DE102010037431A1 - Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion in einem Abgaselement eines Kraftfahrzeugs umfaßt die folgenden Schritte: – Messen einer Stromaufwärtstemperatur stromaufwärts des Abgaselements; – Berechnen einer geschätzten Stromabwärtstemperatur (T) stromabwärts des Abgaselements mittels eines thermischen Modells (2) des Abgaselements; – Messen einer Stromabwärtstemperatur (Tmeas) stromabwärts des Abgaselements; – Berechnen einer Grenzfunktion (4) für die Temperaturschätzung basierend auf der geschätzten Stromabwärtstemperatur (T) und einem Massendurchsatz der Abgas; – Berechnen eines exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle) durch Bildung eines Differenzsignals zwischen der gemessenen (Tmeas) und der geschätzten (T) Stromabwärtstemperatur und durch Division des Differenzsignals mit einer Adaptionszeitkonstante (ti,Adap) als eine Funktion des Massendurchsatzes der Abgas; – Anpassen der Konzentration von Reduktionsmitteln stromaufwärts des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle); – Anpassen der Energiebilanz des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle); und – Erzeugen einer Anpassungsrate der thermischen Alterung des Abgaselements aus dem Residuum der exothermen Reaktion nach den beiden vorherigen Anpassungsschritten und einer Substratwandtemperatur des Abgaselements.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs.
  • Für Komponenten des Abgassystems von Kraftfahrzeugen kann die Temperatur der Substratwand eines Katalysators geschätzt werden unter Verwendung der gemessenen Temperatur des Gases in einer Position stromaufwärts, der Schätzung des Pegels von nicht verbranntem Treibstoff in dem Abgasgas stromaufwärts, der Masse des gespeicherten nicht verbrannten Treibstoffes, der Masse von gespeichertem Partikelmaterial und der thermischen Eigenschaften des Abgas-Nachbehandlungselements. Für den Fall, dass die Temperatur stromabwärts gemessen wird, kann ein Anpassungssignal erzeugt werden, welches dann verwendet wird, um die Schätzung der Temperatur der Substratwand zu verbessern.
  • Bei exothermen Anpassungsalgorithmen wird das Anpassungssignal direkt mit der Energiebilanz verwendet, um den Fehler in der Schätzung zurück zu koppeln. Darüber hinaus wird die Überwachung der geschätzten Steigerung der exothermen Temperatur mit dem Fall eines beschädigten oder gealterten Katalysators verglichen und verwendet, um einen derartigen Zustand der Alterung zu verhindern, bei dem die Schadstoffe einen Pegel über dem festgelegten Grenzwert erreichen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Anpassung einer exothermen Reaktion in einem Abgaselemente eines Kraftfahrzeugs zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion in einem Abgaselement eines Kraftfahrzeugs die folgenden Schritte:
    • – Messen einer Stromaufwärtstemperatur stromaufwärts des Abgaselements;
    • – Berechnen einer geschätzten Stromabwärtstemperatur stromabwärts des Abgaselements mittels eines thermischen Modells des Abgaselements;
    • – Messen einer Stromabwärtstemperatur stromabwärts des Abgaselements;
    • – Berechnen einer Grenzfunktion für die Temperaturschätzung basierend auf der geschätzten Stromabwärtstemperatur und einem Massendurchsatz der Abgas;
    • – Berechnen eines exothermen Anpassungssignals durch Bildung eines Differenzsignals zwischen der gemessenen und der geschätzten Stromabwärtstemperatur und durch Division des Differenzsignals mit einer Adaptionszeitkonstante als eine Funktion des Massendurchsatzes der Abgas;
    • – Anpassen der Konzentration von Reduktionsmitteln stromaufwärts des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals;
    • – Anpassen der Energiebilanz des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals; und
    • – Erzeugen einer Anpassungsrate der thermischen Alterung des Abgaselements aus dem Residuum der exothermen Reaktion nach den beiden vorherigen Anpassungsschritten und einer Substratwandtemperatur des Abgaselements.
  • Die Erfindung schlägt einen Algorithmus zum Anpassen einer exothermen Reaktion vor, der darauf abzielt, den Anteil von nicht verbranntem Treibstoff in der Position stromaufwärts anzupassen, eine direkte Korrektur in der Energiebilanz vorzunehmen und schließlich die thermische Alterung des Abgaselements graduell anzupassen. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet das berechnete exotherme Anpassungssignal wie beschrieben gewissermaßen mehrdimensional, was eine besonders gute Anpassung der exothermen Reaktion ermöglicht.
  • Das Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion kann für das thermische Modell des Abgaselements ein kinetisches Modell verwenden. Das kinetische Modell erlaubt eine gute Modellierung der bewegten Massenströme und somit ein genaues Abbild des Abgaselements, was zu einer guten Vorhersage führt.
  • Die geschätzte Stromabwärtstemperatur kann zeitlich verzögert und/oder mit einem Tiefpaß gefiltert werden. Die zeitliche Verzögerung kann die Laufzeit zu der Position des Sensors stromabwärts berücksichtigen, während die Tiefpaßfilterung die Zeitkonstante des Sensormodells berücksichtigt.
  • Die Grenzfunktion kann eine minimale Grenze und eine maximale Grenze aufweisen. Mittels zweier Grenzen kann die Grenzfunktion einfach und genau an die jeweiligen Umstände angepaßt werden.
  • Das exotherme Anpassungssignal kann berechnet werden, wenn die geschätzte Stromabwärtstemperatur außerhalb der Grenzfunktion liegt, und das exotherme Anpassungssignal kann gleich Null gesetzt werden, wenn die geschätzte Stromabwärtstemperatur innerhalb der Grenzfunktion liegt. Mit dieser Vorgabe kann das Verfahren vereinfacht werden, da das exotherme Anpassungssignal nur wenn wirklich nötig berechnet wird. Das für das exotherme Anpassungssignal benötigte Differenzsignal kann auch aus der Differenz der geschätzten Temperatur und der relevanten Grenze (minimale oder maximale Grenze) berechnet werden.
  • Ein thermischer Alterungsfaktor kann durch integrieren der Summierung der Anpassungsrate der thermischen Alterung berechnet werden und der thermische Alterungsfaktor kann zur Überwachung einer katalytischen Leistungsfähigkeit des Abgaselements verwendet werden. Der thermische Alterungsfaktor kann abhängig sein von der thermischen Beanspruchung, der Raumgeschwindigkeit der Abgas und der Anpassungsrate der thermischen Alterung. Der thermische Alterungsfaktor kann zur weiteren Diagnose des Abgaselements verwendet werden.
  • Ein Wert von Eins des thermischen Alterungsfaktors kann für ein neues Abgaselement stehen, ein Wert kleiner Eins und größer als ein Schwellwert kann für eine thermische Alterung stehen und ein Wert kleiner als der Schwellwert kann bedeuten, dass kein Abgaselement vorhanden ist. Mittels des thermischen Alterungsfaktors kann das Verfahren um eine Anwesenheitsprüfung für das Abgaselement erweitert werden. Darüber hinaus kann der Zustand des Abgaselements diagnostiziert werden.
  • Für den Zustand der thermischen Alterung kann die Anspringtemperatur oder Starttemperatur des Abgaselements verschoben werden und/oder die maximale Speicherkapazität des Abgaselements für Stoffe wie Sauerstoff, Reduktionsmittel, Stickoxide, Ammoniak etc. kann reduziert werden. Dies sind mögliche Reaktionen auf die Diagnose mittels des thermischen Alterungsfaktors, welche die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Abgaselements erhöhen.
  • Das Abgaselement kann ein Katalysator sein. Bei einem Katalysator eines Kraftfahrzeuges kann das Verfahren im vollen Umfang zum Tragen kommen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigen:
  • 1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer exothermen Reaktion in einem Abgaselement eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung.
  • 2 eine schematische Darstellung einer Grenzfunktion des Verfahrens.
  • 3 ein Diagramm eines Faktors zur Anpassung von Reduktionsmitteln.
  • 4 ein Diagramm eines Faktors zur Anpassung der Energiebilanz.
  • 5 ein Diagramm einer Anpassungsrate der thermischen Alterung.
  • Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
  • 1 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer exothermen Reaktion in einem Abgaselement wie zum Beispiel einem Katalysator eines Kraftfahrzeugs. Zunächst wird in Schritt 1 eine Stromaufwärtstemperatur stromaufwärts des Abgaselements gemessen. Die gemessene Temperatur wird einem thermischen Modell 2 zugeführt, welches verwendet wird, um eine geschätzte Stromabwärtstemperatur T stromabwärts des Abgaselements zu berechnen. Das thermische Modell kann ein kinetisches Modell verwenden oder es kann aus einem kinetischen Modell bestehen.
  • Die geschätzte Stromabwärtstemperatur T wird zeitlich verzögert, um dem Weg bis zu einer Sensorposition stromabwärts Rechnung zu tragen. Zusätzlich wird die geschätzte Stromabwärtstemperatur T mit einem Tiefpass gefiltert, um die Zeitkonstante des Sensors zu modellieren.
  • In einem Schritt 3 wird eine Stromabwärtstemperatur Tmeas gemessen. Die Messungen können mit eigens dafür vorgesehenen Sensoren oder mit bereits vorhandenen Sensoren zum Beispiel der Motorsteuerung vorgenommen werden.
  • Als Funktion der gemessenen Stromabwärtstemperatur Tmeas und einem Massendurchsatz des Abgases wird eine Grenzfunktion 4 definiert, wie in 2 gezeigt. Eine minimale Grenze 4a und eine maximale Grenze 4b bilden die Grenzfunktion 4. Falls die geschätzte Stromabwärtstemperatur T innerhalb der Grenzen 4a und 4b liegt, wird ein exothermes Anpassungssignal tExoAdapEle auf Null gesetzt. Anderenfalls wird der Unterschied zwischen der relevanten (minimalen oder maximalen) Grenze und der geschätzten Stromabwärtstemperatur T verwendet, um ein Differenzsignal zu erzeugen.
  • Das Differenzsignal kann entweder erzeugt werden durch Subtraktion der zeitlich verzögerten und tiefpaßgefilterten geschätzten Stromabwärtstemperatur T von der relevanten Grenze oder durch Subtraktion der zeitlich verzögerten und tiefpaßgefilterten geschätzten Stromabwärtstemperatur T von der gemessenen Stromabwärtstemperatur Tmeas. Es kann ein Spezialfall sein, dass die relevante Grenze gleich der gemessenen Stromabwärtstemperatur Tmeas ist oder gesetzt wird.
  • In einem Schritt 5 wird dieses Differenzsignal durch eine Adaptionszeitkonstante ti,Adap als eine Funktion des Massendurchsatzes der Abgas dividiert, um gemäß der Formel
    Figure 00060001
    das exotherme Anpassungssignal tExoAdapEle zu erzeugen. Das exotherme Anpassungssignal tExoAdapEle erlaubt eine langsame Anpassung bei niedrigem Massendurchsatz und eine schnelle Anpassung bei hohem Massendurchsatz.
  • Das exotherme Anpassungssignal tExoAdapEle wird von drei Blöcken 6, 7 und 8 verwendet oder interpretiert. Die drei Blöcke 6, 7 und 8 können das Anpassungssignal gleichzeitig oder zeitlich gestaffelt verwenden.
  • Im Block 6 wird die Konzentration von Reduktionsmitteln, zum Beispiel nicht verbrannter Treibstoff, stromaufwärts des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals tExoAdapEle angepaßt. Dazu wird das exotherme Anpassungssignal tExoAdapEle als Beitrag interpretiert, der direkt die Konzentration von nicht verbranntem Treibstoff stromaufwärts korrigiert, wie in 3 gezeigt ist. Die Konzentration von nicht verbranntem Treibstoff ist der dominierende Faktor für die geschätzte Wandtemperatur, die größer ist als die Anspringtemperatur, und für einen Wert von Lambda in dem Abgas größer als 1. Dies dient zur Sicherstellung, dass die Korrektur der Reduktionsmittel in dem einströmenden Gas die exotherme Reaktion durch Verbrennung in dem Abgaselement wirksam anpaßt und damit die Bedingung der Wandtemperatur und den Zustand des Lambdawertes. 3 trägt das skalierte Anpassungssignal gegen die Temperatur des Substrats in °C und gegen den Lambdawert auf.
  • In dem Block 7 wird das exotherme Anpassungssignal tExoAdapEle für eine direkte Anpassung der Energiebilanz als Wärmequelle oder Wärmesenke verwendet. Der Beitrag der exothermen Korrektur als eine direkte Wärmequelle oder Wärmesenke in der Energiebilanz ist die dominante Korrektur für Lambda in dem Abgas geringer als 1,05 unabhängig von der Temperatur, wie in 4 gezeigt ist.
  • In dem Block 8 wird das Residuum der exothermen Reaktion, das heißt der Gesamtbetrag minus den Beiträgen aus den Blöcken 6 und 7, sowie die Temperatur der Substratwand verwendet, um eine in 5 gezeigte Anpassungsrate der thermischen Alterung des Abgaselements zu erzeugen. Die Anpassungsrate in 1/s ist gegen die Substrattemperatur in Grad Celsius und gegen die verbleibende exotherme Anpassung in °C/s aufgetragen.
  • In einem Block 9 wird ein thermischer Alterungsfaktor durch integrieren der Summierung der nominellen Anpassungsrate der thermischen Alterung berechnet. Die nominelle Anpassungsrate der thermischen Alterung ist eine Funktion der thermischen Beanspruchung, der Raumgeschwindigkeit der Abgas und der berechneten Anpassungsrate der thermischen Alterung.
  • Der thermische Alterungsfaktor wird dann zur Überwachung einer katalytischen Leistungsfähigkeit des Abgaselements verwendet. Ein initialer Wert von Eins zeigt ein neues Abgaselement an. Der thermische Alterungsfaktor wird bei zunehmender Alterung oder Zersetzung verringert. Erreicht oder unterschreitet der Wert des thermischen Alterungsfaktors einen vorgegebenen oder anpaßbaren Schwellwert wird ein Diagnosefehler gesetzt, der anzeigt, dass ein vordefinierter Wert der aus dem Auspuff des Kraftfahrzeugs entweichenden Schadstoffe überschritten wird.
  • Ergebnisse, Meßwerte und/oder Anpassungsfaktoren werden aus den Blöcken 6 bis 9 an das thermische Modell 2 zurück gekoppelt, um die Wirkungsweise des Modells 2 zu verbessern.
  • Der thermische Alterungsfaktor wird darüber hinaus zur Detektion des Vorhandenseins eines Abgaselements bzw. eines (nicht) exothermen Katalysatorsubstrats verwendet. Dafür wird der thermische Alterungsfaktor wie folgt interpretiert. Ein Wert von Eins bedeutet, dass ein neues Abgaselement bzw. Katalysator vorhanden ist.
  • Ein Wert kleiner Eins und größer als ein bestimmter Schwellwert bedeutet, dass sich das Abgaselement in der Alterungsphase befindet. Entsprechende Mechanismen wie die Verschiebung der Anspringtemperatur und/oder die Reduzierung der maximalen Speicherkapazität des Abgaselements für Stoffe wie Sauerstoff, Reduktionsmittel, Stickoxide, Ammoniak etc. können aktiviert werden. Ein Wert kleiner als der Schwellwert bedeutet, dass kein Abgaselement oder kein Substrat vorhanden ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion in einem Abgaselement eines Kraftfahrzeugs, mit den folgenden Schritten: – Messen einer Stromaufwärtstemperatur stromaufwärts des Abgaselements; – Berechnen einer geschätzten Stromabwärtstemperatur (T) stromabwärts des Abgaselements mittels eines thermischen Modells (2) des Abgaselements; – Messen einer Stromabwärtstemperatur (Tmeas) stromabwärts des Abgaselements; – Berechnen einer Grenzfunktion (4) für die Temperaturschätzung basierend auf der geschätzten Stromabwärtstemperatur (T) und einem Massendurchsatz der Abgas; – Berechnen eines exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle) durch Bildung eines Differenzsignals zwischen der gemessenen (Tmeas) und der geschätzten (T) Stromabwärtstemperatur und durch Division des Differenzsignals mit einer Adaptionszeitkonstante (ti,Adap) als eine Funktion des Massendurchsatzes der Abgas; – Anpassen der Konzentration von Reduktionsmitteln stromaufwärts des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle); – Anpassen der Energiebilanz des Abgaselements mittels des exothermen Anpassungssignals (tExoAdapEle); und – Erzeugen einer Anpassungsrate der thermischen Alterung des Abgaselements aus dem Residuum der exothermen Reaktion nach den beiden vorherigen Anpassungsschritten und einer Substratwandtemperatur des Abgaselements.
  2. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach Anspruch 1, wobei das thermische Modell (2) ein kinetisches Modell verwendet.
  3. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach Anspruch 1 oder 2, wobei die geschätzte Stromabwärtstemperatur (T) zeitlich verzögert und/oder mit einem Tiefpaß gefiltert wird.
  4. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Grenzfunktion (4) eine minimale Grenze (4a) und eine maximale Grenze (4b) aufweist.
  5. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das exotherme Anpassungssignal (tExoAdapEle) berechnet wird, wenn die geschätzte Stromabwärtstemperatur (T) außerhalb der Grenzfunktion (4) liegt, und wobei das exotherme Anpassungssignal (tExoAdapEle) gleich Null gesetzt wird, wenn die geschätzte Stromabwärtstemperatur (T) innerhalb der Grenzfunktion (4) liegt.
  6. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein thermischer Alterungsfaktor durch integrieren der Summierung der Anpassungsrate der thermischen Alterung berechnet wird und wobei der thermische Alterungsfaktor zur Überwachung einer katalytischen Leistungsfähigkeit des Abgaselements verwendet wird.
  7. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach Anspruch 6, wobei ein Wert von Eins des thermischen Alterungsfaktors für ein neues Abgaselement steht, ein Wert kleiner Eins und größer als ein Schwellwert für eine thermische Alterung steht und ein Wert kleiner als der Schwellwert bedeutet, dass kein Abgaselement vorhanden ist.
  8. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach Anspruch 7, wobei für den Zustand der thermischen Alterung die Anspringtemperatur des Abgaselements verschoben wird und/oder die maximale Speicherkapazität des Abgaselements für Stoffe wie Sauerstoff, Reduktionsmittel, Stickoxide, Ammoniak reduziert wird.
  9. Verfahren zum Anpassen einer exothermen Reaktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Abgaselement ein Katalysator ist.
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