DE10014224A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssytem - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem beschrieben. Eine den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems charakterisierende Größe (B) wird ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine bestimmt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnach­ behandlungssystem.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 199 06 287 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brenn­ kraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Bei dem dort beschriebenen System wird ein Partikelfilter eingesetzt, der im Abgas enthaltene Partikel ausfiltert. Zur genauen Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas­ nachbehandlungssystem muß der Zustand des Abgasnachbehand­ lungssystems bekannt sein. Insbesondere muß der Beladungszu­ stand des Filters, d. h. die Menge an ausgefilterten Parti­ keln bekannt sein.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der der Zustand des Abgas­ nachbehandlungssystems ermittelt werden kann. Insbesondere soll der Beladungszustand auch bei Ausfall verschiedener Sensoren bzw. ohne Verwendung spezieller Sensoren bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist eine einfache Ermittlung des Zustandes des Abgasnachbehandlungssystems möglich. Dadurch, daß die Größe, die den Zustand des Abgas­ nachbehandlungssystems charakterisiert ausgehend von wenig­ stens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine simu­ liert wird, werden keine zusätzlichen Sensoren benötigt. Bei der Verwendung von zusätzlichen Sensoren können diese über­ wacht und ein Notfahrbetrieb durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, daß lediglich Größen zur Simulation ver­ wendet werden, die bereits zur Steuerung der Brennkraftma­ schine verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Größe berücksichtigt wird, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas charakteri­ siert. Dadurch kann die Simulation des Zustandes des Abgas­ nachbehandlungssystems deutlich verbessert werden. dies gilt insbesondere in dynamischen Zuständen, das heißt insbesonde­ re beim Beschleunigen können genauerer Werte erzielt werden.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Simulation, Fig. 3 eine Kennlinie und Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung am Bei­ spiel einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dargestellt, bei der die Kraftstoffzumessung mittels eines sogenannten Common-Rail-Systems gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Systeme beschränkt. Sie kann auch bei anderen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.

Mit 100 ist eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die über ei­ ne Ansaugleitung 102 Frischluft zugeführt bekommt und über eine Abgasleitung 104 Abgase abgibt. In der Abgasleitung 104 ist ein Abgasnachbehandlungsmittel 110 angeordnet, von dem die gereinigten Abgase über die Leitung 106 in die Umgebung gelangen. Das Abgasnachbehandlungsmittel 110 umfaßt im we­ sentlichen einen sogenannten Vorkatalysator 112 und stromab­ wärts einen Filter 114. Vorzugsweise zwischen dem Vorkataly­ sator 112 und dem Filter 114 ist ein Temperatursensor 124 angeordnet, der ein Temperatursignal T bereitstellt. Vor dem Vorkatalysator 112 und nach dem Filter 114 sind jeweils Sen­ soren 120a und 120b vorgesehen. Diese Sensoren wirken als Differenzdrucksensor 120 und stellen ein Differenzdrucksi­ gnal DP bereit, daß den Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang des Abgasnachbehandlungsmittel charakterisiert.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Sen­ sor 125 vorgesehen, der ein Signal liefert, das die Sauer­ stoffkonzentration im Abgas charakterisiert. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, daß diese Größe ausgehend von anderen Messwerten berechnet oder mittels einer Simula­ tion bestimmt wird.

Der Brennkraftmaschine 100 wird über eine Kraftstoffzu­ meßeinheit 140 Kraftstoff zugemessen. Diese mißt über Injek­ toren 141, 142, 143 und 144 den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 100 Kraftstoff zu. Vorzugsweise handelt es sich bei der Kraftstoffzumeßeinheit um ein sogenanntes Common-Rail-System. Eine Hochdruckpumpe Kraftstoff fördert Kraftstoff in einen Druckspeicher. Vom Speicher gelangt der Kraftstoff über die Injektoren in die Brennkraftmaschine.

An der Kraftstoffzumeßeinheit 140 sind verschiedene Sensoren 151 angeordnet, die Signale bereitstellen, die den Zustand der Kraftstoffzumeßeinheit charakterisieren. Hierbei handelt es sich bei einem Common-Rail-System beispielsweise um den Druck P im Druckspeicher. An der Brennkraftmaschine 100 sind Sensoren 152 angeordnet, die den Zustand der Brennkraftma­ schine charakterisieren. Hierbei handelt es sich vorzugswei­ se um einen Drehzahlsensor, der ein Drehzahlsignal N bereit­ stellt und um weitere Sensoren, die nicht dargestellt sind.

Die Ausgangssignale dieser Sensoren gelangen zu einer Steue­ rung 130, die als einer erste Teilsteuerung 132 und einer zweiten Teilsteuerung 134 dargestellt ist. Vorzugsweise bil­ den die beiden Teilsteuerungen eine bauliche Einheit. Die erste Teilsteuerung 132 steuert vorzugsweise die Kraftstoff­ zumeßeinheit 140 mit Ansteuersignalen AD, die die Kraft­ stoffzumessung beeinflussen, an. Hierzu beinhaltet die erste Teilsteuerung 132 eine Kraftstoffmengensteuerung 136. Diese liefert ein Signal ME, daß die einzuspritzende Menge charak­ terisiert, an die zweite Teilsteuerung 134.

Die zweite Teilsteuerung 134 steuert vorzugsweise das Abgas­ nachbehandlungssystem und erfaßt hierzu die entsprechenden Sensorsignale. Desweiteren tauscht die zweite Teilsteuerung 134 Signale, insbesondere über die eingespritzte Kraftstoff­ menge ME, mit der ersten Teilsteuerung 132 aus. Vorzugsweise nutzen die beiden Steuerungen gegenseitig die Sensorsignale und die internen Signale.

Die erste Teilsteuerung, die auch als Motorsteuerung 132 be­ zeichnet wird, steuert abhängig von verschiedenen Signalen, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 100, den Zu­ stand der Kraftstoffzumeßeinheit 140 und die Umgebungsbedin­ gung charakterisieren sowie einem Signal, das die von der Brennkraftmaschine gewünschte Leistung und/oder Drehmoment charakterisiert, das Ansteuersignal AD zur Ansteuerung der Kraftstoffzumeßeinheit 140. Solche Einrichtungen sind be­ kannt und vielfältig eingesetzt.

Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen können Partikele­ missionen im Abgas auftreten. Hierzu ist es vorgesehen, daß die Abgasnachbehandlungsmittel 110 diese aus dem Abgas her­ ausfiltern. Durch diesen Filtervorgang sammeln sich in dem Filter 114 Partikel an. Diese Partikel werden dann in be­ stimmten Betriebszuständen und/oder nach Ablauf bestimmter Zeiten verbrannt, um den Filter zu reinigen. Hierzu ist üb­ licherweise vorgesehen, daß zur Regeneration des Filters 114 die Temperatur im Abgasnachbehandlungsmittel 110 soweit er­ höht wird, daß die Partikel verbrennen.

Zur Temperaturerhöhung ist der Vorkatalysator 112 vorgese­ hen. Die Temperaturerhöhung erfolgt beispielsweise dadurch, daß der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas erhöht wird. Diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe reagie­ ren dann in dem Vorkatalysator 112 und erhöhen dadurch des­ sen Temperatur und damit auch die Temperatur des Abgases, das in den Filter 114 gelangt.

Diese Temperaturerhöhung des Vorkatalysators und der Abga­ stemperatur erfordert einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und soll daher nur dann durchgeführt werden, wenn dies erforder­ lich ist, d. h. der Filter 114 mit einem gewissen Anteil von Partikeln beladen ist. Eine Möglichkeit den Beladungszustand zu erkennen besteht darin, den Differenzdruck DP zwischen Eingang und Ausgang des Abgasnachbehandlungsmittel zu erfas­ sen und ausgehend von diesem den Beladungszustand zu ermit­ teln. Dies erfordert einen Differenzdrucksensor 120.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ausgehend von verschie­ denen Größen, insbesondere der Drehzahl N und der einge­ spritzten Kraftstoffmenge ME die erwartete Partikelemissio­ nen bestimmt und dadurch der Beladungszustand simuliert wird. Wird ein entsprechender Beladungszustand erreicht, wird durch Ansteuerung der Kraftstoffzumeßeinheit 140 die Regeneration des Filters 114 durchgeführt. Anstelle der Drehzahl N und der eingespritzten Kraftstoffmenge ME können auch andere Signale, die diese Größe charakterisieren ver­ wendet werden. So kann beispielsweise das Ansteuersignal, insbesondere die Ansteuerdauer, für die Injektoren und/oder eine Momentengröße als Kraftstoffmenge ME verwendet werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird neben der eingespritzten Kraftstoffmenge ME und der Drehzahl N auch die Temperatur T im Abgasnachbehandlungssystem zur Berech­ nung des Beladungszustandes verwendet. Hierzu wird vorzugs­ weise der Sensor 124 eingesetzt. Die so berechnete Größe für den Beladungszustand wird dann zur Steuerung des Abgasnach­ behandlungssystems verwendet, d. h. abhängig von dem Bela­ dungszustand wird dann die Regeneration über die Tempera­ turerhöhung eingeleitet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn neben der Berechnung auch eine Messung des Beladungszustands über den Differnzdruck­ sensor 120 erfolgt. In diesem Fall ist eine Fehlerüberwa­ chung des Systems möglich. Dies heißt die simulierte Größe B und die gemessen Größe BI des Beladungszustandes werden zur Erkennung von Fehlern im Abgasnachbehandlungssystem verwen­ det. Bei einem erkannten Fehler des Differenzdrucksensors 120 kann dann ein Notlaufbetrieb zur Steuerung des Abgas­ nachbehandlungssystems mittels der simulierten Größe, die den Beladungszustand charakterisiert, durchgeführt werden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Bela­ dungszustandes bzw. der Größe B, die den Zustand des Abgas­ nachbehandlungssystems charakterisiert, ist in der Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschrie­ bene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeich­ net.

Einem Grundkennfeld 200 werden die Ausgangssignale N eines Drehzahlsensors 152, eine Größe ME der Kraftstoffzumeßsteue­ rung 136, die die eingespritzte Kraftstoffmenge kennzeich­ net, und/oder eine Größe, die die Sauerstoffkonzentration charaktersiert, zugeleitet. Vorzugsweise wird die Größe, die die Sauerstoffkonzentration charaktersiert, mittels eines Sensors oder einer Berechnung 125 vorgegeben.

Das Grundkennfeld 200 beaufschlagt einen ersten Verknüp­ fungspunkt 205 mit einer Größe GR, die den Grundwert des Partikelausstoßes charakterisiert. Der erste Verknüpfungs­ punkt 205 beaufschlagt einen zweiten Verknüpfungspunkt 210 mit einem Signal, der wiederum einen Integrator 220 mit ei­ ner Größe KR, die den Partikelzuwachs im Filter 114 charak­ terisieren, beaufschlagt. Der Integrator 220 liefert eine Größe B, die den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems charakterisiert. Diese Größe B entspricht dem Beladungszu­ stand des Filters 114. Diese Größe B wird der Steuerung 130 zur Verfügung gestellt.

Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 205 liegt das Ausgangssignal einer erste Korrektur 230, der das Ausgangs­ signal verschiedener Sensoren 235 zugeleitet wird. Die Sen­ soren 235 liefern Signale, die insbesondere die Umgebungsbe­ dingung charakterisieren. Dies sind z. B. die Kühlwassertem­ peratur TW, die Lufttemperatur und der Luftdruck PL. Dem zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 210 wird über ein Schaltmittel 245 das Ausgangssignal einer zweiten Korrektur 240 zugeleitet. Der zweiten Korrektur 240 wird das Ausgangs­ signal T des Sensors 124 zugeleitet. Alternativ kann über das Schaltbild 245 dem zweiten Eingang des zweiten Verknüp­ fungspunktes 210 auch das Ausgangssignal einer Ersatzwert­ vorgabe 249 zugeleitet werden. Das Schaltmittel 245 wird von einer Fehlererkennung 248 angesteuert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einfluss der Sauer­ stoffkonzentration im Abgas mittels einer weiteren Korrek­ tur, entsprechend der Korrektur 230, erfolgt.

In dem Grundkennfeld 200 sind abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl N, der eingespritzte Menge ME und/oder der Größe, die die Sauer­ stoffkonzentration charaktersiert, der Grundwert GR der Par­ tikelemission abgelegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Drehzahl N und die Größe, die die Sauerstoffkonzentrati­ on charaktersiert, berücksichtigt wird. Ferner ist vorteil­ haft, wenn die Drehzahl N und die eingespritzte Menge ME berücksichtigt wird.

Neben diesen Größen können noch weitere Größen berücksich­ tigt werden. Anstelle der Menge ME kann auch eine Größe ver­ wendet werden, die die Menge an eingespritztem Kraftstoff charakterisiert.

In dem ersten Verknüpfungspunkt 205 wird dieser Wert abhän­ gig von der Temperatur des Kühlwassers und der Umgebungsluft sowie dem Atmosphärendruck korrigiert. Diese Korrektur be­ rücksichtigt deren Einfluß auf den Partikelausstoß der Brennkraftmaschine 100.

In dem zweiten Verknüpfungspunkt 210 wird der Einfluß der Temperatur des Katalysators berücksichtigt. Die Korrektur berücksichtigt, daß ab einer bestimmten Temperatur T1 die Partikel in dem Filter nicht abgelagert, sondern unmittelbar in unschädliche Bestandteile umgesetzt werden. Unterhalb dieser Temperatur T1 erfolgt keine Umsetzung und die Parti­ kel werden alle im Filter abgelagert.

Die zweite Korrektur 240 gibt abhängig von der Temperatur T des Abgasnachbehandlungsmittels 110 einen Faktor F vor, mit dem die Grundemission GR vorzugsweise multipliziert wird.

Der Zusammenhang zwischen dem Faktor F und der Temperatur T ist in Fig. 3 dargestellt. Bis zu der Temperatur T1 nimmt der Faktor F den Wert 1 an. Dies bedeutet unterhalb der Tem­ peratur T1 wird in dem Verknüpfungspunkt 210 der Grundwert GR derart mit dem Faktor F verknüpft, daß der Wert KR gleich dem Wert GR ist. Ab der Temperatur T1 nimmt der Faktor F ab und erreicht bei einer bestimmten Temperatur T2 den Wert Null, d. h. die gesamte Emission an Partikeln wird unmittel­ bar in unschädliche Bestandteile umgesetzt, d. h. dem Filter 114 werden keine Partikel mehr zugeführt. Übersteigt die Temperatur den Wert T3, so nimmt der Faktor den negativen Wert -x an. Dies bedeutet, obwohl dem Filter 114 Partikel zugeführt werden, verringert sich die Beladung des Filters 114.

Wird von der Fehlererkennung 248 ein defektes Temperatursen­ sor T24 erkannt, so wird anstelle des Temperaturwerts T ein Ersatzwert der Ersatzwertvorgabe 249 verwendet. Vorzugsweise wird dieser Ersatzwert ebenfalls abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen, wie beispielsweise der eingespritzten Kraftstoffmenge ME vorgegeben.

Dieser so korrigierte Wert KR, der den Partikelwert charak­ terisiert, der zur Beladung des Filters 114 führt, wird dem Integrator 220 zugeleitet. Dieser Integrator 220 summiert die Größe über der Zeit auf und gibt ein Signal B ab, daß den Beladungszustand des Filters 114 charakterisiert. Das korrigierte Ausgangssignal des Grundkennfeldes wird zur Er­ mittlung des Beladungszustandes B des Filter 114 aufinte­ griert.

Üblicherweise wird das Signal B, daß den Beladungszustand des Filters 114 charakterisiert, unmittelbar zur Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems verwendet. Durch die Verwen­ dung einer simulierten Größe können verschiedene Sensoren, insbesondere der Differenzdrucksensor 120 eingespart werden.

Erfindungsgemäß wird der Beladungszustand ausgehend von we­ nigstens der Drehzahl und/oder der einzuspritzenden Kraft­ stoffmenge, bzw. entsprechender Signale, aus einem Kennfeld ausgelesen. Dieser so ermittelte Grundwert wird anschließend korrigiert. Insbesondere ist ein Korrektur abhängig von der Temperatur des Abgasnachbehandlungsmittels, insbesondere des Partikelfilters, vorgesehen. Diese Korrektur berücksichtigt die temperaturabhängige ständige Regeneration des Filters Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Simulation zur Berechnung des Beladungszustandes B ist mit 400 bezeich­ net. Diese Simulation 400 liefert ein Signal B bezüglich des Beladungszustandes des Filters 114. Desweiteren ist eine Be­ rechnung 420 vorgesehen, der das Ausgangssignal DP des Dif­ ferenzdrucksensors 120 zugeleitet wird. Sowohl die Simulati­ on 400 als auch die Berechnung 420 liefern Signale an ein Schaltmittel 410, daß wahlweise eines der Signale auswählt und der Steuerung 130 bereitstellt. Das Schaltmittel 410 wird von einer Fehlererkennung 415 angesteuert.

Ausgehend von dem Differenzdruck DP, der mittels des Diffe­ renzdrucksensors 120 gemessen wird, kann der Luftdurchsatz V gemäß der nachfolgenden Formel berechnet werden.

Dabei entspricht die Größe MH der mittels eines Sensors ge­ messenen Luftmenge, bei der Größe R handelt es sich um eine Konstante. Ausgehend von diesem so berechneten Luftdurchsatz kann dann vorzugsweise mittels eines Kennfeldes der Bela­ dungszustand BI berechnet werden.

Ausgehend von diesem Beladungszustand BI erfolgt im Normal­ betrieb die Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems. Bei einem Fehler des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere im Bereich der Ermittlung oder der Erfassung des Differenz­ druckes DP, steuert die Fehlererkennung 415 das Schaltmittel 410 derart an, daß das Signal B der Simulation 400 zur Steuerung der Abgasnachbehandlung verwendet wird.

Im Notlauf wird die Größe (B) zur Steuerung des Abgasnachbe­ handlungssystems verwendet wird. Die Steuerung erfolgt ab­ hängig von der Größe (B), die den Beladungszustand charakte­ risiert und/oder weiteren Signalen. Mittels der simulierten Größe kann ein sehr genauer Notlaufbetrieb realisiert wer­ den. Besonders vorteilhaft ist, daß bei der Verwendung nur im Notlaufbetrieb eine einfache Simulation mit nur wenigen Signalen zum Einsatz gelangt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die berechnete Größe (BI) und die simulierte Größe (B) des Beladungszustandes auf Plausibilität geprüft werden, und daß bei einer Unplausibi­ lität ein Fehler des Abgasnachbehandlungssystems erkannt wird. Eine Unplausibilität wird beispielsweise erkannt, wenn die Differenz der beiden Größen größer als ein Schwellenwert ist. Dies bedeute, daß die Größe (B) des Beladungszustandes zur Erkennung des Fehlers verwendet wird. Durch diese Maß­ nahme ist eine einfache und genaue Fehlererkennung möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit ei­ nem Abgasnachbehandlungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems cha­ rakterisierende Größe (B) ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine simuliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (B) ausgehend von wenigstens der Drehzahl (N) und/oder einem die eingespritzte Kraftstoffmenge charak­ terisierenden Signal (NE) simuliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich eine Größe berücksichtigt wird, die die Sauer­ stoffkonzentration im Abgas charakterisiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Größe, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas charaktersiert, ausgehend von Betriebskenngrößen bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich die Temperatur (T) im Abgasnachbehandlungssystem zur Simulation der Größe (B) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (B) im Normalbetrieb zur Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (B) zur Erkennung eines Fehlers verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (B) im Notlauf zur Steue­ rung des Abgasnachbehandlungssystems verwendet wird.

9. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine den Zustand des Ab­ gasnachbehandlungssystems charakterisierende Größe (B) ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine bestimmen.