Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sowie eine solche Brennkraftmaschine.

Die Temperatur des aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgases ist von besonderer Bedeutung für die im Abgasstrang sich anschließenden Einrichtungen und Aggregate. Insbesondere Abgasnachbehandlungseinrichtungen benötigen teilweise 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. Ferner werden durch aktuelle und zukünftige Abgasgesetzgebungen immer höhere Anforderungen an Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren gestellt. Um die emittierten Partikelemissionen zu senken, haben sich geschlossene Partikelfilter weitestgehend auf dem Markt etabliert. Der Einsatz solcher Filter macht es notwendig, diese in bestimmten Intervallen zu regenerieren. Diese Regeneration bedarf ei- ner genauen und möglichst schnellen Einstellung der Temperatur des Abgases, um die Regenerationszeiten möglichst gering zu halten und Schäden am Partikelfilter zu vermeiden. Hierzu werden neben eine Spätverstellung der Haupteinspritzung auch spätere, sogenannte Nacheinspritzungen verwendet. Das Zusammenspiel der Haupteinspritzung und frühen Nacheinspritzung, die beide verbrennen also umge- setzt werden und momentenbilden sind, muss während der Kalibrierung in aufwändigen Tests auf alle möglichen Umgebungsbedingungen angepasst werden. DE 10 2006 015 503 A1 beschreibt Verfahren zur Regelung des Einspritzverlaufes einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, wobei die Regelung eine Änderung des Einspritzverlaufs zumindest während eines ersten Arbeitszyklus auf Basis zu- mindest eines während des ersten Arbeitszyklus aufgenommenen Parameters bewirkt. Es ist ein Verbrennungsregler vorgesehen, der auf Basis der Verbrennungsschwerpunktlage den Einspritzbeginn und die Einspritzcharakteristik regelt. Die Verbrennungsschwerpunktlage wir hierbei in der Regel nach der Umsetzung von 50 % der eingespritzten Kraftstoffmenge angenommen, auch wenn dies bezogen auf die integrierte Fläche der Umsatzrate nicht exakt ist. Zur Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage werden Brennraumdrucksensoren eingesetzt, mittels derer aus dem Brennraumdruck auf die Umsatzrate geschlossen werden kann.

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 bekannte Regelungsverfahren geregelt. Jedoch treten bei jedem Regelkreis Verzögerungen der Regelung der Regelgröße auf, da diese zunächst ermittelt beziehungs- weise 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 vorzusehen, 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. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und genaues Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gelöst, bei dem die verbrennende Kraftstoffeinspritzung in mehrere einzelne Einspritzungen aufgeteilt wird und bei dem die Motorabgastemperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases bei vorgegebener Last durch Regeln des Umsatzratenflächen- schwerpunktes und der gesamten Einspritzmenge aller verbrennenden Kraftstoffein- spritzungen geregelt wird.

Im Unterscheid zu bisherigen Verfahren wird die Schwerpunktlage der Fläche der Umsatzrate herangezogen, und nicht die Lage der Umsetzung von 50 % des eingespritzten Kraftstoffen, was bereits zu einer höheren Genauigkeit führt. Dies ist u.a. darauf zurück zu führen, dass bei mehreren Einspritzungen durch Verschiebung der Lage einer der Einspritzungen sich die Lager der Umsetzung von 50 % des Kraftstoffs unter Umständen sprunghaft ändert.

Dies ist u.a. darauf zurück zu führen, dass bei mehreren Einspritzungen durch Ver- Schiebung der Lage einer der Einspritzungen die Lager der Umsetzung von 50 % des Kraftstoffs unter Umständen nicht verlagert wird, z.B. wenn diese genau zwischen den einzelnen Einspritzungen liegt, sich aber der Flächenschwerpunkt der Umsetzung bezogen auf alle Einspritzungen sehr wohl verlagert. Darüber hinaus wird im Regelkreis bereits dieser Umsatzratenflächenschwerpunktes geregelt. Regelgröße ist daher bereits der Umsatzratenflächenschwerpunktes, wodurch eine schneller ansprechende Regelung realisierbar ist.

Vorzugsweise wird aus einem vorgegebenen Sollwert der Motorabgastemperatur und einem gemessenen Istwert der Motorabgastemperatur eine erforderliche Temperaturdifferenz ermittelt, und hieraus mittels eines Reglers ein Korrekturwert für den Umsatzratenflächenschwerpunkt geregelt.

Aus dem Korrekturwert für den Umsatzratenflächenschwerpunkt und einem Sollwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes wird ein korrigierter Sollwert des Umsatzra- tenflächenschwerpunktes bestimmt.

Ferner werden aus dem korrigierten Sollwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes und einem Istwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes ein Differenzwert für den Umsatzratenflächenschwerpunkt ermittelt und auf Basis dieses Differenzwertes mittels eines Reglers die Lage der einzelnen Einspritzungen und/oder die Einspritzmengenverteilung der gesamten Einspritzmenge auf die einzelnen Einspritzungen geregelt.

Hierbei kann der Sollwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes kennfeldbasiert ermittelt wird.

Der Istwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes wird vorzugsweise mittels eines Verbrennungsmodells oder aus gemessenen Druckverläufen des Brennraumdrucks ermittelt. Der Einsatz eines Modells hat den Vorteil, dass der Istwert prädiktiv ermittelt werden kann.

Vorzugsweise wird ferner die Last, also der indizierte Mitteldruck, bei der Regelung ebenfalls hinzugezogen, wobei aus einem Sollwert der Last und einem Istwert der Last eine erforderliche Lastdifferenz ermittelt wird und hieraus mittels eines Reglers die gesamte Einspritzmenge geregelt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass unmittelbar mittels eines Reglers in Abhängigkeit eines Differenzwert für den Umsatzratenflächenschwerpunkt ein Korrekturwert für die gesamte Einspritzmenge geregelt wird und aus diesem und der gesamten Einspritzmenge eine korrigierte gesamte Einspritzmenge bestimmt wird.

Die Aufgabe wird ferner durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einer Regeleinheit für die Regelung der Motorabgastemperatur eines aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gelöst.

Hierbei kann im Abgasstrang ein Turbolader vorgesehen sein und die Motorabgastemperatur des Abgases vor der Turbine des Turboladers regelbar sein.

Es kann ferner eine Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen sein, bei der es sich zum Beispiel um einen Partikelfilter, einen NOx-Speicherkatalysator oder einen SCR-Katalysator handeln kann, wobei durch Regelung der Motorabgastemperatur eine für die Abgasnachbehandlungseinrichtung erforderliche Temperatur, zum Bei- spiel für eine Regeneration, einstellbar ist.

Für eine Verbrennungslageregelung kann zumindest ein Brennraumdrucksensor vorgesehen sein. Darüber hinaus können Temperatursensoren für die Bestimmung der Motorabgastemperatur vorgesehen sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Hierin zeigen:

Figur 1 eine Gesamtstruktur einer Regelung nach einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 die Gesamtstruktur einer Regelung nach einer zweiten Ausführungsform, Figur 3 einen beispielhaften Umsatzratenverlauf,

Figur 4 den Brennverlauf bei einem Umsatzratenverlauf gemäß Figur 3 und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasanla- ge.

Figur 1 zeigt eine Regelung für ein Sonderbrennverfahren, zum Beispiel für den Par- tikelfilterregenerationsbetrieb eines Dieselmotors. Die Regelung umfasst zwei separate Regelkreise 1 , 2. Einen ersten Regelkreis 1 für die integrale Lage der Verbren- nung, das heißt dem Umsatzratenflächenschwerpunkt, und einen zweiten Regelkreis 2 für die Last, welche zum Beispiel durch den indizierten Mitteldruck oder das innere Moment bestimmt ist.

Im ersten Regelkreis 1 sind insgesamt zwei Regler vorgesehen. Einem ersten Regler 3 wird eine Regelabweichung aus dem Sollwert der Temperatur vor Turbine als Führungsgröße und dem Istwert der Temperatur vor Turbine als Rückführung zugeführt. Die Temperatur vor Turbine entspricht hierbei der Motorabgastemperatur des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases. Mit Hilfe des ersten Reglers 3 wird ein Korrekturwert für den Umsatzratenflächenschwerpunkt ermittelt, über welchen der Sollwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes, welcher zum Beispiel aus einem Kennfeld entnommen werden kann, korrigiert wird. Der aktuelle Istwert des Um- satzratenflächeschwerpunktes kann aus dem gemessenen oder modellierten Druckverlauf mit Hilfe eines thermodynamischen Modells des Brennraums ermittelt wer- den. Der Istwert des Umsatzratenflächenschwerpunktes wird mit dem korrigierten Sollwert verglichen, worauf ein zweiter Regler 4 ein Einspritzprofil entsprechend der Vorgaben verändert. Das Einspritzprofil kann die Lagen der einzelnen Einspritzungen, wie zum Beispiel der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung, umfassen. Ferner kann dieses die Einspritzmengenverteilung auf die einzelnen Einspritzungen umfassen. Für einen robusten, transienten Betrieb kann der Regelkreis um eine Kennfeld basierte beziehungsweise modellbasierte Vorsteuerung ergänzt werden.

Der erste Regelkreis 1 verändert den Sollwert des Umsatzratenflächenschwerpunk- tes demnach so, dass die gewünschte Temperatur vor Turbine eingeregelt wird. Der zweite Regelkreis 2 regelt die Last. Hierzu ist ein dritter Regler 5 vorgesehen. Die Regelabweichung für den dritten Regler 5 ermittelt sich aus dem Sollwert der Last, zum Beispiel in dem indizierten Mitteldruck, und dem Istwert der Last und wird dem dritten Regler 5 zugeführt. Hieraus wird eine Gesamteinspritzmenge ermittelt. Da die beiden Regelkreise 1 , 2 stark gekoppelt sind, kann die Gesamtstruktur durch ein Entkopplungsglied 6 ergänzt werden. Hier kann auf Basis der Regelabweichung des Umsatzratenflächenschwerpunkts auf Basis des korrigierten Sollwerts des Um- satzratenflächenschwerpunktes und des Istwerts des Umsatzratenflächenschwerpunkts im Entkopplungsglied 6 eine Vorregelung stattfinden, um die Gesamtein- spritzmenge hinter dem dritten Regler 5 zu korrigieren. Bei dem Entkopplungsglied kann es sich zum Beispiel um ein DT1 Glied handeln.

Figur 2 zeigt eine Regelung gemäß Figur 1 , wobei übereinstimmende Elemente mit den selben Bezugszeichen versehen sind. In der Regelung gemäß Figur 2 ist jedoch kein Entkopplungsglied vorgesehen. Vielmehr ist ein Verbrennungsmodell 8 vorgesehen, welches als Eingangsgrößen die Sollwerte für die Temperatur vor Turbine und für die Last aufweist. Aus dem Verbrennungsmodell 8 wird ein Sollwert des Um- satzratenflächenschwerpunktes ermittelt sowie eine Vorkorrektur der Gesamteinspritzmenge, so dass das Verbrennungsmodell 8 neben der Lieferung des Sollwerts auch zu einer Entkopplung der beiden Regelkreise 1 , 2 dient.

Figur 3 zeigt beispielhaft einen Umsatzratenverlauf mit einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung, die beide verbrannt also umgesetzt werden und somit dreh- momentbildend sind. Der Umsatzratenverlauf ist über den Kurbelwinkel dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass beim Kurbelwinkel kurz vor 200° die Haupteinspritzung stattfindet und zwischen 225° und 250° die Nacheinspritzung stattfindet. Der entsprechende Brennverlauf ist in Figur 4 dargestellt. Der Brennverlauf gibt an, wie viel Prozent der gesamten Einspritzmenge umgesetzt beziehungsweise verbrannt wurde. In Figur 3 ist zudem der Umsatzratenflächenschwerpunkt angegeben. Dieser berechnet sich auf Basis des Schwerpunktes der Flächen unterhalb der Kurve des Umsatzratenverlaufs. Dieser liegt zwischen 200° und 225°. In Figur 4 ist hingegen zu erkennen, dass 50 % der Einspritzmenge bei einer Lage nach 225° umgesetzt sind. Die beiden Werte, das heißt der Umsatzratenflächenschwerpunkt und die Lage des Umsatzes von 50 % des Kraftstoffs liegen deutlich auseinander. Würde nun die Einspritzmenge der Haupteinspritzung geringfügig erhöht werden und die Einspritzmenge nach Einspritzung entsprechend reduziert werden, würde die Kurve des Brennverlaufs gemäß Figur 1 ihren Sattelpunkt 7 verlagern. Der Sattelpunkt 7 würde ansteigen, zum Beispiel auf einen Wert über 0,5. Somit würde die Lage des Umsatzes von 50 % des Kraftstoffes sprunghaft von über 225° auf deutlich unter 225° verschoben werden. Der Umsatzratenflächenschwerpunkt hingegen würde sich kaum verändern. Dies macht deutlich, dass das Heranziehen des Umsatzratenflächenschwerpunktes eine deutlich stabilere und robustere Regelung zur Folge hat. Figur 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage 9. Eine Dieselbrennkraftmaschine 10 ist mit einem ersten Abgasrohr 1 1 verbunden, welches zu einer Turbine 12 eines Turboladers führt. Das erste Abgasrohr 1 1 kann einen oder mehrere Abgaskrümmer enthalten, in denen die Abgasströme verschiedenen Brennräume beziehungsweise Zylinder der Dieselbrennkraftmaschine 10 zusammengeführt werden. Hier können ferner weitere Bauteile, wie zum Beispiel AGR-Ventile und -abzweigungen vorgesehen sein.

Die Turbine 12 ist über ein zweites Abgasrohr 13 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in Form eines Oxidationskatalysators 14 und eines Partikelfilters 15 ver- bunden. Hieran schließt sich ein drittes Abgasrohr 16 an. Sowohl in dem zweiten Abgasrohr 13 als auch in dem dritten Abgasrohr 16 können weitere Bauteile vorgesehen sein. Um die Temperatur des aus der Dieselbrennkraftmaschine 10 austretenden Abgases vor der Turbine 12, welche üblicherweise mit T ₃ bezeichnet wird, im ersten Abgasrohr 1 1 zu regeln, sind die vorgenannten Regelkreise vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1 erster Regelkreis (Last)

2 zweiter Regelkreis (Umsatzratenflächenschwerpunkt)

3 erster Regler

4 zweiter Regler

5 dritter Regler

6 Entkopplungsglied

7 Sattel punkt

8 Verbrennungsmodell

9 Brennkraftmaschine mit Abgasanlage

10 Dieselbrennkraftmaschine

1 1 erstes Abgasrohr

12 Turbine

13 zweites Abgasrohr

14 Oxydationskatalysator

15 Partikelfilter

16 drittes Abgasrohr