DE102004001249A1

DE102004001249A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102004001249A1
Application number: DE102004001249A
Authority: DE
Inventors: Erwin Bauer; Dietmar Ellmer; Thorsten Lauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-08-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine. DOLLAR A Um eine schnelle Aufheizung eines Katalysators auf seine Betriebstemperatur unter möglichst vollständiger Umsetzung von zusätzlich in den Abgastrakt eingebrachtem Kraftstoff beziehungsweise Kraftstoff-Bestandteilen durch ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung sicherzustellen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, wonach auf der Grundlage eines Modells (6) unter Verwendung von Betriebsgrößen als Eingangssignal (2) ein Erwartungswert für einen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4), der für ein schnelles Aufheizen des Katalysators auf eine Mindestbetriebstemperatur erforderlich ist, ermittelt und mit einer charakterisierenden Größe für den realen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4) zur Ermittlung einer Regelabweichung verglichen wird und eine Regelabweichung zu einer Korrektur des Modells (6) verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine.
Um bestehende und künftige Abgasvorschriften einhalten zu können, werden bei modernen Verbrennungskraftmaschinen ausnahmslos Abgasreinigungsanlagen zur Behandlung der Verbrennungsabgase eingesetzt. Der zahlenmäßig größte Anteil derartiger Vorrichtungen wird in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die durch Ottomotoren angetrieben werden. Ohne Verzicht auf andere Einsatzmöglichkeiten, wie beispielsweise in Spitzenlast- und/oder Blockheizkraftwerken, wird daher nachfolgend nur auf den Kraftfahrzeugsektor eingegangen.
Einen wesentlichen Bestandteil eines Abgasreinigungssystems stellt ein sogenannter Katalysator dar. Der Katalysator besteht dabei aus einem porösen und von dem Abgas zu durchströmenden Keramikkörper, der an seiner Oberfläche mit dem eigentlich katalytisch wirkenden Stoff, in der Regel Platin, beschichtet ist. Durch den oberflächlichen Kontakt mit dem katalytisch wirkenden Stoff werden im Abgasstrom enthaltene Schadstoffe zu solchen Verbindungen oxidiert, die als unschädlich definiert worden sind. Katalysatoren arbeiten jedoch erst ab einer bestimmten Mindestbetriebstemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Diese minimale Betriebstemperatur liegt bei ca. 200° C. Beim Kaltstart eines Kraftfahrzeugs ist es daher notwendig, Maßnahmen zum schnellen Erwärmen des Katalysator-Bauteils zu ergreifen, um einen Schadstoff-Ausstoß zu minimieren und Umweltauflagen zu genügen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators bekannt. Eine Methode besteht darin, reaktive Kraftstoffbestandteile, insbesondere Kohlenwasserstoff-Verbindungen und Kohlenmonoxid, bei ausreichender Zugabe von Sauerstoff im Abgastrakt miteinander exotherm reagieren zu lassen. Die im Rahmen dieser Reaktion frei werdende Wärmemenge wird durch den Abgasstrom selber zum Katalysator befördert und verhilft dort zu einem schnellen Erreichen der Mindestbetriebstemperatur des Katalysators.
Aufgrund ihres besseren Füllungsgrades und damit eines besseren Verhältnisses zwischen Motorleistung und Abgasvolumen werden in fortschreitendem Maße an Stelle von nicht aufgeladenen Motoren bzw. Saugmotoren aufgeladene Motoren verwendet. Zur Katalysator-Aufheizung ist es bei aufgeladenen Motoren bei richtiger Wahl der Betriebsparameter möglich, im Ladungswechsel-OT einen sogenannten Spülvorgang zu bewirken. Im Rahmen eines Spülvorganges wird ein Teil des unverbrannten Frischgasgemisches, das über die Einlasskanäle in den Zylinder einströmt, direkt über noch offene Auslassventile in den Abgastrakt eingeleitet. Damit steht dann im Abgastrakt in ausreichendem Umfang reaktionsfähiges Gemisch zur Verfügung, um ein schnelles Aufheizen des Katalysators zu bewirken.
Zur Realisierung eines vorstehend beschriebenen Spülvorganges ist ein Druckgefälle zwischen dem Bereich der Einlassventile und dem Abgastrakt notwendig. Dieses Druckgefälle kann bei aufgeladenen Motoren durch einen Abgas-Turbo-Lader ATL realisiert werden, nicht hingegen bei Saugmotoren. Als aufgeladene Motoren sind alle Arten von Kompressormotoren und/oder Turbomotoren einsetzbar. Bei Turbomotoren eignen sich besonders zweistufige Varianten nach der sogenannten Registeraufladung, da hier mit einem vergleichsweise kleinen Lader auch im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich das notwendige Druckgefälle realisiert werden kann. Damit ist hier auch im Leerlauf und einem leerlaufnahen Bereich, wie beispielsweise dem Startvorgang, ein effektiver Spülvorgang zur beschleunigten Katalysator-Aufheizung realisierbar. Ferner sind auch aufgeladene Motoren zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfah rens geeignet, bei denen ein elektrisch angetriebener Lader beziehungsweise ein sogenannter E-Booster verwendet wird.
Eine weitere notwendige Voraussetzung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens stellt eine in weiten Bereichen freie Wahl der Ventilsteuerzeiten dar. Eine richtige Wahl der Ventilsteuerzeiten ist notwendig, um einerseits die Laststeuerung, andererseits aber auch die für den Spülvorgang notwendige Ventilüberschneidung zu realisieren. Bekannte Lösungen setzen hierzu variable Ventilsteuerungen ein, beispielsweise Nockenwellenversteller, oder aber elektromechanische Ventiltriebe. In jedem Fall ist das zeitliche Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile in vorgebbarer Relation zu einer jeweiligen Kurbelwellenposition zu regeln.
Durch den vorstehend beschriebenen Spülvorgang ist es also bei aufgeladenen Motoren möglich, Frischgas bzw. unverbranntes Gemisch mit ausreichendem Sauerstoff-Anteil in den Abgastrakt einzubringen. Den zu einer Verbrennung notwendigen Kraftstoff erhält man, indem im nachfolgenden oder im bereits vorausgegangenen Verbrennungstakt fettes Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis von λ < 1 verbrannt wird. Da bei diesem Vorgang der vorhandene Kraftstoff aufgrund von Sauerstoffmangel nicht vollständig verbrannt wird, gelangen beim Ausstoßen reaktionsfähige Kohlenwasserstoff-Partikel in den vorgeheizten Abgastrakt. Dort werden die Kohlenwasserstoffe mit dem nun vorhandenen Sauerstoff zur Reaktion gebracht, wobei zusätzliche Wärme zum Aufheizen des Katalysators freigesetzt wird.
Um eine im Wesentlichen vollständige Aufoxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff-Molekülen bei maximalem Wärmeeintrag in das Abgas und insbesondere in den Katalysator zu erreichen, ist ein günstiges Mischungsverhältnis zwischen Kraftstoff und Sauerstoff im Abgastrakt einzustellen. Dabei gestaltet sich jedoch die Kontrolle des in dem Abgastrakt für eine nachfolgende Reaktion vorhandenen Frischluftanteils als schwierig. Dies gilt auch im Fall der Verwendung einer separaten Pumpe zur Einspeisung von Sekundärluft, wobei diese vergleichsweise aufwändige Alternative nachfolgend nicht weiter verfolgt werden soll.
Ob nun Sekundärluft zugeführt wird, oder ob in der vorstehend beschriebenen Art und Weise durch Ladungswechsel mit Spüleffekt beziehungsweise Scavenging ein ausreichender Frischluftanteil bereitgestellt werden soll, jede Lösung mündet stets in dem gleichen Problem: Ein jeweiliger Frischluftanteil an dem reaktiven Gemisch im Abgastrakt ist messtechnisch nicht ausreichend zuverlässig erfassbar. Eine Ansaugluftmasse wäre prinzipiell über Masse-Sensoren, Drucksensoren und/oder ein Saugrohrmodell mit Sensorabgleich im Ansaugtrakt zu bestimmen. Beiden vorstehend genannten Möglichkeiten einer Frischluft-Zuführung in den Abgastrakt hinein haftet jedoch das Problem an, dass für eine nahezu vollständige Aufoxidation von Kraftstoff-Bestandteilen das Verhältnis von Frischluft zu eben diesen Kraftstoff-Anteilen entscheidend ist. Dementsprechend muss dieses Verhältnis sehr genau eingeregelt werden, was auf unsicherer Datengrundlage kaum möglich ist. Bei Systemen nach dem Stand der Technik steht damit eine wesentliche Information nicht zur Verfügung, so dass Heizphasen für Abgas-Katalysatoren von einem Kaltstart bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur von ca. 20 s in Kauf genommen werden müssen. Während dieser Zeit einer Startphase der Verbrennungskraftmaschine liegt i.d.R. ein überhöhter Kraftstoff-Verbrauch bei zu hoher Schadstoff-Emission vor.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schnelle Aufheizung eines Katalysators auf seine Betriebstemperatur unter möglichst vollständiger Umsetzung von zusätzlich in den Abgastrakt eingebrachten Kraftstoff beziehungsweise Kraftstoff-Bestandteilen durch ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Grundlage eines Ladungswechselmodells unter Verwendung von Betriebsgrößen ein Erwartungswert für einen Sauerstoffanteil im Abgastrakt, der für ein schnelles Aufheizen des Katalysators auf eine Mindestbetriebstemperatur erforderlich ist, ermittelt und mit einer charakterisierenden Größe für den realen Sauerstoffanteil im Abgastrakt zur Ermittlung einer Regelabweichung verglichen wird und eine Regelabweichung zu einer Korrektur des Modells verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird also eine schwierige und unsichere direkte Messung von Sauerstoff in einem jeweiligen Abgastrakt durch die Bestimmung einer für den realen Sauerstoffanteil charakterisierenden Größe ersetzt. Grundlage der eigentlichen Regelung ist ein Modell für den Ladungswechsel. Dieses Modell ermittelt unter Verwendung von Betriebsgrößen die Eingangsbedingungen und Einstellungen, um einen gewünschten Sauerstoffanteil im Abgastrakt zu erhalten.

Dieses Modell ist zudem durch eine fortlaufende Korrektur selbstlernend. Aufwändige Einrichtungen und Abgleiche entfallen damit. Dabei wird diese Korrektur in vorteilhafter Weise als einfacher Abgleich seiner an jeweilige Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine gebundenen Erwartungswerte mit entsprechenden realen Werten der charakterisierenden Größe vorgenommen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach bedient sich ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhafterweise eines Signals, das in heute üblicherweise eingesetzten geregelten Abgas-Behandlungsvorrichtungen bereits vorhanden ist: Als charakterisierende Größe wird ein Ausgangssignal einer λ-Sonde verwendet. Derartige keramische Sonden werden in bekannter Weise durch eine eigene Heizvorrichtung auf Temperaturen von ca. 300°C aufgeheizt und messen an einer äußeren Elektrodenseite den Sauerstoffgehalt der Außen- bzw. Umgebungsluft und an ei ner Innenseite den Sauerstoffgehalt im Abgastrakt. Bei der üblichen Verwendung von Zirkonium-Oxid-Keramik verändert sich eine außen abnehmbare Spannung als Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils auf beiden Seiten der Sonde. Dieses Ausgangssignal wird in einer Ausführungsform als charakterisierende Größe verwendet. Der Restsauerstoffgehalt im Abgas ist in starkem Maße von der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches vor der Verbrennung abhängig, das der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wurde. Diese Abhängigkeit ermöglicht es, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das Luft-Kraftstoff-Gemisch vor der Verbrennung heranzuziehen. Hierauf baut in bekannter Weise ein Regelkreis auf, der zur genaueren Einstellung einer Gemischzusammensetzung bei minimiertem Ausstoß schädlicher Verbrennungsprodukte nach dem Durchlaufen des Katalysators benutzt wird. Die einzuregelnde Einstellung liegt für einen Katalysator, der sich auf Betriebstemperatur befindet, im Bereich eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von λ ≈ 1.

Dabei ist auch bei einer Verbrennung mit Kraftstoffüberschuss und dementsprechend λ < 1 im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine noch ein Restsauerstoff-Anteil vorhanden. Gerade in einer Startphase wird eine Verbrennungskraftmaschine mit fettem Gemisch, also mit Kraftstoffüberschuss betrieben. Hierdurch wird das Anspringen einer selbsterhaltenden Bewegung sichergestellt. Der Katalysator befindet sich hierbei jedoch noch weit unterhalb seiner minimalen Betriebstemperatur. Für die Umsetzung verbleibender Kraftstoffanteile in dem warmen Abgasstrom muss nun weiterer Sauerstoff im Abgastrakt zugesetzt werden. Dadurch wird zum einen ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von λ ≈ 1 erreichbar, zum anderen wird zusätzliche Wärme zum schnelleren Aufheizen des Katalysators freigesetzt, wodurch der Schadstoffgehalt im Abgas noch effektiver und schneller gesenkt wird.

Nach dem Stand der Technik wird ein Betriebszustand einer Verbrennung mit Kraftstoffüberschuss und dementsprechend λ < 1 im Abgas zum Aufheizung des Katalysators noch lange jenseits einer eigentlichen Startphase der Verbrennungskraftmaschine aufrecht erhalten. Demgegenüber stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren eine in der Regel wirtschaftlichere und von der Abgasmenge her betrachtet auch ökologischere Maßnahme dar: Anhand des gemessenen λ-Wertes wird über das Modell eine beizumischende Frischluft-Menge bestimmt, so dass nun im Abgastrakt ein vorgeheiztes und damit selbstentzündliches Gemisch bei λ > 1 vorliegt. Verbleibende Kraftstoffanteile werden so in deutlich verbessertem Umfang umgesetzt, wobei die zusätzlich freiwerdende Wärme eine Aufheizperiode des Katalysators noch verkürzt.

Vorzugsweise wird in einer Vorrichtung eine λ-Sonde mit im Wesentlichen linearer Kennlinie eingesetzt. Durch die Verwendung einer sogenannten linearen λ-Sonde wird die Regelungsgeschwindigkeit und die Regelungsgenauigkeit außerhalb des relativ engen Fensterbereiches herkömmlicher binärer Sonden wesentlich erhöht, da ausreichend große Veränderungen eines Ausgangssignals in jedem λ-Bereich auftreten.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine mit variablen Ventil-Steuerzeiten verwendet. Besonders vorteilhafter Weise findet ein variabler Ventiltrieb Anwendung. Ein variabler Ventiltrieb ist ein wesentliches technisches Merkmal einer neuen Generation von Brennkraftmaschinen. Unter elektronischer Regelung werden hierin die Gaswechsel-Hubventile unter Maßgabe einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung durch separate Aktuatoren geöffnet und geschlossen. Der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventils kann dabei im wesentlichen frei gewählt werden. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen aktuellen Betriebszustand angepasst werden, der durch Drehzahl und Last definiert ist. Im Rahmen dieser Anpassung können so auch Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emission, Komfort und An sprechverhalten eines von der betreffenden Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs eingeregelt werden.

Variable Ventiltriebe bieten aber je nach Ausführungsprinzip zahlreiche weitere Einflussmöglichkeiten. Elektromechanische oder elektrohydraulische Verstellsysteme liefern zum Beispiel auch in Bezug auf die Ventilöffnungs- und Schließzeiten maximale Flexibilität, und dies sowohl auf der Einlass- als auch auf der Auslassventilseite. Damit kann nicht nur der komplette Ladungswechselvorgang beeinflusst werden, es können auch spezielle Kreisprozessvarianten, wie zum Beispiel der Miller- oder Atkinson-Cycle, dargestellt werden. Auch ist so eine Beeinflussung der Luftströmungsform (swirl und tumble), aber eben auch eines einstellbaren Durchspülverhaltens des Motors in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung möglich. Allein durch eine gezielte Phasenverstellung wird eine Ventilüberschneidung derart eingerichtet, dass Frischluft oder Frischgas von einem Mischer her im Zuge eines Spülvorganges direkt in den Abgastrakt eingebracht werden kann. Damit kann der von Sekundärluft-Systemen her bekannte zusätzliche apparative Aufwand vorteilhafter Weise zu Gunsten einer geeigneten Ansteuerung der Ventile vollständig entfallen. Als Voraussetzung für die Anwendung beziehungsweise den Einsatz des sogenannten Spül-Effektes verbleibt dann nur die Anforderung, dass es sich bei der betrachteten Maschine um einen aufgeladenen Verbrennungsmotor handeln muss. Bei der Auswahl der technischen Realisierungsart der Aufladung ist prinzipiell jedes der eingangs genannten Verfahren einsetzbar.

Als Eingangsgrößen eines realen Prozesses, wie er beim Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine abläuft, werden unter Anderem Ventilsteuerzeiten und/oder Nockenwellenwinkel, Einspritzmenge, Motordrehzahl, Motortemperatur, Luft- und/oder Ladelufttemperatur, Katalysatorwert und/oder ein reales λ-Signal einem erfindungsgemäß Ladungswechselmodell als Grundlage für die Berechnung eines jeweils erforderlichen Frischgasgehaltes und eines damit verbundenen geschätzten λ-Signals zugeführt. Vorteilhafter Weise verfügt eine derartige Vorrichtung an Stelle oder zusätzlich zu einem Katalysator-Temperaturfühler über ein Temperaturmodell zur Abmeldung einer jeweils aktuellen Katalysatortemperatur als zuverlässigerer Schätzwert. Damit werden Störsignale und Fehlmessungen weitgehend unter zusätzlichem Verzicht auf teure Temperaturfühler ausgeblendet.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird ein kalibriertes Modell auch für Eingangsgrößen eingesetzt. Hiermit wird sichergestellt, das auch eine betreffende Eingangsgröße eine sehr zuverlässige Startvorgabe darstellt.

Vorzugsweise wird damit fortlaufend eine Optimierung der entsprechenden aktuellen Betriebspunkte in Abhängigkeit charakteristischer Umgebungs- und Betriebsbedingungen bei beschleunigter Erwärmung des Katalysators erreicht. Eine Speicherung der in Abhängigkeit jeweiliger Betriebsparameter gefundenen optimalen Einstellung wird in einer Ausführungsform gewählt, um innerhalb des Modells feste und schnelle Zugriffe zu ermöglichen.

Weitere Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Diagramm mit Funktionsblöcken zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung und
2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den Darstellungen der Zeichnung sind die jeweiligen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren in den einzelnen Bestandteilen einer entsprechenden Vorrichtung 1 zugeord net, die zur beschleunigten Aufheizung eines Katalysators auf seine Betriebstemperatur dient. Gleiche Komponenten erhalten dabei die gleichen Bezugszeichen, gleiche Verfahrensschritte werden dementsprechend auch in gleicher Weise bezeichnet.
Ein Eingangssignal 2 der dargestellten Vorrichtung 1 umfasst die Größen Ventilsteuerzeiten V, Einspritzmengen E, Motordrehzahl n und Ladeluft-Temperatur T. Über ein nicht weiter dargestelltes Katalysator-Modell wird eine jeweils aktuelle Katalysator-Temperatur T_k abgeschätzt.
Die Größen dieses Eingangssignals 2 werden als Grundlage für einen realen Prozess genutzt, der in einer Verbrennungskraftmaschine 3 zwischen einer nicht weiter dargestellten Mischer- oder sonstigen Frischgas-Aufbereitung und einem Abgastrakt abläuft. Den Parametern in und um die Verbrennungskraftmaschine 3 entsprechend stellt sich im Abgastrakt 4 ein Frischgasgehalt ein. Der vorhandene Frischluftanteil im Abgastrakt 4 wird dann über eine λ-Sonde 5 ermittelt. Hierbei wird eine lineare λ-Sonde eingesetzt, so dass das Verhältnis λ_ist über einen weiten Bereich hinweg gemessen werden kann, das nachfolgend für ein Aufheizen des Katalysators maßgeblich ist. So dient das Signal der λ-Sonde 5 als kennzeichnende Größe für das Verfahren zur Aufheizung des Katalysators auf seine Mindest-Betriebstemperatur, die auch als light-off-Temperatur bezeichnet wird.
Für das Verfahren zum Aufheizen des Katalysators ist es wichtig, dass ein zusätzlich zum eigentlichen Verbrennungsprozess in der Kaltstart-Phase über eine Anfettung des Gemisches eingebrachte Kraftstoff oder daraus herstammende reaktive Bestandteile vollständig verbrannt werden. Diese Bedingung wird mit dem Signal der λ-Sonde 5 überwacht und auch eingeregelt. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine thermische Umsetzung der Schadstoffe mit dem Passieren des Katalysators abgeschlossen ist.
Die Bestandteile des Eingangssignals 2 werden in einem parallelen Zweig neben der Verbrennungskraftmaschine 3 auch einem Modell 6 des in dem erweiterten Motorbereich ablaufenden Ladungswechsels zugeführt. Auf der Grundlage dieses Modells 6 wird ein modellierter Frischgasgehalt ermittelt, wobei die Ist-Werte der jeweiligen Eingangsgrößen berücksichtigt werden. Auf diesem modellierten Frischgasgehalt aufbauend wird ein erwartetes Signal λ_soll der λ-Sonde 5 ermittelt.
Nachfolgend werden das real gemessene λ-Signal λ_ist der Sonde 5 und das auf der Basis des Modells 6 erwartete Signal λ_soll miteinander verglichen. Liegt der real gemessene Wert λ_ist unterhalb des Modellwerts λ_soll. so ist ein durchgespülter Frischgasgehalt zu gering. Eine vollständige Verbrennung hat nicht stattgefunden. Liegt der real gemessene Wert λ_ist dagegen oberhalb des Modellwerts λ_soll, so ist von einem Luftüberschuss auszugehen. In beiden Fällen wurde der modellierte und sich entsprechend der vorgesteuerten Ventilsteuerung einstellende Frischgasgehalt nicht korrekt ermittelt.
Betrachtet man nun Eingriffsmöglichkeiten für Korrekturen, so stehen prinzipiell beide Bestandteile des Gemischs für Eingriffe zur Verfügung. Eine Einflussnahme auf die Abgaszusammensetzung über die eingespritzte Kraftstoffmenge ist möglich. Hier sind der Regelung jedoch durch die sog. Fettlaufgrenze von der Verbrennungstechnik her Grenzen gesetzt. Dagegen ist der durchgespülte Frischgasanteil relativ einfach und über weite Bereiche hinweg stufenlos über eine Variation der Ventilsteuerzeiten korrigierend einzustellen.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem Verfahrensablauf werden gemäß Schritt S1 kontinuierlich Eingangsgrößen bereitgestellt, insbesondere Ventilsteuerzeiten. Hieraus wird in Schritt S2 auf Grundlage des Modells 6 ein erwartetes λ-Signal λ_soll bestimmt. Parallellaufend wird in Schritt S3 kontinuierlich ein reales λ-Signal λ_ist von der λ-Sonde 5 ermit telt. Die so gewonnenen Messwerte 7 und λ_ist werden in Schritt S4 ausgegeben und parallel mit in Schritt S5 berechneten Werten 8 und λ_soll einer Summationsstelle in Schritt S6 zum Vergleichen zugeführt. Im Schritt S6 wird überprüft, ob die Messwerte mit den berechneten Werten übereinstimmen. Ist dies der Fall, so können einerseits die berechneten Werte 8 als Eingangswerte für weitere Motorsteuerungsfunktionen gemäß Schritt S7 verwendet werden, andererseits kann das beschriebene Verfahren kontinuierlich zur Überwachung fortgesetzt werden.
Stimmen die Werte jedoch nicht überein, so kann über ein Abgleichmittel 9 in Schritt S8 Einfluss auf das Modell 6 genommen werden, um nachfolgend Übereinstimmung zwischen dem erwarteten λ-Signal λ_soll dem kontinuierlich von der λ-Sonde 5 gemessenen realen λ-Signal λ_ist zu bewirken. In welchen Maße die Korrektur des Modells 6 zu erfolgen hat, ist aus dem Unterschied des gemessenen Wertes λ_ist zum modellierten Abgaswert, dem Modellwerts λ_soll, zu bestimmen. Je größer der Unterschied, desto stärker muss auch die Veränderung der Steuerzeiten ausfallen. In einem zweiten Schritt wird der Korrekturwert dann zu einem Modellabgleich verwendet, so dass bei gegebenen Ventilsteuerzeiten künftig ein korrekter durchgespülter Frischgasanteil im Abgastrakt ermittelt wird.
In 2 ist weiterhin angedeutet, dass die in Schritt S5 durchlaufene Ausgabe des Schätzwertes für ein zu erwartendes λ-Signal λ_soll und der berechnete Werten 8 direkt auch an den Motor weitergereicht werden können, also ohne Beachtung des Entscheiders nach Schritt S6. Hierdurch können Daten für einen Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Motors übergeben werden, da es für die Durchführung von Motorfunktionen nicht unbedingt erforderlich ist, dass ein Abgleich der Werte von λ_ist und λ_soll bereits erfolgreich durchgeführt worden ist. Auch bei Fehlern im Modell 6 ist ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine also grundsätzlich möglich.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass das in einem Abgastrakt eingebrachte Luft/Kraftstoffgemisch optimal kontrolliert werden kann und somit ein wirksames Instrument zur Katalysatorheizung und damit zur Emissionsminderung zur Verfügung gestellt wird, das sogar im Kaltstart sehr effektiv greift. Da der Kraftstoff stets, und zwar spätestens in einem Abgastrakt vor dem Katalysator vollständig umgesetzt wird, kann das Maß zusätzlich aufgewandten Kraftstoffs gesenkt werden, so dass erfindungsgemäße Verfahren bei optimaler Abgasbehandlung einen besseren Wirkungsgrad, als bekannte Verfahren aufweisen. Ein derartiges Verfahren bewirkt also gleichzeitig auch eine Optimierung des Verbrauchs.
Nach erfolgtem Modellabgleich ist prinzipiell kein regelungstechnischer Aufwand mehr erforderlich. Ein individuell an jeder nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Verbrennungskraftmaschine ablaufender Lernprozess ist abgeschlossen. Das gewünschte Ergebnis wird allein durch die Vorsteuerung auf Basis des Modells erreicht. Dabei wirkt eine über die λ-Sonde ständig laufenden Überwachung selber aktiv auch einem Auskühlen des Katalysators entgegen.
Einsatzfeld eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind neben Benzin-Motoren auch Selbstzünder, wie beispielsweise die Neuentwicklungen von sauberen und sparsameren Triebwerken als Mischmotoren, die unter dem Begriff Homogeneous Charge Compression Engines bzw. HCCI-Motoren laufen. Das HCCI-Prinzip ist ein Hybrid aus der konventionellen homogenen Verbrennung und der Kompressionszündung. Daher sind die Eigenschaften des verwendeten Gemisches von großer Wichtigkeit, wie dies von der bei der kontrollierten Selbstzündung bzw. CAI bekannt ist.
Bei der Entwicklung von HCCI-Motoren gilt es, den Verbrennungsprozess wesentlich besser über den gesamten Innenraum eines jeweiligen Zylinders zu verteilen und den Ablauf zu homogenisieren. Die explosive Mischung soll im Zylinder im We sentlichen gleichzeitig ohne Druckwelle und Flammenfront verbrennen. Hierzu wird ein extrem mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch mit bis zu 50% Abgas als Inertgas-Anteil zum Dämpfen der Verbrennungs-Reaktion in dem Zylinder gemeinsam verdichtet. Das exakte Mischungsverhältnis und die Verdichtung des Gemisches sind wesentlich. Das Ergebnis ist eine vergleichsweise sanfte Verbrennung ohne starke Temperaturschwankungen im Brennraum, bei der kaum noch Schadstoffe, wie NO_x-Emissionen und Ruß-Partikel entstehen.
Dennoch gelten diese vorteilhaften Randbedingungen eines HCCI-Betriebes im Wesentlichen nicht für den Startvorgang, da der Motor hier wie ein gewöhnlicher Benzin-Otto-Motor gestartet wird. Ferner werden auch für diese Motoren Katalysatoren vorgesehen, die für den Kaltstart den gleichen Bedingungen unterworfen sein werden, wie dies aktuell bei bekannten Motoren der Fall ist. Die besonderen Vorteile eines vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens werden damit auch hier voll zur Geltung kommen.
In einem Katalysator-Modell wird eine jeweils aktuelle Katalysator-Temperatur T_k abgeschätzt, wobei in einer weiteren Ausführungsform eine Kalibrierung des Modells durch eine Temperatur-Messung vorgesehen ist. Auch eine Temperatur des Motors wird in einer nicht weiterdargestellten Ausführungsform modelliert und durch einen geeigneten Temperatur-Geber kalibriert. Dieses Vorgehen unter Verwendung eines kalibrierten Modells wird auch für weitere Eingangsgrößen eingesetzt, wenn deren Zuverlässigkeit bei herkömmlicher Ermittlung nicht ausreichend ist. So wird auch ein Druckgefälle zwischen den Einlass- und Auslassventilen, das die Voraussetzung für den Spül- bzw. Scavenging-Effekt bildet, durch ein Modell bestimmt, wobei auch hier eine Kalibrierung zum Modelabgleich vorgesehen ist. Der sonst nur unter hohen Kosten ermittelbare Abgasdruck wird dabei selber aus Last und Drehzahl modelliert.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (3), wobei die Abgase in einem Abgastrakt (4) unter Einwirkung eines Katalysators aufbereitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage eines Modells (6) unter Verwendung von Betriebsgrößen als Eingangssignal (2) ein Erwartungswert für einen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4), der für ein schnelles Aufheizen des Katalysators auf eine Mindestbetriebstemperatur erforderlich ist, ermittelt und mit einer charakterisierenden Größe für den realen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4) zur Ermittlung einer Regelabweichung verglichen wird und eine Regelabweichung zu einer Korrektur des Modells (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als charakterisierende Größe ein Ausgangssignal (λ_ist) einer λ-Sonde (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine λ-Sonde (5) mit im Wesentlichen linearer Kennlinie eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Anwendung in einer Verbrennungskraftmaschine (3) mit variablem Ventiltrieb findet.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchspülverhalten der Verbrennungskraftmaschine (3) zur Bereitstellung eines erforderlichen Frischluftanteils im Abgastrakt (4) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsgrößen eine Ventilsteuerzeit (V) und/oder eine Einspritzmengen (E) und/oder eine Motordrehzahl (n) und/oder Temperatur (T) und/oder eine jeweils aktuelle Katalysator-Temperatur (T_k) und/oder eine Motortemperatur und/oder ein Druckgefälle zwischen den Einlass- und Auslassventilen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kalibriertes Modell für Eingangsgrößen eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (3), bei der ein Katalysator in einem Abgastrakt zur Einwirkung auf die Abgase angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, indem ein Modell (6) mit Mitteln zum Bestimmen von Betriebsgrößen verbunden ist ein Erwartungswert für einen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4) ermittelt und mit einer charakterisierenden Größe für den realen Sauerstoffanteil im Abgastrakt (4) zur Ermittlung einer Regelabweichung verglichen wird und eine Regelabweichung zu einer Korrektur des Modells (6) verwendet wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Abgleichmittel (9) zur Korrektur des Modells (6) und/oder zur Korrektur von Modellen für die Bereitstellung sicherer Eingangsgrößen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (3) ein HCCI-Motor ist.