DE102006061684A1

DE102006061684A1 - Verfahren zur Regelung eines Sauerstoff-Füllstands einer Abgasreinigungsanlage

Info

Publication number: DE102006061684A1
Application number: DE200610061684
Authority: DE
Inventors: Richard Hotzel; Kersten Wehmeier; Eberhard Schnaibel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-03
Also published as: FR2910935B1; FR2910935A1; CN101210509A; CN101210509B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Sauerstoff-Füllstands einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei in Flussrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage die Abgaszusammensetzungen mit einer ersten Abgas-Sonde und hinter der Abgasreinigungsanlage mit einer zweiten Abgas-Sonde gemessen werden, wobei ein Sauerstoff-Eintrag in die Abgasreinigungsanlage bestimmt wird und zu einer Sauerstoff-Menge summiert oder integriert wird und wobei die Abgaszusammensetzung vor der Abgasreinigungsanlage zwischen vorgegebenen Grenzwerten moduliert wird. Wird eine Magerverstellung der Abgaszusammensetzung beendet, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten oberen Grenzwert erreicht und wird eine Fettverstellung beendet, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht, kann erreicht werden, dass durch diese Vorgehensweise in den meisten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ein Durchtritt von fettem oder magerem Abgas durch die Abgasreinigungsanlage vermieden werden kann und weitgehend nur gereinigtes Abgas abgegeben wird. Treten Abweichungen von der gewünschten Abgaszusammensetzung auf, wie sie insbesondere in Instationärphasen vorkommen können, werden diese von der ersten Lambdasonde festgestellt und können in der aus dem Ausgangssignal der ersten Lambdasonde und einem Luftmassen-Signal bestimmten Sauerstoff-Menge berücksichtigt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Sauerstoff-Füllstands einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei in Flussrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage die Abgaszusammensetzungen mit einer ersten Abgas-Sonde und hinter der Abgasreinigungsanlage mit einer zweite Abgas-Sonde gemessen werden, wobei ein Sauerstoff-Eintrag in die Abgasreinigungsanlage bestimmt wird und zu einer Sauerstoff-Menge summiert oder integriert wird und wobei die Abgaszusammensetzung vor der Abgasreinigungsanlage zwischen vorgegebenen Grenzwerten moduliert wird.
Gesetzliche Vorschriften für den Betrieb von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen begrenzen die erlaubte Abgabe der Komponenten Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Zur Einhaltung der Vorschriften sind daher im Abgasstrang der Brennkraftmaschinen Abgasreinigungsanlagen vorgesehen, die zumindest einen Drei-Wege-Katalysator aufweisen. Der Drei-Wege-Katalysator hat nur in einem engen Bereich um ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) eine ausreichende Konvertierungsfähigkeit für alle drei Komponenten. Es wird daher eine Lambdasonde vor dem Drei-Wege-Katalysator vorgesehen, mit deren Ausgangssignal die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs überwacht und gegebenenfalls korrigiert werden kann. Es kann weiterhin eine zweite Lambdasonde dem Drei-Wege-Katalysator nachgeschaltet sein, die dazu dienen kann, eine Abweichung, beispielsweise eine Drift durch Alterung, der ersten Lambdasonde zu erkennen so dass diese Abweichung in einer Motorsteuerung berücksichtigt werden kann. Weiterhin kann die zweite Lambdasonde dazu dienen, einen Sauerstoff-Füllstand des Drei-Wege-Katalysators zu überwachen. Hierbei kann die zweite Lambdasonde in Magerphasen durch den Katalysator durchtretendes mageres Abgas erkennen und so erkennen, dass die Speicherfähigkeit des Katalysators für Sauerstoff erreicht ist.
In diesem Fall kann die Abgaszusammensetzung in Richtung fett verstellt werden. Ebenso kann in Fettphasen der Durchtritt von fettem Abgas erkannt werden, wodurch erkannt werden kann, dass der vorher gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist. In einem solchen Fall kann die Abgaszusammensetzung in Richtung mager verstellt werden. Die Verstellung der Abgaszusammensetzung auf Basis des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde wird auch als Führungsregelung bezeichnet.
Das Speichervermögen der Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen weder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxydierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Durch Gemisch-Störungen, insbesondere in Instationärphasen, kommt es ständig zu Abweichungen vom Lambda-Sollwert an der ersten Lambdasonde. Diese werden von der Motorsteuerung ausgeregelt, verändern jedoch den Sauerstoff-Füllstand des Katalysators. Günstig für die Konvertierungsleistung des Katalysators ist es, wenn solche Abweichungen des Sauerstoff-Füllstands korrigiert werden, ohne dass die Regelung auf Basis des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde eingreift, da diese Regelung nur eingreifen kann, wenn sich die Sauerstoff-Konzentration stromabwärts des Katalysators verändert und somit die Abweichung des Sauerstoff-Füllstands bereits sehr groß ist. Bei einer solchen großen Abweichung ist zudem mit Abgabe von ungenügend gereinigtem Abgas zu rechnen.
Bekannte Regelungen des Sauerstoff-Füllstands bestimmen einen Sauerstoff-Eintrag in den Katalysator und einen Sauerstoff-Austrag aus dem Katalysator aus dem Ausgangssignal der ersten Lambdasonde und dem Abgasmassenstrom und integrieren den Sauerstoff-Ein- und Austrag, um den Sauerstoff-Füllstand zu modellieren. Dieser modellierte Sauerstoff-Füllstand wird in dem Regelkreis zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands auf einen Sollwert als Eingangsgröße benutzt. Der modellierte Sauerstoff-Füllstand entspricht jedoch nicht dem realen Sauerstoff-Füllstand, da lediglich ein von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängiger Teil des Sauerstoff-Eintrags im Katalysator gespeichert wird.
Bei der Realisierung einer Regelung des Sauerstoff-Füllstands ist der Eingriff der Regelung auf Basis des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde zu bedenken. Diese als Führungsregelung wirkende Regelung verändert den Lambda-Sollwert für das Signal der ersten Lambdasonde. Greift diese Führungsregelung ein, stellt die Regelung des Sauerstoff-Füllstands eine Abweichung fest und regelt gegen den Eingriff der Führungsregelung. Als Ausweg wird für die Führungsregelung ein komplexer Multi-Input-Single-Output-Regler eingesetzt. Die übersichtliche hierarchische Struktur aus einer Führungsregelung aus Basis des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde und einer inneren Regelschleife auf Basis des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde kann somit nicht verwendet werden.
Es ist aus der DE 4024212 bekannt, dass der Bereich der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, in dem eine gute Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage erreicht wird, vergrößert werden kann, indem der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs eine zeitliche Schwankung aufgeprägt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Lambdawert mit einer Frequenz von 0,5 bis 5 Hz um Lambda = 1 mit einer Amplitude von beispielhaft ±5% schwankt. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein Sollwert des Lambdasignals mit einem Fremdsignal beaufschlagt wird oder dass der Sollwert bei Erreichung der vorgesehenen Obergrenze von beispielhaft Lambda = 1,05 umgestellt wird auf einen unteren Sollwert von beispielhaft Lambda = 0,95. In der DE 4024212 ist vorgesehen, dass die Amplitude der Regelschwankung verringert wird, wenn festgestellt wird, dass die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage durch Alterung vermindert ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regelung des Sauerstoff-Füllstands einer Abgasreinigungsanlage bereitzustellen, die eine einfache Reglerstruktur aufweist und einen Durchtritt von unzureichend gereinigtem Abgas vermeidet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Magerverstellung der Abgaszusammensetzung beendet wird, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten oberen Grenzwert erreicht und eine Fettverstellung beendet wird, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht. Durch diese Vorgehensweise kann erreicht werden, dass in den meisten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine ein Durchtritt von fettem oder magerem Abgas durch die Abgasreinigungsanlage vermieden werden kann und weitgehend nur ausreichend gereinigtes Abgas abgegeben wird. Treten Abweichungen von der gewünschten Abgaszusammensetzung auf, wie sie insbesondere in Instationärphasen vorkommen können, werden diese von der ersten Lambdasonde festgestellt und können in dem aus dem Ausgangssignal der ersten Lambdasonde und einem Luftmassen-Signal bestimmten Sauerstoff-Ein- und Austrag und damit in der Sauerstoff-Menge berücksichtigt werden. Nach dem in DE 4024212 dargestellten Stand der Technik wird die Lambda-Modulation so durchgeführt, dass bei Erreichen eines oberen oder unteren Lambdawerts umgeschaltet wird. Dies verhindert nicht, dass die Abgasreinigungsanlage von Sauerstoff vollständig entleert oder vollständig mit Sauerstoff gefüllt wird und in der Folge fettes oder mageres Abgas abgibt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Erreichen einer vorbestimmten ein- oder ausgetragenen Sauerstoff-Menge die Abgaszusammensetzung umgestellt. Lediglich in wenigen Betriebsphasen muss dann die auf dem Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde basierende Führungsregelung eingreifen.
Wird ein Sauerstoff-Austrag aus der Abgasreinigungsanlage bestimmt und wird der Sauerstoff-Eintrag in die Abgasreinigungsanlage und der Sauerstoff-Austrag aus der Abgasreinigungsanlage zu einer Sauerstoff-Menge summiert oder integriert, kann erreicht werden, dass der Sauerstoff-Füllstand der Abgasreinigungsanlage genauer bestimmt werden kann und der Austritt von ungenügend gereinigtem Abgas vermindert werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung mit einer besonders einfachen Reglerstruktur sieht vor, dass bei der Bestimmung der Sauerstoff-Menge aus dem Sauerstoff-Ein- und Austrag der Sauerstoff-Ein- und Austrag aus dem Ausgangssignal der ersten Abgas-Sonde vermindert um einen Stelleingriff auf Basis des Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde gebildet wird. Durch dieses Vorgehen kann einen Führungsregelung auf Basis es Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde und ein innerer Regelkreis auf Basis des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde verwendet werden. Die Notwendigkeit, für die Führungsregelung einen komplizierten Multi-Input-Single-Output-Regler verwenden zu müssen, besteht somit nicht.
Werden der untere Grenzwert und der obere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge so gewählt werden, dass deren Differenz kleiner ist als eine Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage, kann erreicht werden, dass Füllstandsstörungen nur bis zu einer gewissen Größe ausgeregelt werden. Dies trägt der Erfahrung Rechnung, dass der reale Katalysatorfüllstand bei großen Störungen durch ein einziges Integral nicht ausreichend genau modelliert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der untere Grenzwert und der obere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge abhängig von einer Alterung der Abgasreinigungsanlage und/oder von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine festgelegt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Durchtritt von unzureichend gereinigtem Abgas in den meisten Betriebsbedingungen vermieden werden kann, obwohl die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage von deren Alterung und den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängig ist.
Den Konvertierungseigenschaften der Abgasreinigungsanlage kann optimal Rechnung getragen werden, indem der Lambdawert des Abgases bei einer Magerverstellung und/oder bei einer Fettverstellung abhängig von einer Alterung der Abgasreinigungsanlage und/oder von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine festgelegt wird.
Wird die Magerverstellung beendet, wenn das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde mageres Abgas anzeigt und wird die Fettverstellung beendet, wenn das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde fettes Abgas anzeigt, kann vermieden werden, dass die Abgasreinigungsanlage bei vollständig gefülltem oder entleertem Sauerstoffspeicher weiter mit Abgas beaufschlagt wird, das nur unzureichend von Schadstoffen gereinigt werden kann. Es kann eine Verringerung der Emissionen erreicht werden.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der obere und untere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge verringert werden, wenn während der Magerverstellung das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde mageres Abgas anzeigt und während einer korrespondierenden Fettverstellung das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde fettes Abgas anzeigt. In einem solchen Fall kann davon ausgegangen werden, dass die ein- und ausgetragenen Sauerstoff-Mengen für die Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage zu groß sind. Durch die Verringerung der Grenzwerte kann erreicht werden, dass die durchtretende Menge an ungenügend gereinigtem Abgas verringert werden kann.
Ein Alterungsindikator für die Abgasreinigungsanlage kann bestimmt werden, indem ein Unterschied zwischen dem oberen und unteren Grenzwert für die Sauerstoff-Menge als ein Maß für eine Alterung der Abgasreinigungsanlage verwendet wird.
Werden für die Modulation der Abgaszusammensetzung eine Mindest-Periodendauer und/oder eine Mindest-Amplitude vorgegeben, kann erreicht werden, dass das Anregungssignal der Lambdamodulation für On-Board-Diagnosefunktionen genutzt werden kann, wobei dies in einer Ausgestaltungsform unabhängig von einer Alterung der Abgasreinigungsanlage sein kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Mindest-Periodendauer und/oder die Mindest-Amplitude der Lambdamodulation nur während der Durchführung einer On-Board-Diagnose vorgegeben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Abgaszusammensetzung beim Betrieb einer Abgasreinigungsanlage 16 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine Luftzuführung 11 zugeführt, wobei deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt werden kann. Der Luftmassenmesser 12 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 15 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 die Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist, an deren Ausgang die Abgase über eine Abgasableitung 18 abgeführt werden. Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist eine Motorsteuerung 19 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12 und einer in dem Abgaskanal 15 angeordneten ersten Abgas-Sonde 14 sowie einer in der Abgasableitung 18 angeordneten zweiten Abgas-Sonde 17 zugeführt werden. Die erste Abgas-Sonde 14 bestimmt einen Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs; sie kann als Breitband-Lambdasonde ausgeführt sein. Die zweite Abgas-Sonde 17 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach der Abgasreinigungsanlage 16. Die zweite Abgas-Sonde 17 kann als Lambda-Sprungsonde ausgebildet sein. Das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde 17 wird verwendet, um Sondenoffsets der ersten Abgas-Sonde 14 durch Langzeitadaption auszugleichen und weiterhin Abweichungen des Sauerstoff-Füllstands der Abgasreinigungsanlage 16 vom Optimalwert durch schnelle Eingriffe in den Lambda-Sollwert an der ersten Abgas-Sonde 14 auszugleichen.
Es sind auch Ausführungsformen bekannt, die ausschließlich eine zweite Abgas-Sonde 17 in Flussrichtung des Abgases nach der Abgasreinigungsanlage 16 aufweisen und bei denen keine erste Abgas-Sonde 14 vor der Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist.
Es ist bekannt, dass Abgasreinigungsanlagen eine optimale Konvertierungsfähigkeit im Bereich eines leicht fetten Abgases mit einem Lambda um 0,995 aufweisen. Die als Sprungsonde ausgebildete zweite Abgas-Sonde 17 gibt dann eine Ausgangsspannung von 600 bis 650 mV ab. Liegt eine gealterte Abgasreinigungsanlage 16 vor, liegt die optimale Konvertierungsfähigkeit weiter im fetten Abgasbereich und somit bei einer höheren Ausgangsspannung der zweiten Abgas-Sonde 17. Es ist weiterhin bekannt, dass der Bereich einer optimalen Konvertierungsleistung der Abgasreinigungsanlage 16 vergrößert werden kann, indem der Lambdawert des Abgases mit einer Amplitude von beispielhaft 5% moduliert wird, wobei der Mittelwert mit Lambda = 1 beibehalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4024212 [0007, 0007, 0009]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Sauerstoff-Füllstands einer Abgasreinigungsanlage (16) einer Brennkraftmaschine (10), wobei in Flussrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage (16) die Abgaszusammensetzungen mit einer ersten Abgas-Sonde (14) und hinter der Abgasreinigungsanlage (16) mit einer zweite Abgas-Sonde (17) gemessen werden, wobei ein Sauerstoff-Eintrag in die Abgasreinigungsanlage (16) bestimmt wird und zu einer Sauerstoff-Menge summiert oder integriert wird und wobei die Abgaszusammensetzung vor der Abgasreinigungsanlage (16) zwischen vorgegebenen Grenzwerten moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Abgaszusammensetzung vor der Abgasreinigungsanlage (16) so durchgeführt wird, dass eine Magerverstellung der Abgaszusammensetzung beendet wird, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten oberen Grenzwert erreicht und eine Fettverstellung beendet wird, wenn die Sauerstoff-Menge einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoff-Austrag aus der Abgasreinigungsanlage (16) bestimmt wird und dass der Sauerstoff-Eintrag in die Abgasreinigungsanlage (16) und der Sauerstoff-Austrag aus der Abgasreinigungsanlage zu einer Sauerstoff-Menge summiert oder integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Sauerstoff-Menge aus dem Sauerstoff-Ein- und Austrag der Sauerstoff-Ein- und Austrag aus dem Ausgangssignal der ersten Abgas-Sonde (14) vermindert um einen Stelleingriff auf Basis des Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde (17) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert und der obere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge so gewählt werden, dass deren Differenz kleiner ist als eine Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage (16).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert und der obere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge abhängig von einer Alterung der Abgasreinigungsanlage (16) und/oder von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (10) festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert des Abgases bei einer Magerverstellung und/oder bei einer Fettverstellung abhängig von einer Alterung der Abgasreinigungsanlage (16) und/oder von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (10) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerverstellung beendet wird, wenn das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde (17) mageres Abgas anzeigt und die Fettverstellung beendet wird, wenn das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde (17) fettes Abgas anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und untere Grenzwert für die Sauerstoff-Menge verringert werden, wenn während der Magerverstellung das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde (17) mageres Abgas anzeigt und während einer korrespondierenden Fettverstellung das Ausgangssignal der zweiten Abgas-Sonde (17) fettes Abgas anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied zwischen dem oberen und unteren Grenzwert für die Sauerstoff-Menge als ein Maß für eine Alterung der Abgasreinigungsanlage (16) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Modulation der Abgaszusammensetzung eine Mindest-Periodendauer und/oder eine Mindest-Amplitude vorgegeben werden.