DE102018251720A1

DE102018251720A1 - Verfahren zur Ermittlung einer maximalen Speicherfähigkeit eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators

Info

Publication number: DE102018251720A1
Application number: DE102018251720.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Fey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-02
Also published as: KR20200081316A; US11002206B2; CN111379637A; KR102664186B1; CN111379637B; US20200347792A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Regelung eines modellierten Füllstandes eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) eines Verbrennungsmotors (10), wobei die Regelung des modellierten Füllstands unter Verwendung eines Streckenmodells (100) erfolgt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators (26) für die Abgaskomponente im Betrieb des Verbrennungsmotors (10) ermittelt und bei der Regelung des modellierten Füllstandes berücksichtigt wird. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf ein Steuergerät.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines modellierten Füllstandes eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In ihren Vorrichtungsaspekten betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät sind für Sauerstoff als Abgaskomponente jeweils per se bekannt. Aus der DE 196 06 652 B4 ist eine Modellierung eines nicht direkt messbaren mittleren Füllstandes durch Berechnungen bekannt.
Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotor werden neben Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Durch die Verwendung eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten konvertiert werden.
Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NO_x wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Konvertierungsfenster, erreicht.
Zum Betrieb des Dreiwegekatalysators im Konvertierungsfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von vor und hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Lambdasonden basiert. Für die Regelung der Luftzahl Lambda, die ein Maß für die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Verbrennungsmotors ist, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Dreiwegekatalysator mit einer dort angeordneten eingangsseitigen Abgassonde gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die in Form eines Basiswertes von einer Gemischvorsteuerungsfunktion vorgegebene Kraftstoffmenge oder Einspritzimpulsbreite.
Im Rahmen der Gemischvorsteuerung werden Basiswerte einzuspritzender Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von zum Beispiel Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors vorgegeben. Für eine noch genauere Regelung wird zusätzlich die Sauerstoffkonzentration des Abgases stromabwärts des Dreiwegekatalysators mit einer weiteren Abgassonde erfasst. Das Signal dieser ausgangsseitigen Abgassonde wird für eine Führungsregelung verwendet, die der auf dem Signal der eingangsseitigen Abgassonde basierenden Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator überlagert ist. Als hinter dem Dreiwegekatalysator angeordnete Abgassonde wird in der Regel eine Sprung-Lambdasonde verwendet, die bei Lambda = 1 eine sehr steile Kennlinie besitzt und deshalb Lambda = 1 sehr genau anzeigen kann (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524).
Neben der Führungsregelung, die im allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, gibt es in aktuellen Motorsteuerungssystemen in der Regel eine Funktionalität, die nach großen Abweichungen von Lambda = 1 in Form einer Lambda-Vorsteuerung dafür sorgt, dass das Konvertierungsfenster schnell wieder erreicht wird, was zum Beispiel nach Phasen mit Schiebebetriebsabschaltung wichtig ist, in denen der Dreiwegekatalysator mit Sauerstoff beladen wird. Die Beladung mit Sauerstoff beeinträchtigt die NO_x-Konvertierung.
Wegen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators kann hinter dem Dreiwegekatalysator noch über mehrere Sekunden Lambda = 1 vorliegen, nachdem vor dem Dreiwegekatalysator ein fettes oder mageres Lambda eingestellt wurde. Diese Eigenschaft des Dreiwegekatalysators, Sauerstoff temporär zu speichern, wird ausgenutzt, um kurzzeitige Abweichungen von Lambda = 1 vor dem Dreiwegekatalysator auszugleichen. Liegt vor dem Dreiwegekatalysator über längere Zeit Lambda ungleich 1 vor, wird sich das gleiche Lambda auch hinter dem Dreiwegekatalysator einstellen sobald der Sauerstofffüllstand bei einem Lambda > 1 (Sauerstoffüberschuss) die Sauerstoffspeicherfähigkeit überschreitet oder sobald im Dreiwegekatalysator bei einem Lambda < 1 kein Sauerstoff mehr gespeichert ist.
Zu diesem Zeitpunkt zeigt dann auch eine Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ein Verlassen des Konvertierungsfensters an. Bis zu diesem Zeitpunkt deutet das Signal der Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator allerdings nicht auf den bevorstehenden Durchbruch hin, und eine auf diesem Signal basierende Führungsregelung reagiert deshalb oft erst so spät, dass die Kraftstoffzumessung nicht mehr rechtzeitig vor einem Durchbruch reagieren kann. Als Folge treten erhöhte tail pipe Emissionen auf. Aktuelle Regelungskonzepte haben deshalb den Nachteil, dass sie ein Verlassen des Konvertierungsfensters anhand der Spannung der Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator erst spät erkennen.
Eine Alternative oder Ergänzung zur Regelung auf Basis des Signals einer Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ist eine Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des Dreiwegekatalysators. Dieser mittlere Füllstand ist nicht direkt messbar, kann aber nach der eingangs genannten DE 196 06 652 B4 durch Berechnungen modelliert werden.
Bei einem Dreiwegekatalysator handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern. Darüber hinaus sind die gemessenen oder modellierten Eingangsgrößen für ein Modell des Dreiwegekatalysators üblicherweise mit Unsicherheiten behaftet.
Offenbarung der Erfindung
Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihren Verfahrensaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in ihren Vorrichtungsaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sehen vor, dass eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators für die Abgaskomponente im Betrieb des Verbrennungsmotors ermittelt und bei der Regelung des modellierten Füllstandes berücksichtigt wird.
Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, ein solches Verfahren auszuführen.
In Kombination mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird durch die kennzeichnenden Merkmale eine Bestimmung der tatsächlichen maximalen Speicherfähigkeit des Katalysators für die Abgaskomponente verwirklicht, mit der Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell eingehen, und Unsicherheiten des Streckenmodells, kompensiert werden.
Grundsätzlich besitzt eine modellbasierte Regelung des Füllstandes eines Katalysators den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters früher erkannt werden kann als bei einer Führungsregelung, die auf dem Signal einer stromabwärts vom Katalysator angeordneten Abgassonde basiert. Dadurch kann dem Verlassen des Katalysatorfensters durch eine frühzeitige und gezielte Korrektur des Luft-Kraftstoff-Gemischs entgegengewirkt werden.
Durch die erfindungsgemäße Bestimmung der maximalen Füllung lässt sich die Robustheit der modellbasierten Regelung verbessern. Die Emissionen können dadurch weiter reduziert werden. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Katalysator erfüllt werden. Als Folge ergibt sich eine weiter verbesserte modellbasierte Regelung des Füllstands eines Katalysators, mit der ein Verlassen des Katalysatorfensters frühzeitig erkannt und verhindert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators für die Abgaskomponente unter vorbestimmten Betriebsbedingungen, bei denen ein zuverlässiges Messergebnis zu erwarten ist, ausgemessen wird.
Weiter ist bevorzugt, dass es sich bei der Abgaskomponente um Sauerstoff handelt.
Bevorzugt ist auch, dass sich der bestimmte Betriebszustand an eine Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung anschließt und dass der bestimmte Betriebszustand ein Betriebszustand ist, in dem eine in der Schiebebetriebsphase erfolgte Füllung des Abgaskomponentenspeichers mit Sauerstoff durch einen Eintrag von Abgas ausgeräumt wird, das einen Sauerstoffmangel aufweist.
Weiter ist bevorzugt, dass der bestimmte Betriebszustand ein Betriebszustand ist, in dem Betriebsparameter, mit denen ein adaptiver Kennfeldspeicher eines den Verbrennungsmotor steuernden Steuergerätes adressierbar ist, auf vorbestimmte Änderungsbereiche beschränkt sind, die ihrerseits vorbestimmten Werten des modellierten maximalen Füllstandes zugeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Betriebsparameter eine mittlere Katalysatortemperatur und ein Abgasmassenstrom sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass ein erwarteter Sauerstoffaustrag aus dem Abgaskomponentenspeicher heraus vom Beginn des Ausräumens bis zum Erreichen eines Sollwerts der Füllung des Abgaskomponentenspeichers und ein Sauerstoffaustrag vom Beginn des Ausräumens an bis zu einer Reaktion einer im Abgasstrom stromabwärts vom Katalysator angeordneten Abgassonde bestimmt wird, beide Werte ins Verhältnis gesetzt werden, und aus dem Verhältnis ein Maß für den Adaptionsbedarf der modellierten maximalen Speicherfähigkeit in diesem Betriebszustand bestimmt wird.
Bevorzugt ist auch, dass das Maß für den Adaptionsbedarf als das Doppelte der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt wird, wenn der Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 doppelt so hoch ist wie der erwartete Sauerstoffaustrag bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreicht.
Weiter ist bevorzugt, dass das Maß für den Adaptionsbedarf als die Hälfte der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt wird, wenn der Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 halb so hoch ist wie der erwartete Sauerstoffaustrag bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreichen würde.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Adaptionsbedarf ein in einem Kennfeld für einen bestimmten Betriebspunkt, der durch zugeordnete Änderungsbereiche von Betriebsparametern definiert ist, gespeicherter Wert für den maximalen modellierten Sauerstofffüllstand des Katalysators ist, und dass dieser Wert dann, wenn ein neuer Wert für diesen Betriebspunkt ermittelt worden ist, durch den neuen Wert überschrieben wird.
Bevorzugt ist auch, dass der bestimmte Betriebszustand eine Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung ist, während der eine Füllung des Abgaskomponentenspeichers durch Einräumen von Sauerstoff erfolgt.
In Bezug auf die Vorrichtungsaspekte ist bevorzugt, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, eine der oben genannten Ausgestaltungen des Verfahrens durchzuführen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftzufuhrsystem, einem Abgassystem und einem Steuergerät;
2 eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells;
3 eine Funktionsblockdarstellung, mit der sowohl Verfahrensaspekte als auch Vorrichtungsaspekte der Erfindung veranschaulicht werden;
4 drei tatsächliche Verläufe von Sauerstofffüllständen eines Katalysators über der Zeit t;
5 einen Verlauf des insgesamt aus einem Katalysator ausgeräumten Sauerstoffs über der Zeit t nach einer Kraftstoffabschaltung und einem Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr; und
6 zeitliche Verläufe von Signalen einer ausgangsseitigen Abgassonde für zeitliche Verläufe von Sauerstofffüllständen, die sich mit dem Verlauf aus der 5 ergeben.

Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators und für Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente beschrieben. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen und Abgaskomponenten wie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe übertragbar. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen von einer Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator ausgegangen. Die Erfindung ist sinngemäß auch auf Abgasanlagen mit mehreren Katalysatoren übertragbar. Die nachfolgend beschriebenen vorderen und hinteren Zonen können sich in diesem Fall über mehrere Katalysatoren erstrecken bzw. in unterschiedlichen Katalysatoren liegen.
Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftzufuhrsystem 12, einem Abgassystem 14 und einem Steuergerät 16. Im Luftzufuhrsystem 12 befindet sich ein Luftmassenmesser 18 und eine stromabwärts des Luftmassenmessers 18 angeordnete Drosselklappe einer Drosselklappeneinheit 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit Kraftstoff gemischt, der über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 eingespritzt wird. Die Erfindung ist nicht auf Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung beschränkt und kann auch mit Saugrohreinspritzung oder mit Gas betriebenen Verbrennungsmotoren verwendet werden. Die resultierenden Brennraumfüllungen werden mit Zündvorrichtungen 24, beispielsweise Zündkerzen, gezündet und verbrannt. Ein Drehwinkelsensor 25 erfasst den Drehwinkel einer Welle des Verbrennungsmotors 10 und erlaubt dem Steuergerät 16 dadurch eine Auslösung der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch das Abgassystem 14 abgeleitet.
Das Abgassystem 14 weist einen Katalysator 26 auf. Der Katalysator 26 ist zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator, der bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid konvertiert und der eine Sauerstoff speichernde Wirkung besitzt. Wegen der Sauerstoff speichernden Wirkung und da Sauerstoff ein Abgasbestandteil ist, besitzt der Katalysator einen Abgaskomponentenspeicher. Der Dreiwegekatalysator 26 weist im dargestellten Beispiel eine erste Zone 26.1 und eine zweite Zone 26.2 auf. Beide Zonen werden vom Abgas 28 durchströmt. Die erste, vordere Zone 26.1 erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen vorderen Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Die zweite, hintere Zone 26.2 erstreckt sich stromabwärts der ersten Zone 26.1 über einen hinteren Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Selbstverständlich können vor der vorderen Zone 26.1 und hinter der hinteren Zone 26.2 sowie zwischen den beiden Zonen weitere Zonen liegen, für die ggf. ebenfalls der jeweilige Füllstand mit einem Rechenmodell modelliert wird.
Stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine dem Abgas 28 ausgesetzte eingangsseitige Abgassonde 32 unmittelbar vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Stromabwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine ebenfalls dem Abgas 28 ausgesetzte ausgangsseitige Abgassonde 34 unmittelbar hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Die eingangsseitige Abgassonde 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung der Luftzahl λ über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt. Die ausgangsseitige Abgassonde 34 ist bevorzugt eine sogenannte Sprung-Lambdasonde, mit der die Luftzahl λ = 1 besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal dieser Abgassonde 34 dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein dem Abgas 28 ausgesetzter Temperatursensor 36 in thermischem Kontakt mit dem Abgas 28 am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet, der die Temperatur des Dreiwegekatalysators 26 erfasst.
Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, der eingangsseitigen Abgassonde 32, der ausgangsseitigen Abgassonde 34 und des Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 24 und zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder, zum Beispiel das Signal eines Fahrerwunschgebers 40, der eine Fahrpedalstellung erfasst. Ein Schiebebetrieb mit Abschalten der Kraftstoffzufuhr wird zum Beispiel durch Loslassen des Fahrpedals ausgelöst. Diese und die weiter unten noch erläuterten Funktionen werden durch ein im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 im Steuergerät 16 ablaufendes Motorsteuerungsprogramm 16.1 ausgeführt.
In dieser Anmeldung wird auf ein Streckenmodell 100, ein Katalysatormodell 102, ein Ausgangslambdamodell 106 (vergleiche 2) und ein inverses Katalysatormodell Bezug genommen. Die Modelle sind jeweils Algorithmen, insbesondere Gleichungssysteme, die im Steuergerät 16 ausgeführt, bzw. ausgerechnet werden und die Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpfen, dass die mit den Algorithmen berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells 100. Das Streckenmodell 100 besteht aus dem Katalysatormodell 102 und dem Ausgangslambdamodell 106. Das Katalysatormodell 102 weist ein Eingangsemissionsmodell 108 und ein Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 auf. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell 102 einen Algorithmus 112 zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ _mod des Katalysators 26 auf.
Das Eingangsemissionsmodell 108 ist dazu eingerichtet, als Eingangsgröße das Signal λ_in,meas der vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten Abgassonde 32 in für das nachfolgende Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 benötigte Eingangsgrößen w_in,mod zu konvertieren. Beispielsweise ist eine Umrechnung von Lambda in die Konzentrationen von O₂, CO, H₂ und HC vor dem Dreiwegekatalysator 26 mit Hilfe des Eingangsemissionsmodells 108 vorteilhaft.
Mit den durch das Eingangsemissionsmodell 108 berechneten Größen w_in,mod und gegebenenfalls zusätzlichen Eingangsgrößen (z.B. Abgas- oder Katalysatortemperaturen, Abgasmassenstrom und aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators 26) werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 ein Füllstand θ_mod des Dreiwegekatalysators 26 und Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 modelliert.
Um Füll- und Entleerungsvorgänge realistischer abbilden zu können, wird der Dreiwegekatalysator 26 vorzugsweise durch den Algorithmus gedanklich in mehrere in Strömungsrichtung der Abgase 28 hintereinander liegende Zonen oder Teilvolumina 26.1, 26.2 unterteilt, und es werden mit Hilfe der Reaktionskinetik für jede dieser Zonen 26.1, 26.2 die Konzentrationen der einzelnen Abgasbestandteile ermittelt. Diese Konzentrationen können wiederum jeweils in einen Füllstand der einzelnen Zonen 26.1, 26.2 umgerechnet werden, vorzugsweise in den auf die aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit normierten Sauerstoff-Füllstand.
Die Füllstände einzelner oder aller Zonen 26.1, 26.2 können mittels einer geeigneten Wichtung zu einem Gesamtfüllstand zusammengefasst werden, der den Zustand des Dreiwegekatalysators 26 widerspiegelt. Zum Beispiel können die Füllstände aller Zonen 26.1, 26.2 im einfachsten Fall alle gleich gewichtet und damit ein mittlerer Füllstand ermittelt werden. Mit einer geeigneten Wichtung kann aber auch berücksichtigt werden, dass für die momentane Abgaszusammensetzung hinter dem Dreiwegekatalysator 26 der Füllstand in einer vergleichsweise kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 entscheidend ist, während für die Entwicklung des Füllstands in dieser kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 der Füllstand in der davor liegenden Zone 26.1 und dessen Entwicklung entscheidend ist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden ein mittlerer Sauerstofffüllstand angenommen.
Der Algorithmus des Ausgangslambdamodells 106 konvertiert die mit dem Katalysatormodell 102 berechneten Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Katalysators 26 für die Adaption des Streckenmodells 100 in ein Signal λ_out,mod, das mit dem Signal λ_out,meas der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 verglichen werden kann. Vorzugsweise wird das Lambda hinter dem Dreiwegekatalysator 26 modelliert. Das Ausgangslambdamodell 106 ist für eine Vorsteuerung auf Basis eines Soll-Sauerstoff-Füllstands nicht zwingend erforderlich.
Das Streckenmodell 100 dient damit zum einen zur Modellierung mindestens eines mittleren Füllstands θ _mod des Katalysators 26, der auf einen Soll-Füllstand eingeregelt wird, bei dem der Katalysator 26 sich sicher innerhalb des Katalysatorfensters befindet (und damit sowohl Sauerstoff aufnehmen als auch abgeben kann). Zum anderen stellt das Streckenmodell 100 ein modelliertes Signal λ_out,mod der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 zur Verfügung. Weiter unten wird noch näher erläutert, wie dieses modellierte Signal λ_out,mod der ausgangsseitigen Abgassonde 34 vorteilhaft zur Adaption des Streckenmodells 100 verwendet wird. Die Adaption erfolgt zur Kompensation von Unsicherheiten, mit denen die Eingangsgrößen des Streckenmodells, insbesondere das Signal der Lambdasonde vor dem Katalysator, behaftet sind. Ebenso wird die Vorsteuerung adaptiert.
3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung, mit der sowohl Verfahrensaspekte als auch Vorrichtungsaspekte der Erfindung veranschaulicht werden. Im Einzelnen zeigt die 3, dass das vom Ausgangslambdamodell 106 modellierte Signal λ_out,mod der ausgangsseitigen Abgassonde 34 und das reale Ausgangssignal λ_out,meas der ausgangsseitigen Abgassonde 34 einem Adaptionsblock 114 zugeführt werden. Der Adaptionsblock 114 vergleicht die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas miteinander. Beispielsweise zeigt eine hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnete Sprung-Lambdasonde als Abgassonde 34 eindeutig an, wann der Dreiwegekatalysator 26 komplett mit Sauerstoff gefüllt oder komplett von Sauerstoff entleert ist.
Dies lässt sich ausnützen, um nach Mager- oder Fettphasen den modellierten Sauerstoff-Füllstand mit dem tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand, bzw. das modellierte Ausgangslambda λ_out,mod mit dem hinter dem Dreiwegekatalysator 26 gemessenen Lambda λ_out,meas in Übereinstimmung zu bringen und im Fall von Abweichungen das Streckenmodell 100 zu adaptieren.
Ein vom Block Adaption 114 ausgehender erster Adaptionspfad 220 führt zur Vorsteuerung 104. Über diesen Adaptionspfad 220 wird der im inversen Katalysatormodell der Vorsteuerung 104 verwendete modellierte Füllstand dem realen Füllstand angeglichen. Dies entspricht einer diskontinuierlichen Korrektur (bzw. einer Re-Initialisierung) des modellierten Füllstands in der Vorsteuerung 104.
Ein zweiter vom Block Adaption 114 ausgehender Adaptionspfad 210 führt zum Streckenmodell 100. Über den zweiten Adaptionspfad 210 wird der in dem Streckenmodell 100 verwendete modellierte Füllstand dem realen Füllstand angeglichen. Dies entspricht einer diskontinuierlichen Korrektur (bzw. einer Re-Initialisierung) des modellierten Füllstands im Streckenmodell 100.
Die beiden Eingriffe der diskontinuierlichen Korrektur erfolgen bevorzugt immer zusammen, d.h. gleichzeitig, da die Vorsteuerung als Invertierung des Streckenmodells ausgelegt ist. Andernfalls käme es zu Inkonsistenzen der modellierten Füllstände in den beiden Funktionsblöcken des Streckenmodells 100 und der Vorsteuerung 104.
Diese Eingriffe bilden eine erste Adaptionsstufe. Diese diskontinuierlich erfolgenden Adaptionsvorgänge stützen sich auf große und kleine (aber nicht auf mittlere) Signalwerte der ausgangsseitigen Abgassonde 34.
Ein dritter vom Block Adaption 114 ausgehender Adaptionspfad 200 führt zur Vorsteuerung 104. Über den dritten Adaptionspfad 200 erfolgt eine kontinuierliche Adaption, die sich auf mittlere Signalwerte der ausgangsseitigen Abgassonde 34 stützt. Bei diesen mittleren Signalwerten zeigt das Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 den Lambdawert des Abgases genau an. Wenn in dem Lambdaregelkreis ein Offset Δλ_offs auftritt, was durch einen Fehler der eingangsseitigen Abgassonde 32 oder eine zwischen beiden Abgassonden erfolgende Leckluftzufuhr zum Abgas der Fall sein kann, wird das im Bereich mittlerer Signalwerte liegende Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 diesen Offset Δλ_offs als Abweichung von einem erwarteten Wert anzeigen. Die Abweichung wird im Block 114 zum Beispiel als Differenz von Signalwert und Erwartungswert ermittelt und in der Vorsteuerung 104 additiv in den Lambdasollwert eingerechnet. Das kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass der Lambda-Offsetwert Δλ_offs zu einem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert addiert wird.
In einer Ausgestaltung ist als Option noch ein vierter Adaptionspfad 230 vorhanden. Der vierte Adaptionspfad führt vom Adaptionsblock 114 zu einem Block 240, in dem ein Lambda-Istwert der eingangsseitigen Abgassonde 32 additiv mit dem Lambda-Offsetwert verknüpft wird.
Die erfindungsgemäß erfolgende Ermittlung der tatsächlichen maximalen Speicherfähigkeit des Katalysators erfolgt zum Beispiel im Block 114. Ermittelte Werte der tatsächlichen maximalen Speicherfähigkeit θ_maxwerden im Ausführungsbeispiel der 3 über einen Pfad 255 an die Vorsteuerung 104 übermittelt und dort betriebspunktabhängig in einem adaptiven Kennfeld 105 gespeichert und bei der Regelung des modellierten Füllstands berücksichtigt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit θ_mαx auch im Streckenmodell 100 berücksichtigt, was in der 3 durch einen Adaptionspfad 256 veranschaulicht wird, über den die im Block 114 ermittelte tatsächliche maximale Speicherfähigkeit an das Streckenmodell 100 übergeben wird.
Die Berücksichtigung der tatsächlichen maximalen Speicherfähigkeit θ_mαx erfolgt in der Vorsteuerung 104 parallel zur Berücksichtigung im Streckenmodell 100, da die Vorsteuerung 104 als Invertierung des Streckenmodells 100 ausgelegt ist. Andernfalls käme es zu Inkonsistenzen der modellierten Füllstände in den beiden Funktionsblöcken des Streckenmodells 100 und der Vorsteuerung 104.
Das adaptive Kennfeld 105 könnte gegebenenfalls auch als separater Block außerhalb der Vorsteuerung 104 und des Streckenmodells 100 zu finden sein und beide Blöcke 104 und 100 versorgen.
Die Betriebspunkte oder Bereiche von Betriebspunkten sind zum Beispiel durch Werte von Betriebsparametern BP definiert, von denen die Speicherfähigkeit abhängig ist. Beispiele solcher Betriebsparameter sind die Katalysatortemperatur und der Abgasmassenstrom. Die Werte von Betriebsparametern können Einzelwerte oder Intervalle von Werten sein. Die betriebspunktabhängige Speicherung erfolgt zum Beispiel in einem adaptiven Kennfeld 105, das mit Betriebsparametern BP adressiert wird. Werte dieser Betriebsparameter stehen in modernen Motorsteuergeräten zur Verfügung.
Im Folgenden wird unter Bezug auf die 4, 5 und 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ermittlung der tatsächlichen maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 26 erläutert.
Ungenauigkeiten der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit machen sich vor allem dann bemerkbar, wenn der Katalysator 26 das Katalysatorfenster verlassen hat und mit geringstmöglichen Emissionen wieder dorthin zurückgebracht werden soll. Das ist zum Beispiel nach einer längeren Kraftstoffabschaltung im Schiebebetrieb der Fall. Der Katalysator 26 ist dann komplett mit Sauerstoff gefüllt. Aufgabe der Füllstandsvorsteuerung 104 und Füllstandsregelung ist es, schnellstmöglich wieder den stationären Sollwert des Sauerstofffüllstands zu erreichen, der z.B. bei einem relativen Füllstand von 30%, bezogen auf die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit, liegen kann, ohne dass es zu einem Unterschwingen des Füllstands kommt. Wird der Katalysator nach einer Phase mit Kraftstoffabschaltung nicht schnell genug ausgeräumt, dann treten erhöhte NOx-Emissionen auf. Wird der Katalysator nach einer Phase mit Kraftstoffabschaltung hingegen zu stark ausgeräumt, so dass es zu einem Unterschwingen des Füllstands kommt, so treten erhöhte CO- und HC-Emissionen auf.
Die Füllstandsvorsteuerung 104 berücksichtigt deshalb die maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit beim Katalysator-Ausräumen. Durch die Füllstandsvorsteuerung 104 wird eine Sollwert-Trajektorie θ_set,trj berechnet, mit der ein nach der Kraftstoffabschaltung zu hoher Füllstand (entspricht bei einer ausreichend langen Phase mit Schubabschaltung der maximalen SauerstoffSpeicherfähigkeit) schnellstmöglich zurück auf den stationären Sollwert des Füllstands gebracht werden kann.
Die Füllstandsvorsteuerung 104 berücksichtigt dabei mit der Sollwert-Trajektorie θ_set,trj, welche Lambdawerte tatsächlich umsetzbar sind (z.B. die Brenngrenzen des Motors oder die unter den aktuellen Betriebsbedingungen maximal gewünschte Anfettung bzw. Abmagerung). Die Füllstandsregelung124 regelt den modellierten Füllstand θ _mod auf die Sollwert-Trajektorie θ_set,trj ein.
Ohne Ungenauigkeiten der modellierten maximalen Speicherfähigkeit würden die Sollwert-Trajektorie θ_set,trj und der modellierte Sauerstofffüllstand θ _mod den stationären Sollwert genau zu dem Zeitpunkt erreichen, an dem auch der tatsächliche Füllstand des Katalysators 26 den stationären Sollwert erreicht. Der stationäre Sollwert liegt bevorzugt bei einem Wert, bei dem das Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 von einem Sauerstoffüberschuss anzeigenden Signal auf ein stöchiometrische Verhältnisse oder sogar Sauerstoffmangel anzeigendes Signal wechselt. Ein typischer Wert für einen solchen stationären Sollwert liegt bei 30% der aktuell möglichen maximalen Füllung. Es wird angestrebt, dass das Katalysator-Ausräumen beim Erreichen des stationären Sollwertes durch die reguläre Füllstandsregelung auf den stationären Sollwert abgelöst wird.
Durch Ungenauigkeiten der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit kann sich diese von der tatsächlichen maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit unterscheiden, wie im Folgenden unter Bezug auf die 4, 5 und 6 erläutert wird.
4 zeigt drei tatsächliche Verläufe 260, 262, 264 von Sauerstofffüllständen eines Katalysators 26 über der Zeit t, wobei die Werte jeweils auf eine modellierte Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysator 26 bezogen sind. Die modellierte Sauerstoffspeicherfähigkeit entspricht per Definition einem Wert von 100%.
Im Fall des Verlaufs 260 entspricht die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit einem Wert von 100% der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit. Im Fall des Verlaufs 262 entspricht die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit einem Wert von nur 60% der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit, Im Fall des Verlaufs 264 entspricht die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit einem Wert von 200% der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit,
5 zeigt den Verlauf 266 des insgesamt aus einem Katalysator 26 ausgeräumten Sauerstoffs über der Zeit t für eine Situation an, in welcher der dem Katalysator 26 zugeführte Abgasmassenstrom ab einem Zeitpunkt t1 einen Sauerstoffmangel aufweist und vorher eine maximale Sauerstofffüllung aufgewiesen hat.
6 zeigt zeitliche Verläufe 268, 270, 272 von Signalen der ausgangsseitigen Abgassonde 34 für die zeitlichen Verläufe der Sauerstofffüllstände, die sich mit dem Sauerstoffaustrag aus der 5 ergeben. Die horizontale gestrichelte Linie entspricht einem eine Stöchiometrie anzeigenden Signal der Abgassonde 34. Der Schnittpunkt der linken vertikalen gestrichelten Linie mit der t-Achse trennt eine links davon liegende Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung von einer rechts davon liegenden Phase des Katalysatorausräumens. Der Verlauf 268 in 6 gehört zum Verlauf 262 in 4. Der Verlauf 270 in 6 gehört zum Verlauf 260 in 4. Der Verlauf 272 in 6 gehört zum Verlauf 264 in 4.
Das Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 wechselt jeweils dann von einem Sauerstoffüberschuss anzeigenden niedrigen Signalpegel zu einem stöchiometrische Verhältnisse anzeigenden mittleren Signalpegel oder einem Sauerstoffmangel anzeigenden hohen Signalpegel, wenn der Katalysator 26 einen eingangsseitig auftretenden Sauerstoffmangel nicht mehr mit gespeichertem Sauerstoff kompensieren kann. Dies ist im dargestellten Beispiel immer dann der Fall, wenn der tatsächliche Füllstand einen Wert von 30% des tatsächlichen maximalen Füllstands erreicht hat. Für den Verlauf 260 liegt der 30% Wert von 100% bei 30%. Bei dem Verlauf 262 liegt der 30% Wert bei 30% von 60% gleich 18%. Bei dem Verlauf 264 liegt der 30% Wert bei 30% von 200% gleich 60%.
Wenn die tatsächliche maximale Speicherfähigkeit (z.B. 200 Einheiten, entsprechend 200 % im Fall des Verlaufs 264) größer als die modellierte maximale Speicherfähigkeit (z.B. 100 Einheiten entsprechend 100%) ist, erfolgt das Ausräumen zum Beispiel bis zu einem Wert von 30% von 100 Einheiten, also bis zu einer modellierten restlichen Sauerstofffüllung von 30 Einheiten. Um diesen Wert zu erreichen werden ausgehend von modellierten 100 Einheiten 70 Einheiten ausgeräumt. Tatsächlich befinden sich nach dem Ausräumen dann noch 200 Einheiten minus 70 Einheiten gleich 130 Einheiten entsprechend 65 % von 200 Einheiten im Katalysator 26. Dieser gemessen am stationären Sollwert von 30% (60 Einheiten) zu hohe Wert würde zu einer suboptimal hohen NOx-Konvertierung führen.
Wenn die tatsächliche maximale Speicherfähigkeit (z.B. 60 Einheiten, entsprechend 60 % im Fall des Verlaufs 262) kleiner als die modellierte maximale Speicherfähigkeit (z.B.100 Einheiten entsprechend 100%, Verlauf 260) ist, erfolgt das Ausräumen zum Beispiel bis zu einem Wert von 30% von 100 Einheiten, also bis zu einer modellierten restlichen Sauerstofffüllung von 30 Einheiten. Um diesen Wert zu erreichen werden ausgehend von den modellierten 100 Einheiten tatsächlich 70 Einheiten ausgeräumt. Der tatsächliche Füllstand wäre dann 60 Einheiten minus 70 gleich -10 Einheiten. Bevor dieser Wert erreicht wird, würde die ausgangsseitige Abgassonde 34 bereits reagiert haben, und diese Reaktion würde eine Beendigung des Katalysatorausräumens auslösen. Insgesamt würde sich jedoch auch bei einer solchen Beendigung eine zu geringe Füllung des Katalysators mit Sauerstoff einstellen, was suboptimal hohe CO und HC Emissionen zur Folge hätte.
Um dies zu vermeiden, wird die tatsächliche maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators sporadisch unter bestimmten repräsentativen Betriebsbedingungen, bei denen ein zuverlässiges Messergebnis zu erwarten ist, ausgemessen.
Der Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysatorausräumens bis zur Reaktion der ausgangsseitigen Abgassonde von mager zu Lambda = 1 liefert bei jedem Ausräumvorgang einen aktuellen Messwert für die maximale Sauerstoffkonzentration ohne zusätzliche Emissionen.
Weiter wird der bei der modellierten maximalen Speicherfähigkeit für das Katalysator-Ausräumen erwartete Sauerstoffaustrag bis zum Erreichen des stationären Füllstands-Sollwerts mit dem Sauerstoffaustrag verglichen, der auftritt, bis eine Lambdasonde hinter dem Katalysator anzeigt, dass das Katalysatorfenster wieder erreicht ist. Das Erreichen des Katalysatorfensters wird erkannt, wenn das Signal der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 bzw. nach fett wechselt.
Wenn die modellierte maximale Speicherfähigkeit (z.B. 100 Einheiten) kleiner als die tatsächliche (z.B. 200 Einheiten) ist, erreicht der modellierte Füllstand den stationären Sollwert (z.B. 30 % von 100 Einheiten = 30 Einheiten) dann, wenn 70 Einheiten ausgeräumt sind. Tatsächlich sind dann noch 130 Einheiten von 200 Einheiten vorhanden, bevor das Signal der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 wechselt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, zum einen den erwarteten Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysator-Ausräumens bis zum Erreichen des stationären Sollwerts und zum anderen den Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysator Ausräumens bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 zu bestimmen, beide ins Verhältnis zu setzen, und aus dem Verhältnis ein Maß für den Adaptionsbedarf der modellierten maximalen Speicherfähigkeit in diesem Betriebspunkt zu bestimmen.
Ein Adaptionsbedarf liegt immer dann vor, wenn für einen Betriebspunkt ein neuer maximaler modellierter Füllstand ermittelt wird, der von einem für den jeweiligen Betriebspunkt vorher gültigen maximalen modellierten Füllstand abweicht.
Der stationäre Sollwert liegt hier bei 30 Einheiten (30 % vom modellierten Wert (100 Einheiten)). Der von 100 Einheiten ausgehend erwartete Wert für den Sauerstoffaustrag beträgt dann 70 Einheiten. Der tatsächliche Austrag beträgt, ausgehend vom tatsächlichen Wert von 200 Einheiten bis zu 30 % (60 Einheiten) von diesem Wert 140 Einheiten. Der tatsächliche Austrag ist vom Steuergerät 16 aus im Steuergerät 16 vorliegenden Daten berechenbar. Das Verhältnis der beiden Größen beträgt 140 Einheiten zu 70 Einheiten gleich 2. Beide Werte sind unterschiedlich. Es besteht daher ein Adaptionsbedarf. In einer Ausgestaltung wird der alte Wert für die maximale modellierte Speicherfähigkeit von 100 Einheiten durch einen neuen Wert, der hier das Doppelte des alten Werts beträgt, überschrieben.
Wenn die modellierte maximale Speicherfähigkeit (zum Beispiel 100 Einheiten) hingegen größer als die tatsächliche (zum Beispiel 60 Einheiten) ist, wechselt das Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 von mager nach Lambda = 1, wenn der tatsächliche Füllstand den Wert von 30% des maximalen tatsächlichen Füllstands erreicht. Diese 30% entsprechen im vorliegenden Beispiel 18 Einheiten. Diese Restfüllung wird ausgehend von 60 Einheiten nach einem Ausräumen von 42 Einheiten erreicht. Diese Restfüllung wird insbesondere erreicht, bevor der modellierte Füllstand den stationären Sollwert (bei 30 Einheiten, also nach Austrag von 70 Einheiten) erreicht. Der modellierte Füllstand beträgt zu diesem Zeitpunkt noch 58 Einheiten.
Als Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysator-Ausräumens bis zum Wechsel des Signals der ausgangsseitigen Abgassonde 34 von mager (Sauerstoffüberschuss) nach Lambda = 1 (Stöchiometrie) wird in diesem Fall die Differenz zwischen modellierter maximaler Speicherfähigkeit (hier 100 Einheiten) und der Sauerstoffmasse, die dem modellierten Füllstand (hier 58 Einheiten) zum Zeitpunkt des Wechsels des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 entspricht (100 - 58 gleich 42 Einheiten), verwendet.
Der erwartete Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysator-Ausräumens bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreicht, entspricht auch in diesem Fall wieder einfach der Differenz zwischen modellierter maximaler Speicherfähigkeit (100 Einheiten) und stationärem Sollwert (30% von 100 gleich 30 Einheiten). Dieser erwartete Sauerstoffaustrag (von 70 Einheiten) wird mit dem Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 (hier 42 Einheiten) ins Verhältnis gesetzt, und aus dem Verhältnis wird auch hier ein Maß für den Adaptionsbedarf der modellierten maximalen Speicherfähigkeit in diesem Betriebspunkt bestimmt.
Im hier vorliegenden Beispiel ist es zielführend, die modellierte maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit (hier 100 Einheiten) mit dem Verhältnis des Sauerstoffaustrags bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 (hier 42 Einheiten) zu dem erwarteten Sauerstoffaustrag vom Beginn des Katalysator-Ausräumens bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreicht (hier 70 Einheiten) zu multiplizieren. Dieses Produkt hat im vorliegenden Fall den Wert 100 mal 42/70 = 60 Einheiten.
Dies entspricht im gewählten Beispiel der tatsächlichen maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit von 60 Einheiten und ist daher zielführend.
Wenn der Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 halb so hoch ist wie der erwartete Sauerstoffaustrag bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreichen würde, ist es zielführend, die modellierte maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit zu halbieren (also 100/2 gleich 50 Einheiten).
Sinngemäß lässt sich analog auch mit beim Katalysator-Einräumen, bei dem der Katalysator zunächst von Sauerstoff entleert ist und durch einen gezielten Sauerstoffeintrag schnellstmöglich ins Katalysatorfenster zurückgebracht werden soll, ein Adaptionsbedarf bestimmen.
Ein Adaptionsbedarf liegt immer dann vor, wenn für einen Betriebspunkt ein neuer maximaler modellierter Füllstand ermittelt wird, der von einem für den jeweiligen Betriebspunkt vorher gültigen maximalen modellierten Füllstand abweicht. Im Fall einer Abweichung ist bevorzugt, dass der vorher gültige maximale modellierte Füllstand durch den neu ermittelten maximalen Füllstand überschrieben wird.
Entscheidend ist, dass der Adaptionsbedarf jeweils für einen bestimmten Betriebspunkt bzw. eine Klasse von ähnlichen Betriebspunkten getrennt erfasst und gespeichert wird. Ein bestimmter Betriebspunkt, bzw. eine Klasse von ähnlichen Betriebspunkten ist dabei durch zugeordnete Änderungsbereiche von Betriebsparametern definiert, Beispielsweise ist ein Betriebspunkt durch eine bestimmte Katalysatortemperatur und einen bestimmten Abgasmassenstrom definiert. Die Klasse ähnlicher Betriebspunkte ist durch ein Intervall von Abgastemperaturen, das die bestimmte Abgastemperatur miteinschließt und durch ein Intervall von Abgasmassenströmen, das den bestimmten Abgasmassenstrom miteinschließt, definiert.
Die Speicherung erfolgt vorzugsweise in einem adaptiven Kennfeld 105, das im nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts 16 abgelegt wird.
Zum Beispiel bietet es sich an, ein Kennfeld 105 über der mittleren Katalysatortemperatur und dem Abgasmassenstrom aufzuspannen. Es sind aber auch andere Eingangsgrößen für das Kennfeld 105 zielführend, bei denen eine Abhängigkeit der modellierten maximalen Speicherfähigkeit von diesen Größen gegeben ist. Ein im Kennfeld für einen bestimmten Betriebspunkt gespeicherter Wert für den maximalen modellierten Sauerstofffüllstand des Katalysators wird, wenn ein neuer Wert für diesen Betriebspunkt ermittelt worden ist, durch den neuen Wert überschrieben.
Wenn der Motor bzw. die Abgasanlage in einem bestimmten Bereich der Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstroms betrieben wird, wird der Adaptionsbedarf erfasst und im entsprechenden Bereich des adaptiven Kennfelds 105 gespeichert. Falls in dem Kennfeld 105 in dem entsprechenden Bereich bereits ein Adaptionsbedarf gespeichert war, sollte in diesem Bereich typischerweise kein weiterer Adaptionsbedarf notwendig sein. Es ist jedoch vorteilhaft, auch in solchen Bereichen den Adaptionsbedarf weiter zu erfassen, und den bereits gespeicherten mit dem neu erfassten Adaptionsbedarf zu vergleichen und ggf. anzupassen. Nach und nach wird das Kennfeld 105 über den kompletten Bereich der Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstroms mit dem entsprechenden Adaptionsbedarf gefüllt, bzw. aktualisiert.
Dadurch wird nicht nur die Qualität des Katalysator-Ausräumens und Katalysator-Einräumens verbessert, die nur aktiviert werden, wenn der Katalysator das Katalysatorfenster verlassen hat, sondern auch die Qualität der regulären Regelung des Füllstands des Katalysators innerhalb des Katalysatorfensters. Ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters wird früher erkannt und Emissionen werden reduziert, weil Ungenauigkeiten der modellierten maximalen Speicherfähigkeit adaptiert werden. Der notwendige Adaptionsbedarf wird unmittelbar aus dem Kennfeld 105 abgerufen und ist deshalb sofort wirksam. Die Emissionen können dadurch weiter reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Adaption der modellierten maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeiten ergänzt durch Adaptionen weiterer Größen.
Insgesamt werden durch die verschiedenen Adaptionsvorgänge Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell 100 eingehen, kompensiert. Aus dem Umstand, dass der modellierte Wert λ_out,mod dem gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht, kann darauf geschlossen werden, dass auch der mit dem Streckenmodell 100, bzw. mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte Füllstand θ _mod dem mit on board Mitteln nicht messbaren Füllstand des Dreiwegekatalysators 26 entspricht. Dann kann ferner darauf geschlossen werden, dass auch das zum ersten Katalysatormodell 102 inverse zweite Katalysatormodell, das einen Teil der Vorsteuerung 104 bildet, das Verhalten der modellierten Strecke richtig beschreibt.
Dies kann dazu benutzt werden, mit dem inversen zweiten Katalysatormodell, das einen Teil der Vorsteuerung 104 bildet, einen Basis-Lambda-Sollwert zu berechnen. Der Vorsteuerung 104 wird dazu ein durch eine optionale Filterung 120 gefilterter Füllstandssollwert θ _set,flt als Eingangsgröße zugeführt. Die Filterung 120 erfolgt zu dem Zweck, nur solche Änderungen der Eingangsgröße der Vorsteuerung 104 zuzulassen, denen die Regelstrecke insgesamt folgen kann. Ein noch ungefilterter Sollwert θ _set wird dabei aus einem Speicher 118 des Steuergerätes 16 ausgelesen. Dazu wird der Speicher 118 bevorzugt mit aktuellen Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors 10 adressiert. Bei den Betriebskenngrößen handelt es sich zum Beispiel, aber nicht zwingend, um die vom Drehzahlsensor 25 erfasste Drehzahl und die vom Luftmassenmesser 18 erfasste Last des Verbrennungsmotors 10.
In dem Vorsteuerungsblock 104 wird zum einen ein Vorsteuerungslambdawert als Basis-Lambdasollwert BLSW und zum anderen eine Soll-Füllstands-Trajektorie abhängig von dem gefilterten Füllstands-Sollwert bestimmt. Parallel zu dieser Bestimmung wird in einer Verknüpfung 122 eine Füllstandsregelabweichung FSRA als Abweichung des mit dem Streckenmodell 100, bzw. des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierten Füllstandes θ _mod von dem gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt, bzw. von der Soll-Füllstands-Trajektorie, gebildet. Diese Füllstandsregelabweichung FSRA wird einem Füllstands-Regelalgorithmus 124 zugeführt, der daraus einen Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKW bildet. Dieser Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKW wird in der Verknüpfung 126 zu dem von der Vorsteuerung 104 berechneten Basis-Lambda-Sollwert BLSW addiert.
Die so gebildete Summe kann als Sollwert λ_in,set einer konventionellen Lambdaregelung dienen. Von diesem Lambda-Sollwert λ_in,set wird der von der ersten Abgassonde 32 bereitgestellte Lambda-Istwert λ_in,meas in einer Verknüpfung 128 subtrahiert. Die so gebildete Regelabweichung RA wird durch einen üblichen Regelalgorithmus 130 in eine Stellgröße SG konvertiert, die in einer Verknüpfung 132 zum Beispiel multiplikativ mit einem in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 vorbestimmten Basiswert BW einer Einspritzimpulsbreite t_inj verknüpft wird. Die Basiswerte BW sind in einem Speicher 134 des Steuergerätes 16 gespeichert. Die Betriebsparameter sind auch hier bevorzugt, aber nicht zwingend, die Last und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10. Mit der aus dem Produkt resultierenden Einspritzimpulsbreite t_inj werden die Einspritzventile 22 angesteuert.
Der konventionellen, in einem ersten Regelkreis erfolgenden Lambdaregelung wird auf diese Weise eine Regelung des Sauerstoff-Füllstands des Katalysators 26 überlagert, die in einem zweiten Regelkreis erfolgt. Dabei wird der mit Hilfe des Streckenmodells 100 modellierte mittlere Sauerstoff-Füllstand θ _mod zum Beispiel auf einen Sollwert θ _set,flt eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach Mager und Fett minimiert und so zu minimalen Emissionen führt. Wegen der Bildung des Basis-Lambda-Sollwert BLSW durch das invertierte zweite Streckenmodell der Vorsteuerung 104 wird die Regelabweichung der Füllstandsregelung gleich null, wenn der modellierte mittlere Füllstand θ _mod mit dem vorgefilterten Soll-Füllstand θ _set,flt identisch ist. Die Realisierung der Vorsteuerung 104 als Invertierung des Streckenmodells 100 hat den Vorteil, dass der Füllstands-Regelalgorithmus 124 nur dann eingreifen muss, wenn der mit Hilfe des Streckenmodells modellierte Ist-Füllstand des Katalysators von dem gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set abweicht.
Während das Streckenmodell 100 das Eingangslambda vor dem Katalysator in einen mittleren Sauerstofffüllstand des Katalysators umrechnet, rechnet die als invertiertes Streckenmodell realisierte Vorsteuerung 104 den mittleren Soll-Sauerstoff-Füllstand in ein entsprechendes Soll-Lambda vor dem Katalysator um.
Die Vorsteuerung 104 weist ein numerisch invertiertes Rechenmodell auf, das auf einem als bekannt vorausgesetzten ersten Streckenmodell 100 für den Katalysator 26 basiert. Die Vorsteuerung 104 weist insbesondere ein zweites Streckenmodell auf, dessen Gleichungssystem mit dem Gleichungssystem des ersten Streckenmodells 100 identisch ist, aber mit anderen Eingangsgrößen gespeist wird.
Die Vorsteuerung 104 stellt einen Vorsteuerungslambdawert BSLW für eine Lambdaregelung und eine Soll-Füllstands-Trajektorie abhängig von dem gefilterten Füllstandssollwert bereit. Zur Berechnung des Vorsteuerungslambdawerts BSLW, der dem gefilterten Füllstandssollwert entspricht, enthält der Vorsteuerungsblock 104 ein Rechenmodell, das einem zum Streckenmodell 100 inversen Streckenmodell entspricht, also einem Modell, das einem gefilterten Füllstandssollwert ein Basislambdasollwert BLSW als vorläufiger Vorsteuerungslambdawert zuweist. Bei passend gewähltem BLSW ergibt sich dann der gewünschte Füllstand.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass lediglich das Gleichungssystem für das Vorwärts-Streckenmodell 100, bzw. 100' ein weiteres Mal gelöst werden muss, nicht aber das nur mit hohem Rechenaufwand lösbare bzw. nicht lösbare Gleichungssystem für das Rückwärts-Streckenmodell der Vorsteuerung 104 aus der 3.
Das zu lösende Gleichungssystem wird iterativ durch Einschlussverfahren wie zum Beispiel Bisektionsverfahren oder Regula Falsi gelöst. Dabei wird der Basislambasollwert iterativ verändert. Einschlussverfahren wie die Regula Falsi sind allgemein bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur iterative Näherungswerte liefern, sondern dass sie diese auch von beiden Seiten her eingrenzen. Der Rechenaufwand zum Bestimmen des treffenden Basislambdasollwertes BLSW wird dadurch deutlich begrenzt.
Um den Rechenaufwand im Steuergerät 16 zu minimieren, werden bevorzugt Iterationsgrenzen festgelegt, die den Bereich bestimmen, in dem die Iteration durchgeführt wird. Vorzugsweise werden diese Iterationsgrenzen abhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen festgelegt. Es ist zum Beispiel vorteilhaft, die Iteration nur in einem möglichst kleinen Intervall um das zu erwartende Soll-Lambda BLSW auszuführen. Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Festlegung der Iterationsgrenzen den Eingriff der Füllstandsregelung 124 und Eingriffe anderer Funktionalitäten auf das Soll-Lambda BLSW zu berücksichtigen.
Mit Ausnahme des Abgassystems 26, der Abgassonden 32, 34, des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25 und der Einspritzventile 22 sind alle in der 3 dargestellten Elemente Bestandteile eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 16. Mit Ausnahme der Speicher 118, 134 sind dabei alle übrigen Elemente aus der 3 Teile des Motorsteuerungsprogramms 16.1, das im Steuergerät 16 gespeichert ist und darin abläuft.
Die Elemente 22, 32, 128, 130 und 132 bilden den ersten Regelkreis, in dem eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambda-Istwert das Signal λ_in,meas der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird. Der Lambda-Sollwert λ_in,set des ersten Regelkreises wird in dem zweiten Regelkreis gebildet, der die Elemente 22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132 aufweist.
Wie weiter oben unter Bezug auf die 3 bereits beschrieben wurde, führt ein dritter vom Block Adaption 114 ausgehender Adaptionspfad 200 zur Vorsteuerung 104. Über den dritten Adaptionspfad 200 erfolgt eine kontinuierliche Adaption, die sich auf mittlere Signalwerte der ausgangsseitigen Abgassonde 34 stützt.
Bei diesen mittleren Signalwerten zeigt das Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 den Lambdawert des Abgases genau an. Wenn in dem Lambdaregelkreis ein Offset Δλ_offs auftritt, was durch einen Fehler der eingangsseitigen Abgassonde 32 oder eine zwischen beiden Abgassonden erfolgende Leckluftzufuhr zum Abgas der Fall sein kann, wird das im Bereich mittlerer Signalwerte liegende Signal der ausgangsseitigen Abgassonde 34 diesen Offset Δλ_offs als Abweichung von einem erwarteten Wert anzeigen. Die Abweichung wird im Block 114 zum Beispiel als Differenz von Signalwert und Erwartungswert ermittelt und in der Vorsteuerung 104 additiv in den Lambdasollwert eingerechnet. Das kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass der Lambda-Offsetwert Δλ_offs zu einem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert addiert wird.
Adaptionsbedarf besteht dann, wenn die beiden Werte (Signalwert und Erwartungswert) sich unterscheiden, insbesondere um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert. Es ist vorteilhaft, den Soll-Lambdawert für den eingangsseitigen Lambdawert und die ermittelte Soll-Füllstandstrajektorie mit einem Lambda-Offsetwert zu korrigieren, der ein Maß für den Adaptionsbedarf darstellt. Dieses Maß für den Adaptionsbedarf ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten ausgangsseitigen Lambdawert und dem gemessenen ausgangseitigen Lambdawert insbesondere als deren Differenz als Lambda-Offsetwert.
Durch die Korrektur des Soll-Lambdawerts für den eingangsseitigen Lambdawert kann die Lambdaregelung unmittelbar auf Änderungen des Lambda-Offsetwerts reagieren. Da das Streckenmodell adaptiert wird, weicht zwar der modellierte mittlere Füllstand vom tatsächlichen Füllstand ab, da jedoch die Soll-Füllstands-Sollwerttrajektorie ebenfalls adaptiert wird, folgt sie dem falschen modellierten Füllstand des Streckenmodells, so dass der Füllstandsregler vor und nach der Adaption dieselbe Regelabweichung sieht. Sprünge der Regelabweichung, die zu einem Aufschwingen der Füllstandsregelung führen könnten, werden dadurch vermieden.
Es ist vorteilhaft, das Maß für den Adaptionsbedarf, d.h. eine Differenz aus dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert, mithilfe eines Filters in einem Adaptionsblock zu glätten, um den Lambda-Offsetwert zu erhalten. Das Filter kann beispielsweise als PT1-Filter ausgebildet sein und eine betriebspunktabhängige Zeitkonstante aufweisen, die z.B. aus einem entsprechenden parametrisierbaren Kennfeld entnommen werden kann. Dem Filter kann optional ein Integrator nachgeschaltet sein, um langfristige Effekte zu berücksichtigen. Im eingeschwungenen Zustand entspricht das gefilterte Signal genau dem Adaptionsbedarf.
Weiterhin ist es zweckmäßig, den Adaptionswert am Ende eines Fahrzyklus zu speichern und einen nächsten Fahrzyklus den entsprechenden Adaptionswert als Ausgangswert zu verwenden.
In einer Ausgestaltung ist als Option noch ein vierter Adaptionspfad 230 vorhanden. Der vierte Adaptionspfad führt vom Adaptionsblock 114 zu einem Block 240, in dem ein Lambda-Istwert der eingangsseitigen Abgassonde 32 additiv mit dem Lambda-Offsetwert verknüpft wird.
Die auf der Lambda-Ebene kontinuierlich erfolgende Adaption sollte zweckmäßigerweise früher oder später zu einer Korrektur an der Stelle führen, an der Lambda-Offset seine Ursache hat. In der Regel wird dies an der eingangsseitigen Abgassonde 32 der Fall sein. Deshalb ist es vorteilhaft, mit dem Signal Δλ_offs das Messsignal λ_in,meas der eingangsseitigen Abgassonde 32 zu korrigieren. In der 3 erfolgt dies im Block 240. Damit es hierdurch nicht zu einer doppelten Korrektur in der Vorsteuerung und dem Block 240 kommt, ist ein Handshake zwischen den Blöcken 240 und dem Adaptationsblock 114 vorteilhaft. Der Handshake erfolgt zum Beispiel über einen Handshake-Pfad 250 so, dass das Korrektursignal für den Block der Vorsteuerung 104 um den Betrag verringert wird, der im Block 240 mit dem Istwert des Signals der eingangsseitigen Abgassonde 32 verknüpft wird. Dazu kann die eine der beiden Korrekturen zum Beispiel mit einem Faktor x mit 0<x<1 multipliziert werden, wenn die andere der beiden Korrekturen mit dem Faktor (1-x) multipliziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19606652 B4 [0002, 0009]

Claims

Verfahren zur Regelung eines modellierten Füllstandes eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) eines Verbrennungsmotors (10), wobei die Regelung des modellierten Füllstands unter Verwendung eines Streckenmodells (100) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators (26) für die Abgaskomponente im Betrieb des Verbrennungsmotors (10) ermittelt und bei der Regelung des modellierten Füllstandes berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators (26) für die Abgaskomponente unter vorbestimmten Betriebsbedingungen, bei denen ein zuverlässiges Messergebnis zu erwarten ist, ausgemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abgaskomponente um Sauerstoff handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bestimmte Betriebszustand an eine Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung anschließt und dass der bestimmte Betriebszustand ein Betriebszustand ist, in dem eine in der Schiebebetriebsphase erfolgte Füllung des Abgaskomponentenspeichers mit Sauerstoff durch einen Eintrag von Abgas ausgeräumt wird, das einen Sauerstoffmangel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Betriebszustand ein Betriebszustand ist, in dem Betriebsparameter, mit denen ein adaptives Kennfeld (105) eines den Verbrennungsmotor (10) steuernden Steuergerätes (16) adressierbar ist, auf vorbestimmte Änderungsbereiche beschränkt sind, die ihrerseits vorbestimmten Werten der modellierten maximalen Speicherfähigkeit zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter eine mittlere Katalysatortemperatur und ein Abgasmassenstrom sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erwarteter Sauerstoffaustrag aus dem Abgaskomponentenspeicher heraus vom Beginn des Ausräumens bis zum Erreichen eines Sollwerts der Füllung des Abgaskomponentenspeichers und ein Sauerstoffaustrag vom Beginn des Ausräumens an bis zu einer Reaktion einer im Abgasstrom stromabwärts vom Katalysator (26) angeordneten Abgassonde (34) bestimmt wird, beide Werte ins Verhältnis gesetzt werden, und aus dem Verhältnis ein Maß für den Adaptionsbedarf der modellierten maximalen Speicherfähigkeit in diesem Betriebszustand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß für den Adaptionsbedarf als das Doppelte der modellierten maximalen Speicherfähigkeit bestimmt wird, wenn der Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator (26) von mager nach Lambda = 1 doppelt so hoch ist wie der erwartete Sauerstoffaustrag bis der modellierte Füllstand einen stationären Sollwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß für den Adaptionsbedarf als die Hälfte der modellierten maximalen Speicherfähigkeit bestimmt wird, wenn der Sauerstoffaustrag bis zum Wechsel des Signals der Lambdasonde hinter dem Katalysator von mager nach Lambda = 1 halb so hoch ist wie der erwartete Sauerstoffaustrag bis der modellierte Füllstand den stationären Sollwert erreichen würde.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsbedarf ein in einem Kennfeld (105) für einen bestimmten Betriebspunkt, der durch zugeordnete Änderungsbereiche von Betriebsparametern definiert ist, gespeicherter Wert für die maximale modellierte Speicherfähigkeit des Katalysators ist, und dass dieser Wert dann, wenn ein neuer Wert für diesen Betriebspunkt ermittelt worden ist, durch den neuen Wert überschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Betriebszustand eine Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung ist, während der eine Füllung des Abgaskomponentenspeichers durch Einräumen von Sauerstoff erfolgt.
Steuergerät (16), das dazu eingerichtet ist, einen modellierten Füllstand eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators eines Verbrennungsmotors zu regeln, wobei die Regelung des modellierten Füllstands unter Verwendung eines Streckenmodells erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, eine tatsächliche maximale Speicherfähigkeit des Katalysators für die Abgaskomponente im Betrieb des Verbrennungsmotors zu ermitteln und bei der Regelung des modellierten Füllstandes zu berücksichtigen.
Steuergerät (16) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10 durchzuführen.