Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Abgastemperatur einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sowie eine direkteinspritzende Brennkraftma- schine mit einer solchen Steuerung.

Die Temperatur des aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgases ist von besonderer Bedeutung für die im Abgasstrang sich anschließenden Einrichtungen und Aggregate. Insbesondere Abgasnachbehandlungseinrichtungen benötigen teil- weise Mindesttemperaturen für eine effiziente Abgasreinigung. Darüber hinaus sind teilweise auch zur Regenerierung von Abgasnachbehandlungen Mindesttemperaturen erforderlich, die möglichst effizient zu erzielen sind. Auf der anderen Seite dürfen bestimmte Temperaturgrenzen nicht überschritten werden, um Bauteile, wie zum Beispiel die Turbine eines Turboladers, thermisch nicht zu überlasten.

Die Temperatur des aus einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine austretenden Abgases entspricht der Temperatur nach Auslassventil beziehungsweise, sofern ein Turbolader der Brennkraftmaschine direkt nachgeschaltet ist, der Temperatur vor Turbine des Turboladers. Diese Temperatur wird üblicherweise durch bereits be- kannte Regelungsverfahren geregelt. Jedoch treten bei jedem Regelkreis Verzögerungen der Regelung der Regelgröße auf, da diese zunächst ermittelt beziehungsweise gemessen werden muss, um dann in der Rückführung dem Regler wieder zugeführt zu werden. Um diesem Problem zu begegnen, schlägt WO 2009/1 12056 A1 vor, ein Temperaturmodell eines Gases in einem Brennraum eines Zylinders vorzu- sehen, um die Temperatur eines aus dem Brennraum des Zylinders austretenden Abgases prädiktiv zu bestimmen und einem Regler zuzuführen. Bei der dort be- schriebenen Brennkraftmaschine ist ferner ein HC-Emissionsmodell vorgesehen, um die HC-Emission eines aus dem Brennraum austretenden Abgases zu bestimmen. Dies wird dazu verwendet, um die Regenerierung einer Abgasreinigungsanlage, insbesondere eines Partikelfilters, zu regeln.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases prädiktiv bei vorgegebener Last zu bestimmen und real einzustellen. Der Motor soll derart betrieben werden, dass sich eine vorbestimmte Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases einstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung der Abgastemperatur einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gelöst, bei dem die verbrennende Kraftstoffeinspritzung in mehrere einzelne Einspritzungen aufgeteilt wird und

bei dem die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases bei vorgegebener Last durch Einstellen der Lage des Flächenschwerpunkts der Wärmefreisetzung und der Einspritzmenge der gesamten verbrennenden Kraftstoffeinspritzung mittels zumindest eines Modells prädiktiv bestimmt wird. Ferner wird die Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit für die Steuerung der Temperatur eines aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases gemäß dem vorgenannten Verfahren gelöst.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Temperatur des aus der Brenn- kraftmaschine austretenden Abgases prädiktiv bestimmt, also gesteuert wird. Somit lässt sich die Temperatur deutlich schneller einstellen, so dass es selbst bei überlagertem Regelkreis nur zu äußerst geringen Über- oder Unterschwingungen der einzustellenden Temperatur kommt. Mit den verbrennenden Kraftstoffeinspritzungen sind alle Drehmoment bildenden Kraftstoffeinspritzungen gemeint. Nicht umfasst sind Nacheinspritzungen, die nicht mehr verbrennen und lediglich dazu dienen, HC-Emissionen für anschließende Abgasnachbehandlungseinrichtungen bereitzustellen. Die vorgegebenen Last ist abhängig vom angeforderten Mitteldruck der Brennkraftmaschine. Die Lage des Flä- chenschwerpunkts der Wärmefreisetzung ist auf den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine bezogen. Der Verlauf der Einspritzung hat einen bestimmten Verlauf der Umsetzung, das heißt der Verbrennung zur Folge. Hieraus ergibt sich, bezüglich der Lage zumindest annähernd identisch, ein Verlauf der Wärmefreisetzung, dessen Fläche einen Schwerpunkt aufweist, dessen Lage bezogen auf den Kurbelwinkel anhand des Integrals der Wärmefreisetzung bestimmt werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass es zu einem angeforderten Mitteldruck, das heißt bei vorgegebener Last, bei mehreren verbrennenden Einspritzungen grundsätzlich mehrere Kombinationen der Mengenverteilung auf die einzelnen Einspritzungen gibt. Je nach Mengenverteilung auf die einzelnen Einspritzungen verschiebt sich die Lage des Flächenschwerpunkts der Wärmefreisetzung und damit auch die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases. Bei einer Verschiebung der Lage des Flächenschwerpunkts der Wärmefreisetzung in Richtung„früh", d.h. zu einem Kurbelwinkel kurz nach dem oberen Totpunkt, nimmt die Abgastemperatur ab. Bei einer Verschiebung in Richtung„spät", d.h. zu einem größeren Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, nimmt die Abgastemperatur zu. Wird nun die gewünschte Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases festgelegt, so verbleibt nur noch eine mögliche Mengenverteilung und damit eine Lage des Flächenschwerpunkts der Wärmefreisetzung. Dies wird genutzt, um prädiktiv die optimalen Einspritzmengen für die einzelnen Einspritzungen festzulegen.

Hierbei wird zum Einstellen der Lage des Flächenschwerpunkts der Wärmefreiset- zung und der Einspritzmenge ein Wärmefreisetzungsmodell eingesetzt, mittels dessen die Wärmefreisetzung der jeweiligen Einspritzungen vorhersagbar ist.

Ferner wird ein Temperaturmodell eingesetzt, mittels dessen die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases auf Basis der Lage des Flächen- Schwerpunkts der Wärmefreisetzung prädiktiv vorhersagbar ist.

Zur Erhöhung der Genauigkeit kann ein Regelkreis überlagert werden. Die einzelnen Lagen der prädiktiv bestimmten Einspritzungen können mittels dieses Reglers, zum Beispiel eines Verbrennungslagereglers, justiert werden. Für ein Verbrennungslageregler sind Brennraumdrucksensoren vorzusehen, mittels derer der Brennraumdruck gemessen werden kann. Vorzugsweise ist die Kraftstoffeinspritzung in eine Haupteinspritzung und eine Nacheinspritzung aufgeteilt. Grundsätzlich sind jedoch auch mehrere Nacheinspritzungen und/oder eine oder mehrere Voreinspritzungen denkbar.

Sofern ein Turbolader vorgesehen ist, wird die Temperatur vor der Turbine des Tur- boladers durch Steuern der Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases gesteuert.

Insbesondere bei Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie zum Beispiel Partikelfiltern, wird die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases derart gesteuert, dass eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung möglichst effizient durchgeführt werden kann. Möglichst effizient heißt, dass ein möglichst geringer Kraftstoffbedarf für die Regeneration eintritt.

Die vorgeschlagene Steuerung der Abgastemperatur kann sich auf einen einzelnen Brennraum der Brennkraftmaschine oder auf eine Gruppe von Brennräumen bzw. Zylindern beziehen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasanlage,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs,

Figur 3 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen Temperatur des

Abgases über Einspritzmenge und Wärmefreisetzungsschwerpunktlage zeigt, Figur 4 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen Mitteldruck über Einspritzmenge und Wärmefreisetzungsschwerpunktlage zeigt und

Figur 5 ein Diagramm, welches die Einspritzmenge über die Wärmefreisetzungs- schwerpunktslage in Abhängigkeit einer vorgegebenen Abgastemperatur und eines vorgegebenen Mitteldrucks zeigt.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage 1 . Eine Dieselbrennkraftmaschine 2 ist mit einem ersten Abgasrohr 3 verbun- den, welches zu einer Turbine 4 eines Turboladers führt. Das erste Abgasrohr 3 kann einen oder mehrere Abgaskrümmer enthalten, in denen die Abgasströme verschiedenen Brennräume beziehungsweise Zylinder der Dieselbrennkraftmaschine 2 zusammengeführt werden. Hier können ferner weitere Bauteile, wie zum Beispiel AGR- Ventile und -abzweigungen vorgesehen sein.

Die Turbine 4 ist über ein zweites Abgasrohr 5 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in Form eines Oxidationskatalysators 6 und eines Partikelfilters 7 verbunden. Hieran schließt sich ein drittes Abgasrohr 8 an. Sowohl in dem zweiten Abgasrohr 5 als auch in dem dritten Abgasrohr 8 können weitere Bauteile vorgesehen sein.

Um die Temperatur des aus der Dieselbrennkraftmaschine 2 austretenden Abgases vor der Turbine 4, welche üblicherweise mit T ₃ bezeichnet wird, im ersten Abgasrohr 3 zu steuern, ist ein Verfahren auf Basis des in Figur 2 dargestellten Verfahrensablaufs vorgesehen. Gemäß Figur 2 wird im Verfahrensschritt 10 mittels eines Wärme- freisetzungsmodells 1 1 und mittels eines Temperaturmodells 12 aus einem vorgegebenen indizierten Mitteldruck PMI, einer vorgegebenen Temperatur T ₃ des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases, der aktuellen Temperatur T _Sa ug der angesaugten Luft und der Luftmasse m _zy i in dem oder den Zylinder(n) die Lage aQ50 des Flächenschwerpunktes der Wärmefreisetzung sowie die gesamte Einspritzmen- ge qinj bestimmt.

In Verfahrensschritt 9 wird vorher aus der vorgegebenen Temperatur T ₃ des Abgases und der Temperatur T _S au _g der angesaugten Luft die Differenztemperatur T _De ita errechnet, die vom Einlassventil zum Auslassventil erreicht werden muss. In Verfahrensschritt 13 werden dann aus Lage aQ50 des Flächenschwerpunktes der Wärmefreisetzung und der gesamten Einspritzmenge q _in j sowie den Lagen phi _M i und phipoi der einzelnen Einspritzbeginne die Einspritzmengen q _M i und qp ₀ i der einzelnen Einspritzungen ermittelt.

Als Basis für das Verfahren dienen, wie in Figur 3 dargestellt, die sich ergebenden Zusammenhänge der Abgastemperatur T ₃ über die gesamte Einspritzmenge q _in j und der Wärmefreisetzungsschwerpunktlage aQ50. Zu erkennen ist, dass bei steigender Einspritzung q _in j die Abgastemperatur T ₃ ansteigt. Ferner steigt die Temperatur T ₃ kontinuierlich an, wenn die Einspritzmenge q _in j konstant ist und die Wärmefreiset- zungsschwerpunktlage aQ50 in Richtung„spät" verstellt wird.

Figur 4 zeigt den Zusammenhang des Mitteldrucks PMI über die gesamte Einspritz- menge q _in j und die Wärmefreisetzungsschwerpunktlage aQ50. Zu erkennen ist hier, dass mit steigender Einspritzmenge q _in j der Mitteldruck PMI steigt. Ferner fällt der Mitteldruck PMI bei konstanter Einspritzmenge q^, wenn die Wärmefreisetzungs- schwerpunktlage aQ50 Richtung„spät" verstellt wird. Aus den Figuren 3 und 4 können die Abhängigkeit der gesamten Einspritzmenge q _in j über die Wärmefreisetzungsschwerpunktlage aQ50 gemäß Figur 5 abgeleitet werden. Aus dem Zusammenhang gemäß Figur 3 lässt sich die Abhängigkeit der gesamten Einspritzmenge q _in j über die Wärmefreisetzungsschwerpunktlage aQ50 bei konstanter Abgastemperatur T ₃ ableiten. Aus dem Zusammenhang gemäß Figur 4 lässt sich die Abhängigkeit der gesamten Einspritzmenge q^ über die Wärmefreiset- zungsschwerpunktlage aQ50 bei konstantem Mitteldruck PMI ableiten. Hieraus ergibt sich das in Figur 5 dargestellte Diagramm, wonach sich bei vorgegebener Temperatur T ₃ und einem vorgegebenen Mitteldruck PMI nur eine gesamte Einspritzmenge qinj bei einer bestimmten Wärmefreisetzungsschwerpunktlage aQ50 ergibt. Diese ge- samte Einspritzmenge q^ wird dann in Abhängigkeit der Wärmefreisetzungsschwer- punktlage aQ50 auf die einzelnen Einspritzungen aufgeteilt. Bezugszeichenliste

1 Brennkraftmaschine mit Abgasanlage

2 Dieselbrennkraftmaschine

3 erstes Abgasrohr

4 Turbine

5 zweites Abgasrohr

6 Oxydationskatalysator

7 Partikelfilter

8 drittes Abgasrohr

9 Verfahrensschritt

10 Verfahrensschritt

1 1 Wärmefreisetzungsmodell

12 Temperaturmodell

13 Verfahrensschritt aQ50 Wärmefreisetzungsschwerpunktlage

m _zy i Masse der angesaugten Luft

phi _M i Einspritzbeginn der Haupteinspritzung

phipoi Einspritzbeginn der Nacheinspritzung

PMI indizierter Mitteldruck

Qinj gesamte Einspritzmenge

CjMI Einspritzmenge der Haupteinspritzung

CjPol Einspritzmenge der Nacheinspritzung

T ₃ Temperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases

Tüelta Differenztemperatur über Brennkraftmaschine

Tsaug Temperatur der angesaugten Luft