur unwesentlich d.h. in einem vertretbaren Rahmen durch Änderungen im Luftverhältnis, in der Kühltemperatur, durch Änderungen der Abgasrückführrate und dergleichen beeinflußt wird.

[0031] Grundsätzlich besteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Möglichkeit im Rahmen der Generierung eines Kennfeld für einen konkreten Betriebspunkt - konstante Drehzahl und konstante Last - bewußt Variationen in einigen sekundären Betriebsparametern, beispielsweise im Luftverhältnis und /oder in der Abgasrückführrate, durchzuführen. Zwingend erforderlich ist dies aber nicht. Als sekundäre Betriebsparameter werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Betriebsparameter bezeichnet mit Ausnahme der Drehzahl und der Last.

[0032] Wird beispielsweise ein Kennfeld, das den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration wiedergibt, für einen konkreten Betriebszustand, der beispielsweise durch die Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschine definiert wird, erstellt, können gezielt Variationen im Luftverhältnis und der Abgasrückführung bei unveränderter Drehzahl und unveränderter Last durchgeführt werden. Die ausgehend von den gemessenen Konzentrationen ermittelte trade-off Kurve beinhaltet und berücksichtigt dann folglich die vorgenommen Variationen bzw. die durch die Variationen verursachten Änderungen im Emissionsverhalten.

[0033] Eine Korrektur der aus dem jeweiligen Kennfeld ausgelesenen Rußkonzentration - wie bei herkömmlichen Verfahren bzw. Rechenmodellen üblich und weiter oben beschrieben - ist nicht mehr erforderlich. Mit der Korrektur entfallen auch die durch die Korrektur hervorgerufenen Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Rußkonzentration.

[0034] Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist des weiteren, daß bei modernen direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen häufig bereits ein NO_x-Sensor vorhanden ist, da die Beladung eines in der Abgasleitung angeordneten Speicherkatalysators ebenfalls im Rahmen der Steuerung der Abgasnachbehandlung zu überwachen ist, was einen NO_x-Sensor zur meßtechnischen Erfassung der Stickoxidkonzentration im Abgas erforderlichen machen kann.

[0035] Daher entstehen durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzlichen Kosten für die Bereitstellung bzw. Anschaffung von Sensoren.

[0036] Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem eine im Vergleich zum Stand der Technik genauere Abschätzung der Rußkonzentration im Abgas ermöglicht wird, insbesondere bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine.

[0037] Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Unteransprüchen werden im folgenden erläutert.

[0038] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens zwei weiteren Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine die Drehzahl n und die Last, beispielsweise das indizierte Drehmoment T_ind, umfassen.

[0039] Vorteile bietet diese Ausführungsform, da die beiden Betriebsparameter - Drehzahl und indiziertes Drehmoment - in der Regel bereits vorliegen d.h. bekannt sind und nicht erst in einem zusätzlichen Verfahrenschritt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt bzw. gemessen werden müssen. So ist die Bestimmung der Drehzahl n bereits für die Synchronisierung von Zündung und Einspritzung erforderlich. Das indizierte Drehmoment T_ind wird häufig aus dem im Zylinder vorliegenden und gemessenen Druck ermittelt und beispielsweise im Rahmen der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung verwendet.

[0040] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das aktuelle Luftverhältnis λ der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird, indem unterschiedliche Kennfelder für den unterstöchiometrischen (λ < 1) und den überstöchiometrischen (λ > 1) Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.

[0041] Zwar ist der bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte trade-off von Stickoxidemission und Rußemission - wie oben ausgeführt - vergleichsweise unempfindlich gegenüber Änderungen im Luftverhältnis. Das Bereitstellen von unterschiedlichen Kennfeldern für den mageren und fetten Betrieb der Brennkraftmaschine kann aber dennoch sinnvoll sein. Zum einen falls das Luftverhältnis in weiten Bereichen variiert wird und es sich nicht um lediglich geringfügige Variationen handelt, sondern um größere Änderungen. Zum anderen werden nach dem Stand der Technik häufig innermotorische Maßnahmen eingesetzt, um beispielsweise die Abgastemperatur zum Zwecke einer Filterregeneration zu erhöhen oder aber das Abgas zur Reinigung eines Speicherkatalysators mit Kraftstoff anzureichern, was auch durch den Übergang von einem mageren zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen kann und häufig auch erfolgt.

[0042] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die aktuellen Rußkonzentrationen über die Zeit aufintegriert d. h. aufsummiert werden, um eine durch die im Abgas befindlichen Rußpartikel verursachte Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems infolge der Speicherung dieser Rußpartikel zu bestimmen.

[0043] Diese spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient damit nicht nur zur Bestimmung der momentanen Rußkonzentration im Abgas, sondern darüber hinaus zur Abschätzung der Rußbeladung eines zur Speicherung der Rußpartikel vorgesehenen ersten Abgasnachbehandlungssystems.

[0044] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine passive und/oder aktive Regeneration des ersten Abgasnachbehandlungssystems bei der Bestimmung der Beladung berücksichtigt wird.

[0045] Im Rahmen einer Regeneration und zwar sowohl im Rahmen einer aktiven Regeneration als auch im Rahmen einer passiven Regeneration wird zumindest ein Teil der im Filter gespeicherten Rußpartikel verbrannt bzw. oxidiert, so daß die Beladung des Filters mehr oder weniger umfangreich abgebaut wird. Auf die beiden unterschiedlichen Regenerationsarten wird im folgenden kurz eingegangen.

[0046] Die zur aktiven Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen - etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung - werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muß auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

[0047] Die Verbrennung der Partikel kann dabei durch im Abgastrakt vorgesehene Zusatzbrenner erfolgen oder aber durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so daß die Abgastemperatur der in den Abgastrakt ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird.

[0048] Der nacheingespritzte Kraftstoff kann auch unverbrannt und gegebenenfalls schon aufbereitet in den Abgastrakt ausgeschoben werden und dann gezielt lokal dort im Abgassystem oxidiert werden, wo hohe Abgastemperaturen notwendig sind, nämlich im Partikelfilter bzw. in seiner unmittelbaren Nachbarschaft.

[0049] Jedoch findet auch bei niedrigeren Temperaturen eine Regeneration, nämlich eine sogenannte passive Regeneration, des Filters statt, bei der im Abgas befindliche Stickoxide (NO_x) den Sauerstoff für die Oxidation d.h. die Verbrennung der im Filter gespeicherten Rußpartikel liefern und dabei gleichzeitig selbst zu Stickstoffdioxid (N₂) konvertiert werden.

[0050] Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen alternativ oder zusätzlich

■ die sich - infolge der Speicherung von Rußpartikeln - über das erste Abgasnachbehandlungssystem einstellende Druckdifferenz ermittelt wird, und

■ ausgehend von dieser Druckdifferenz die Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems mit Rußpartikeln infolge Speicherung von Rußpartikeln ermittelt wird, wozu die Korrelation zwischen Differenzdruck und Beladung herangezogen wird.

[0051] Diese Ausführungsform eröffnet die Möglichkeit, in den Fällen, in denen die Druckdifferenz und die Beladung zufriedenstellend miteinander korrelieren d.h. bei niedriger Last, die sich über das erste Abgasnachbehandlungssystem einstellende Druckdifferenz zur Bestimmung der Filterbeladung heranzuziehen und bei höheren Lasten, bei denen sich diese Vorgehensweise als ungeeignet erwiesen hat, die Filterbeladung mittels der über die Zeit aufintegrierten Rußkonzentrationen im Abgas zu bestimmen, wobei die momentane Rußkonzentration durch Messung der Stickoxidkonzentration unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes (trade-off) ermittelt wird.

[0052] Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung ein erstes Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) vorgesehen sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Motorsteuerung vorgesehen ist, die dazu angepaßt ist, einen mehrere Kennfelder umfassenden Satz von Kennfeldern, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, in der Art zu verwenden, daß mittels der aktuellen, vom Sensor erfaßten Stickoxidkonzentration und mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, die aktuelle Rußkonzentration aus dem Satz von Kennfeldern bestimmbar ist.

[0053] Das für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt in analoger Weise auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.

[0054] Die Motorsteuerung der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine muß in einer Art angepaßt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. D. h. die Motorsteuerung muß fähig sein, anhand einer im Abgas gemessenen NO_x-Konzentration und weiterer Parameter, die als Eingangssignale bereitgestellt werden, unter Verwendung verschiedener Kennfelder die korrespondierende Rußkonzentration als Ausgangssignal zu liefern.

[0055] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das erste Abgasnachbehandlungssystem zur Speicherung der Rußpartikel ein Partikelfilter ist.

[0056] Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, bei denen ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion der im Abgas befindlichen Stickoxide in der mindestens einen Abgasleitung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) stromaufwärts dieses weiteren Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist.

[0057] Der weiter oben bereits mehrfach erwähnte trade-off bezieht sich auf die Rußemissionen und Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine im nicht nachbehandelten Abgas d.h. auf den funktionalen Zusammenhang der Emissionen bevor die heißen Abgase einer Abgasnachbehandlung zugeführt werden. Aus diesem Grund sollte der NO_x-Sensor an einer Stelle in der Abgasleitung vorgesehen werden, die stromaufwärts der Abgasnachbehandlungssysteme liegt.

[0058] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein Speicherkatalysator (LNT) oder ein SCR-Katalysator ist. Diese beiden Systeme haben sich als geeignet erwiesen für die Reduktion von Stickoxiden (NO_x) im Abgas einer Brennkraftmaschine und werden bereits bei der Serienfertigung eingesetzt.

[0059] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gemäß den Figuren 1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1a

schematisch und beispielhaft den funktionalen Zusammenhang (trade-off) zwischen den Stickoxidemissionen und den Rußemissionen für eine direkteinspritzenden Brennkraftmaschine,

Fig. 1b

schematisch und beispielhaft den Einfluß konstruktiver Merkmale der Brennkraftmaschine und des Brennverfahrens auf den in Figur 1a dargestellten funktionalen Zusammenhang (trade-off), und

Fig. 2

schematisch einen Teil einer ersten Ausführungsform einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.

[0060] Die Figuren 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Standes der Technik erörtert.

[0061] Figur 2 zeigt schematisch den Abgastrakt einer ersten Ausführungsform einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mitsamt Motorsteuerung 4.

[0062] Die Abgasleitung 1 dient dem Abführen der Abgase aus den Zylindern der Brennkraftmaschine. In der Abgasleitung 1 ist ein erstes Abgasnachbehandlungssystem 2 zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel vorgesehen, wobei als Abgasnachbehandlungssystem 2 ein Partikelfilter 5 zum Einsatz kommt.

[0063] In der Abgasleitung 1 ist stromaufwärts des Partikelfilters 5 ein Sensor 3 zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) im Abgas angeordnet. Dieser NO_x-Sensor 3 liefert die momentane Stickoxidkonzentration als Eingangssignal an eine Motorsteuerung 4, welche die Stickoxidkonzentration zusammen mit weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für einen Satz von Kennfeldern verwendet und die aktuelle Rußkonzentration ausliest und als Ausgangssignal bereitstellt.

[0064] Bei der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform dienen die Drehzahl n der Brennkraftmaschine, das indizierte Drehmoment T_ind und das momentane Luftverhältnis λ als weitere Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine.

[0065] In der Motorsteuerung 4 sind mehrere Kennfelder d.h. ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern abgelegt d.h. gespeichert. Diese Kennfelder geben den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wieder. Gegebenenfalls beinhalten diese Kennfelder Variationen in der Abgasrückführung und dem Luftverhältnis.

Bezugszeichen

[0066] 

1

Abgasleitung

2

erstes Abgasnachbehandlungssystem

3

Sensor, NO_x-Sensor

4

Motorsteuerung

5

Partikelfilter

AGR

Abgasrückführung

CO

Kohlenmonoxid

CO₂

Kohlendioxid

de NO_x

Reinigung des Speicherkatalysators

deSoot

Regeneration des Partikelfilters

HC

unverbrannte Kohlenwasserstoffe

H₂O

Wasser

n

Drehzahl

N₂

Stickstoffdioxid

NO_x

Stickoxide

LNT

Lean NO_x Trap

SCR

Selective Catalytic Reduction

Soot

Ruß, Rußpartikelkonzenration

T_ind

indiziertes Drehmoment

λ

Luftverhältnis

Ansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist und bei der ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der im Abgas befindlichen Rußpartikel und ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) in der mindestens einen Abgasleitung (1) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß

■ ein mehrere Kennfelder umfassender Satz von Kennfeldern bereitgestellt wird, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt,

■ die aktuelle Stickoxidkonzentration im Abgas mittels Sensor (3) ermittelt wird,

■ die auf diese Weise ermittelte aktuelle Stickoxidkonzentration zusammen mit mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, als Eingangssignale für den Satz von Kennfeldern verwendet wird, um die aktuelle Rußkonzentration als Ausgangssignal auszulesen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei weiteren Parameter zur Beschreibung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine die Drehzahl n und das indizierte Drehmoment T_ind umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktuelle Luftverhältnis λder Brennkraftmaschine berücksichtigt wird, indem unterschiedliche Kennfelder für den unterstöchiometrischen (λ < 1) und den überstöchiometrischen (λ > 1) Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuellen Rußkonzentrationen über die Zeit aufintegriert werden, um eine durch die im Abgas befindlichen Rußpartikel verursachte Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) infolge der Speicherung dieser Rußpartikel zu bestimmen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine passive und/oder aktive Regeneration des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) bei der Bestimmung der Beladung berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich

■ die sich - infolge der Speicherung von Rußpartikeln - über das erste Abgasnachbehandlungssystem (2) einstellende Druckdifferenz ermittelt wird, und

■ ausgehend von dieser Druckdifferenz die Beladung des ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) mit Rußpartikeln infolge Speicherung von Rußpartikeln ermittelt wird, wozu die Korrelation zwischen Differenzdruck und Beladung herangezogen wird.

7. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung (1) zum Abführen der Abgase aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei in der mindestens einen Abgasleitung (1) ein erstes Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der Rußpartikel und stromaufwärts dieses ersten Abgasnachbehandlungssystems (2) ein Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Motorsteuerung (4) vorgesehen ist, die dazu angepaßt ist, einen mehrere Kennfelder umfassenden Satz von Kennfeldern, welcher den funktionalen Zusammenhang zwischen der Rußkonzentration und der Stickoxidkonzentration für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine wiedergibt, in der Art zu verwenden, daß mittels der aktuellen, vom Sensor (3) erfaßten Stickoxidkonzentration und mindestens zwei weiteren Parametern, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreiben, die aktuelle Rußkonzentration aus dem Satz von Kennfeldern bestimmbar ist.

8. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Speicherung der Rußpartikel ein Partikelfilter (5) ist.

9. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, bei der ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion der im Abgas befindlichen Stickoxide in der mindestens einen Abgasleitung (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) zur Erfassung der Stickoxidkonzentration (NO_x) stromaufwärts dieses weiteren Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist.

10. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein Speicherkatalysator (LNT) ist.

11. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Abgasnachbehandlungssystem ein SCR-Katalysator ist.

Zeichnung