Der Beitrag elektronischer Regelungen zur Emissionsreduzierung von Dieselmotoren

Transkript

1 2. Regelungstechnisches Kolloquium in Dortmund Der Beitrag elektronischer Regelungen zur Emissionsreduzierung von Dieselmotoren Dr.-Ing. Andreas Michalske Robert Bosch GmbH,, Stuttgart 1 DS/EL DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

2 Regelungstechnisches Kolloquium Diesel-Elektronik Agenda Einleitung Überblick Einspritzsysteme, Steuergeräte und Funktionen Beispiele für Regelungen am Dieselmotor Ausblick auf zukünftige Entwicklungen Zusammenfassung 2 DS/EEC DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

3 Einleitung Entwicklung der Emissionsgrenzwerte % CO 5,8 ECE R15/04 HC+NO X 21,2 ECE R15/04 0,27 88/436/EEC 0,196 Partikel EU1 0,14 EU2 1,36 0,97 0,90 EU3 0,56 0,30 0 2,72 1,0 0,64 0, Werte = Grenzwerte in g/km 0,10 Stand der Technik % 91% EU4 0,05 0,025 90% 95% 97% 98% 3 DS/EL DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

4 Einleitung Entwicklungspotenzial für den Dieselmotor Leichtbau Downsizing Neue Brennverfahren Reibleistungsminimierung Weiterentw. CR-System Einspr.-System Variable Einspritzdüse Kraftstoffqualität Weiterentw. Weiterentw. Abgasrückführung Neue Regelstrategien Wärmemanagement Aufladetechnologie Dieselpartikelfilter NO X NO X -Speicher-Katalysator Onboard-Diagnose 4 DS/BGE de DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

6 Überblick Einspritzsysteme Common-Rail-System Unit-Injector-System 6 DS/BGE2 2078_4 384 de DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

7 Überblick Steuergeräte und Funktionen Entwicklung der Komplexität Applikations- Parameter Speicher Performance Applikations-Parameter [k] Performance [MIPS] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Speicher [MByte] heute 1) low-end 7 DS/LE e DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

8 Überblick Steuergeräte und Funktionen Elektronik des Common Rail Systems PKW Drehzahl (Kurbelwelle) Phasenlage (Nockenwelle) Fahrpedalgeber Raildruck Ladeluftdruck Lufttemp. Luftmasse Wassertemp. Klemme 15 Kupplung Tempomat Autom. Getriebe ABS/ASR Klimaanlage Geschwindigkeit Steuergerät EDC 16 C Signaleingang Sensorplausibilisierung Stromversorgung Atmosphärendruck Signalverarbeitung Einspritzmenge Einspritzzeit Piloteinspritzung Raildruckregelung Ladedruckregelung Abgasrückführung DPF-Regeneration Ext. Momenteneingriff Wegfahrsperre Systemdiagnose Ersatzfunktionen Signalausgang CAN ISO-K Optionen Injektoren Drosselklappe EPC Abgasrückführventil EPC Ladedrucksteller GCU Glühkerzen Relais Elektrokraftstoffpumpe MIL (Diagnoselampe) Servicetester Druckregelventil DRV Weitere Endstufen 8 DS/EL DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

9 Überblick Steuergeräte und Funktionen Sensoren für Dieselapplikationen Heißfilmluftmassenmesser Niederdrucksensoren Differenzdrucksensor Hochdrucksensoren Phasengeber Temperaturfühler Fahrpedalmodule Lambdasonde Drehzahlgeber Klopfsensor 9 DS/EL DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

11 Regelungen am Dieselmotor Anforderungen und Aufgaben Hohe Anforderungen der Gemischbildung und Verbrennung an die Genauigkeit von Einspritzung, Luft und AGR-Rate stoßen an hydraulische und mechanische Toleranzgrenzen. Reduzierung der Systemtoleranzen (neu und über Lebensdauer) durch Regelfunktionen Hohe Dynamikanforderungen sind bei Einhaltung der Emissionsgrenzen wegen der Verzögerungen im Luftsystem nur mit regelungstechnischen Ansätzen zu erfüllen. Entkopplung von Regelkreisen (Abgasrückführung und Laderegelung) Steuerung und Regelung unterschiedlicher Betriebsarten und der Übergänge Berechnung virtueller Signale für OBD (Redundanz), Genauigkeitssteigerung und Kostenreduzierung 11 DS/ESK2 03ao DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

12 Überblick Luft- und Abgassystem Steuergerät Stellgröße Volllast Injektor Lambdaregler Lambdasonde AGRVentil Stellgröße Teillast 12 DS/EEC DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

13 Lambda-Funktion zur Toleranzreduzierung Mengenmittelwertadaption (MMA) Struktur Nutzen Ist-Einspritzmenge Ladedruckregelung korrigierte Einspritzmenge AGR-Regelung Motor Emissionsstreuung aufgrund von Einspritzmengen- und HFM-Toleranzen: Partikel Emissionsstreuung ohne MMA + MMA Luftmasse HFM Rest-O 2 Korrekturmenge Emissionsgrenzwerte λ-sonde Emissionsstreuung mit MMA Soll-Einspritzmenge NOx konventionelle Struktur Lambda-Funktionalität 13 DS/EEC DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

14 Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem Komponenten Heißfilmluftmassen - messer HFM m 1 Modellbeschreibung Verdichter ATL Behälter: Ladeluftkühler und Verrohrung LLK T 21 p 21 Behältermodell m 21 m F Messwerte n 14 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

15 Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem Luftmassenstrom: HFM vs. dynamisch korrigiert Luftmassenstrom kg/h Ladedruck p 2 kpa Luftmassenstrom m 21 dyn. korrigiert m 1 HFM p 2 m s Zeit g Gespeicherte Luftmasse Randbedingungen Motorprüfstandsversuch: Volllastsprung Drehzahl: min 1 in 2 s PWG - Sprung: 0 100% Ergebnisse Speichereffekt im Einlassvolumen Abweichungen m 21 zu m 1 dynamisch bis 20 % m 2 = gespeicherte Masse im Einlassvolumen 15 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

16 Modellbasierte Rauchbegrenzung Vergleich: Luftverhältnis und Schwärzungszahl 1,0 0,8 λ soll =1,3 reziprokes Luftverhältnis 1 / λ 0,6 0,4 0,2 0 0 mit Luftmasse vom HFM 16% PWG 0% % 50% s Zeit % mit dyn. korr. Luftmasse Schwärzungszahl Randbedingungen Motorprüfstandsversuch: Volllastsprung Drehzahl: 1700 min 1 (konst.) PWG-Rampe: 0 100% in 2 s Lambda - Sollwert: 1,3 (konst.) Ergebnisse Überschwingen von 1/λ um 16% reduziert Rußspitze um 50% reduziert 16 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

17 Modellbasierte Regelung am Beispiel Luftsystem Komponenten Heißfilmluftmassen - messer HFM m 1 Modellbeschreibung Verdichter ATL Behälter: Ladeluftkühler und Verrohrung LLK T 21 p 21 Behältermodell Drosselklappe Mischstelle RKL AGR m 21 m 22 Drosselklappenmodell: Durchflussgleichung Modell Mischstelle: Massen- und Enthalpiebilanz Motor m F T 22 p 22 λ 22 Luftaufwandsmodell und Verbrennungsmodell Messwerte n 17 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

18 Beobachter mit Lambdasonde Blockschaltbild Steuergerät Motor Motordrehzahl Soll- AGR- Luftmasse Sollkennfeld AGR- Hub Einspritzmenge EDC Einspritzmenge Einspritzmengen- Korrekturwert Modell Luftsystem λ Luftmassenregler Ist-Luftmasse λ Motor Modell Lambdasonde Luftmassensensor Standard Sensorsignale Lambdasonde O 2, Abgas Luftmassenregelkreis Beobachter 18 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

19 Beobachter mit Lambdasonde Emissionsergebnisse % Emissionsstreuung NO x + PM 2 ohne Beobachter mit Beobachter 0 +/ 2 mg/hub +/ 5% HFM +/ 2 mg/hub lokale und +/ 5% HFM Mengenfehler 19 DS/ESK3 03EL192d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

21 Trends in der Diesel-Elektronik Ausblick auf zukünftige Entwicklungen Neue Abgasnachbehandlungsverfahren und Brennverfahren neue Anforderungen an die elektronische Dieselregelung Betriebsartenkoordination und -umschaltung Weitere Toleranzreduzierung für die Einhaltung künftiger Emissionsgrenzen Einzelzylinderregelungen auch mit neuen Sensoren (z.b. Zylinderdruck- und Körperschallsensoren) Gesamtsystemoptimierung und Komplexitätsbeherrschung stärkerer Einsatz von Modellen inkl. virtueller Sensorik Automatische Applikation 21 DS/ESK2 03ao272d DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.

23 Regelungstechnisches Kolloquium Diesel-Elektronik Zusammenfassung In den letzten 20 Jahren hat sich der Dieselmotor grundlegend gewandelt: Erhöhung von Drehmoment, Fahrkomfort und Fahrspaß bei gleichzeitiger Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen Fokus heutiger Entwicklungstätigkeiten auf Systemoptimierung, Toleranzreduzierung und Beherrschung der Komplexität Erschließung weiterer Entwicklungspotenziale durch innovative Einspritzsysteme und -strategien sowie modellbasierte Regelungen 23 DS/EL DS/EEC4 06lc088d Alle Rechte bei Robert Bosch GmbH, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.