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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, der ein Abgassystem mit einem zur Speicherung eines Abgasbestandteils fähigen Katalysatorvolumen aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In ihren Vorrichtungsaspekten betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils aus der
DE 103 39 063 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren handelt es sich bei dem Abgasbestandteil um Sauerstoff. Ein Ist-Füllstand dieses Abgasbestandteils in dem Katalysatorvolumen wird aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und des Abgassystems mit einem Rechenmodell berechnet, und die Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses erfolgt in Abhängigkeit von einer Abweichung des Ist-Füllstandes von einem vorbestimmten Soll-Füllstand. Darüber hinaus ist ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät auch aus der
DE 196 06 652 A1 der Anmelderin bekannt.
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Unter einem Rechenmodell wird hier ein Algorithmus verstanden, der Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpft, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen. Der reale Gegenstand ist im betrachteten Fall die gesamte zwischen den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen liegende physikalische Strecke, die zum Beispiel ein Katalysator oder ein Verbrennungsmotor mit einem Katalysator sein kann.
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Bei einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches 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 (NOx) 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 in Stickstof, Kohlendioxid und Wasser konvertiert werden.
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Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NOx wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Konvertierungsfenster, erreicht.
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Zum Betrieb des Katalysators im Konvertierungsfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator basiert. Für die Regelung des Lambdas vor dem Katalysator wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator mit der Lambdasonde gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die Kraftstoffmenge aus der Vorsteuerung. Im Rahmen der Vorsteuerung werden Basiswerte einzuspritzender Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von zum Beispiel Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors vorgegeben. Für eine genauere Regelung wird zusätzlich der Sauerstoffgehalt des Abgases hinter dem Katalysator mit einer weiteren Lambdasonde erfasst. Das Signal dieser Lambdasonde wird für eine Führungsregelung verwendet, die der Lambdaregelung vor dem Katalysator überlagert ist. Als hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 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).
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Neben der Führungsregelung, die im allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam arbeitet, 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, z.B. nach Phasen mit Schiebebetriebsabschaltung („Katalysator-Ausräumen“).
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Wegen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators kann hinter dem Katalysator noch über mehrere Sekunden Lambda = 1 vorliegen, nachdem vor dem Katalysator ein fettes oder mageres Lambda eingestellt wurde. Diese Eigenschaft des Katalysators, Sauerstoff temporär zu speichern, wird ausgenutzt, um kurzzeitige Abweichungen von Lambda = 1 vor dem Katalysator auszugleichen. Liegt vor dem Katalysator über längere Zeit Lambda ungleich 1 vor, wird sich das gleiche Lambda auch hinter dem Katalysator einstellen sobald dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit überschritten ist. Zu diesem Zeitpunkt zeigt auch eine Sprung-Lambdasonde hinter dem Katalysator ein Verlassen des Konvertierungsfensters an. Bis zu diesem Zeitpunkt deutet das Signal der Lambdasonde hinter dem Katalysator 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 Katalysator erst spät erkennen.
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Eine Alternative zur Regelung des Dreiwegekatalysators auf Basis des Signals einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde ist eine Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des Katalysators. Dieser mittlere Füllstand ist zwar nicht messbar, kann aber nach der eingangs genannten
DE 103 39 063 A1 durch Berechnungen modelliert werden.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere ein Dreiwegekatalysator ein nicht einfach zu modellierender Gegenstand mit nichtlinearem Verhalten und zeitlich variierenden Modellparametern ist. Der modellierte mittlere Füllstand spiegelt deshalb sowohl die für die entstehenden Emissionen relevante Abgaszusammensetzung am Ausgang des Katalysators als auch die für Reaktionen auf dynamische Störungen zur Verfügung stehende Füllstandsreserve zur Abgabe und Aufnahme von Sauerstoff nur bedingt wider. In Bezug auf eine Abgabe von Sauerstoff ist die Füllstandsreserve die im Katalysator gespeicherte Sauerstoffmenge. In Bezug auf eine Aufnahme von Sauerstoff ist die Füllstandsreserve die Menge an Sauerstoff, die der Katalysator noch aufnehmen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Bei der Erfindung wird mit dem Rechenmodell ein erster Ist-Füllstand des Abgasbestandteils für ein erstes Katalysatorteilvolumen berechnet, und ein zweiter Ist-Füllstand des Abgasbestandteils wird für ein zweites Katalysatorteilvolumen berechnet. Dabei liegt das zweite Katalysatorteilvolumen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors stromabwärts des ersten Katalysatorteilvolumens. Das Einstellen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses erfolgt zunächst in Abhängigkeit von einer Abweichung des zweiten Ist-Füllstandes von einem zweiten Sollwert, und ein Einstellen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses in Abhängigkeit von einer Abweichung des ersten Ist-Füllstandes von einem ersten Sollwert erfolgt erst später.
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Die weiteren Erläuterungen betreffen insbesondere Sauerstoff als Abgasbestandteil und einen Dreiwegekatalysator als Katalysatorvolumen. Dies soll aber nicht als Beschränkung auf diese Kombination gewertet werden. Der Katalysator kann beispielsweise auch ein NOx-Speicherkatalysator oder ein SCR-Katalysator sein, und als Abgasbestandteile kommen zum Beispiel auch Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide in Frage, ohne dass diese Aufzählung abschließend gemeint ist. Das Katalysatorvolumen kann auch mehrere im Strömungsweg des Abgases hintereinander liegende Katalysatoren aufweisen. Die Erfindung ermöglicht in diesem Zusammenhang eine verbesserte Regelung einer im Katalysatorvolumen gespeicherten Sauerstoffmenge, mit der ein Verlassen des Konvertierungsfensters frühzeitig erkannt und verhindert wird, und die gleichzeitig gegen dynamische Störungen eine ausgeglichenere Füllstandsreserve als bestehende Regelungskonzepte hat.
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Die Erfindung ist nicht auf die Berechnung von zwei Istwerten einer im Katalysatorvolumen gespeicherten Sauerstoffmenge beschränkt. Es können auch mehr als zwei solcher Istwerte berechnet werden, wobei sich jeweils ein Istwert auf ein Katalysatorteilvolumen bezieht. Bei n Teilvolumina und entsprechend n Istwerten einer im jeweiligen Katalysatorteilvolumen gespeicherten Sauerstoffmenge ergibt sich so ein sich über die Länge des Katalysatorvolumens erstreckendes Sauerstofffüllstandsprofil. Das erste Katalysatorteilvolumen ist bei dieser Verallgemeinerung ein n-tes Katalysatorteilvolumen, und das zweite Katalysatorteilvolumen ist bei dieser Verallgemeinerung ein (n+1)-tes Katalysatorteilvolumen.
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Die Einstellung des Füllstandsprofils erfolgt bei der Erfindung so, dass durch den mit höherer Priorität eingestellten Sauerstofffüllstand des hinteren Katalysatorteilvolumens minimale Emissionen am Ausgang des Katalysators erzielt werden, und dass durch das nachfolgende Einstellen des Sauerstofffüllstandes des vorderen Katalysatorteilvolumens die Füllstandsreserve, mit der der Katalysator dynamische Störungen abpuffern kann, erhöht wird. Diese Füllstandsreserve wird durch die freisetzbare Sauerstoffmenge und durch die aufnehmbare Sauerstoffmenge bestimmt.
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Die Betrachtung der Füllstände von mindestens zwei Teilvolumina des Katalysators hat den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Konvertierungsfensters früher als bei einer auf dem Signal einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde basierenden Führungsregelung und auch früher als bei einer auf einem mittleren Soll-Füllstand des gesamten Katalysators basierenden Regelung erkannt werden kann.
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Dadurch kann dem Verlassen des Konvertierungsfensters durch eine frühzeitig erfolgende gezielte Korrektur des Kraftstoff-Luft-Gemisches entgegengewirkt werden, so dass ein Durchbruch von Schadstoffemissionen weitgehender vermieden werden kann als beim Stand der Technik. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Reduzierung der tail pipe Emissionen. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Katalysator erfüllt werden.
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Mit dem vorgeschlagenen Konzept werden sowohl die Aufgaben der oben als bekannt beschriebenen Führungsregelung als auch die Aufgaben der Funktion des Einstellens einer Füllstandsreserve nach einer Schiebebetriebsphase, in der der Katalysator bis zu seiner Aufnahmegrenze mit Sauerstoff gefüllt wurde, oder vergleichbare Aufgaben abgedeckt. Das Einstellen der Füllstandsreserve beziehungsweise ein schnelles Wiedererreichen des Konvertierungsfensters nach einer Schiebebetriebsphase und vergleichbare Funktionalitäten stellen lediglich ein Einregeln der Sauerstofffüllstände des Katalysators mit einer anfänglich größeren Regelabweichung als im Normalfall dar. Dieses vereinheitlichte Konzept führt zu einer einfacheren Gesamtfunktionalität, die sich einfacher an verschiedene Verbrennungsmotoren und Abgassysteme anpassen lässt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Sollwert so vorbestimmt ist, dass die momentanen Emissionen minimiert werden.
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Bevorzugt ist auch, dass der erste Sollwert so vorbestimmt ist, dass eine Füllstandsreserve gegen vor dem Katalysatorvolumen auftretende Änderungen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses einen vorbestimmten Wert annimmt.
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Weiter ist bevorzugt, dass der zweite Sollwert zwischen 25 % und 35 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität, bzw. des maximalen Füllstands des zweiten Katalysatorteilvolumens beträgt. Dies hängt damit zusammen, dass die Anforderungen an die NOx-Konvertierung strenger sind als die Anforderungen an die HC-Konvertierung und die CO-Konvertierung.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Berechnung der Istwerte der Füllstände eine Abgastemperatur und ein Abgasmassenstrom berücksichtigt werden.
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Weiter ist bevorzugt, dass das Katalysatorvolumen ein Dreiwegekatalysator ist. Bevorzugt ist auch, dass das Katalysatorvolumen zwei durch einen zwischen ihnen liegenden, nicht katalytischen Abgasrohrabschnitt getrennte einzelne Dreiwegekatalysatoren aufweist, beispielsweise einen Vorkatalysator und einen stromabwärts vom Vorkatalysator liegenden Hauptkatalysator.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasbestandteil Sauerstoff ist.
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Mit Blick auf Ausgestaltungen des Steuergerätes ist bevorzugt, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einer der bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens zu steuern.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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.
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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 Abgassystem als technisches Umfeld der Erfindung;
- 2 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 3 jeweils den Füllstand von zwei Katalysatorteilvolumina in Prozent bei einer Regelungsstrategie, mit der zunächst der Füllstand in dem zweiten Katalysatorteilvolumen eingestellt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators beschrieben, ist aber sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen übertragbar. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen von einer Abgasanlage mit einem einzigen Katalysator ausgegangen. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf Abgasanlagen mit mehreren Katalysatoren übertragbar. Die nachfolgend beschriebenen vorderen und hinteren Katalysatorteilvolumina können sich in diesem Fall über mehrere Katalysatoren erstrecken bzw. in unterschiedlichen Katalysatoren liegen.
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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 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit Benzin gemischt, das über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 eingespritzt wird. 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.
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Das Abgassystem 14 weist ein Katalysatorvolumen 26 auf. Das Katalysatorvolumen 26 ist zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator, der bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid konvertiert und eine Sauerstoff speichernde Wirkung besitzt. Das Katalysatorvolumen 26 weist im dargestellten Beispiel ein erstes Katalysatorteilvolumen 26.1 und ein zweites Katalysatorteilvolumen 26.2 auf. Beide Katalysatorteilvolumina werden vom Abgas 28 durchströmt. Das erste, vordere Katalysatorteilvolumen 26.1 erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen vorderen Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Das zweite, hintere Katalysatorteilvolumen 26.2 erstreckt sich stromabwärts des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 über einen hinteren Bereich des Katalysatorvolumens 26. Selbstverständlich können vor dem vorderen Katalysatorteilvolumen 26.1 und hinter dem hinteren Katalysatorteilvolumen 26.2 sowie zwischen den beiden Katalysatorteilvolumina weitere Katalysatorteilvolumina liegen, für die ggf. ebenfalls der jeweilige Füllstand modelliert wird.
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Stromaufwärts des Katalysatorvolumens 26 ist eine dem Abgas 28 ausgesetzte vordere Abgassonde 32 unmittelbar vor dem Katalysatorvolumen 26 angeordnet. Stromabwärts des Katalysatorvolumens 26 ist eine ebenfalls dem Abgas ausgesetzte hintere Abgassonde 34 unmittelbar nach dem Katalysatorvolumen 26 angeordnet. Die vordere Abgassonde 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung der Luftzahl λ über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt. Die hintere 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 dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein dem Abgas ausgesetzter Temperatursensor 36 in thermischem Kontakt mit dem Abgas am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet, der die Temperatur des Katalysatorvolumens 26 erfasst.
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Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, der vorderen Abgassonde 32, der hinteren Abgassonde 34 und des Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe 18, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 20 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.
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Das Flussdiagramm der 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein Block 100 repräsentiert ein Hauptprogramm zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10, in dem zum Beispiel die Drosselklappe 19, die Zündvorrichtung 20 und die Einspritzventile 22 so angesteuert werden, dass sich ein gewünschtes Drehmoment ergibt.
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Da ein Füllstand eines Katalysators nicht gemessen werden kann, sieht die Erfindung vor, die Füllstände - vorzugsweise Sauerstoff-Füllstände - in mindestens zwei Katalysatorteilvolumina 26.1, 26.2 des Katalysatorvolumens 26 mit Hilfe eines Rechenmodells 16.1 zu modellieren. Das Rechenmodul 16.1 ist ein im Steuergerät 16 ausgeführtes Unterprogramm.
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Diese Modellierung erfolgt im Schritt 102 sowohl für das erste Katalysatorteilvolumen 26.1 als auch für das zweite Katalysatorteilvolumen 26.2. Der Massenstrom von Sauerstoffüberschuss und Sauerstoffmangel am Eingang des Katalysatorvolumens 26 ergibt sich aus dem Produkt des Signals der vorderen Abgassonde, 32, die eine Sauerstoffkonzentration erfasst, mit dem Abgasmassenstrom, der im Steuergerät 16 aus der gemessenen, dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmasse und dem dazu zugemessenen Kraftstoff bekannt ist.
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Ein vorbestimmter Bruchteil dieses Überschusses wird im ersten Katalysatorteilvolumen 26.1 gespeichert, und ein vorbestimmter Bruchteil des Mangels wird durch eine Verringerung des Füllstandes des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 kompensiert. Die vorbestimmten Bruchteile, die voneinander verschieden sein können, sind von der Temperatur des Katalysatorvolumens 26, vom Abgasmassenstrom und vom Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 abhängig. Die jeweils komplementären Bruchteile stellen Eingangsgrößen für die Änderung des Füllstandes des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 dar und sind damit ebenfalls vom Abgasmassenstrom und von der Temperatur des Katalysators 26 abhängig.
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Der Füllstand des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 ist insbesondere vom Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 abhängig. Je größer der Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens ist, desto kleiner wird zum Beispiel der Bruchteil an einem momentanen Sauerstoffüberschuss sein, der vom ersten Katalysatorteilvolumen 26.1 noch gespeichert werden kann und desto größer wird der dazu komplementäre Bruchteil an dem momentanen Sauerstoffüberschuss sein, der eine Eingangsgröße für die Berechnung des Füllstands des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 bildet. Für die Entwicklung des Sauerstoff-Füllstands in dem zweiten Katalysatorteilvolumen 26.1 am Ausgang des Katalysators 26 ist daher der relative Sauerstoff-Füllstand (in %) in dem davor liegenden ersten Katalysatorteilvolumen 26.1, bezogen auf die maximale Sauerstoff-Speicherfähigkeit dieses ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 und die Entwicklung dieses relativen Füllstands, mitentscheidend.
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Werte der Bruchteile und der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität sind im Steuergerät 16 gespeichert, so dass das Steuergerät 16 aus dem ihm bekannten Abgasmassenstrom, einer gemessenen oder modellierten Temperatur des Katalysators 26 und den vorbestimmten und gespeicherten Werten für die Bruchteile sowohl den Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 als auch den Füllstand des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 berechnen kann.
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Wie das Katalysatorvolumen letztlich mit gespeichertem Sauerstoff gefüllt oder von gespeichertem Sauerstoff entleert wird, hängt maßgeblich von der Abgastemperatur und vom Abgasmassenstrom ab. Bei hoher Abgastemperatur und niedrigem Abgasmassenstrom wird das Katalysatorvolumen im Extremfall allmählich von vorne nach hinten geleert, bzw. gefüllt, was bedeutet, dass zunächst das erste Katalysatorteilvolumen 26.1 komplett gefüllt, bzw. entleert wird, bevor das zweite Katalysatorteilvolumen gefüllt, bzw. entleert wird. Bei niedriger Abgastemperatur und großem Abgasmassenstrom wird der Katalysator im Extremfall vorne und hinten gleichzeitig gefüllt, bzw. entleert.
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In einem Schritt 104 wird überprüft, ob der Füllstand des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 in einem vorgegebenen, einen Sollwert für den zweiten Füllstand umgebenden Intervall liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, verzweigt das Programm in den Schritt 106, in dem eine Stellgröße für die Luftzahl Lambda als Funktion einer Abweichung des Ist-Füllstands des zweiten Katalysatorteilvolumens von seinem Sollwert bestimmt wird.
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Die Stellgröße ist zum Beispiel ein Korrekturwert für ein Ansteuersignal für die Einspritzventile, mit denen Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors dosiert wird. Um den Sauerstofffüllstand zu vergrößern wird ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch (Lambda > 1) eingestellt. Um den Sauerstofffüllstand zu verringern, wird ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch (Lambda < 1) eingestellt.
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Anschließend kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück, in dem unter anderem die korrigierten Ansteuersignale gebildet und ausgegeben werden. Die Schleife aus den Schritten 100 bis 106 wird wiederholt durchlaufen, bis der Ist-Füllstand des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 seinen Sollwert erreicht. Dies wird im Schritt 104 festgestellt. In diesem Fall verzweigt das Verfahren aus dem Schritt 104 heraus in einen Schritt 108. In dem Schritt 108 wird überprüft, ob der Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 in einem vorgegebenen, einen Sollwert für diesen ersten Füllstand umgebenden Intervall liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, verzweigt das Programm in den Schritt 110, in dem eine Stellgröße für die Luftzahl Lambda als Funktion einer Abweichung des Ist-Füllstands des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 von seinem Sollwert bestimmt wird.
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Die Stellgröße ist auch hier zum Beispiel ein Korrekturwert für ein Ansteuersignal für die Einspritzventile, mit denen Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors dosiert wird. Um den Sauerstofffüllstand zu vergrößern, wird ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch (Lambda > 1) eingestellt. Um den Sauerstofffüllstand zu verringern, wird ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch (Lambda < 1) eingestellt.
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Anschließend kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück, in dem unter anderem die korrigierten Ansteuersignale gebildet und ausgegeben werden. Die Schleife aus den Schritten 100 bis 104, 108 und 110 wird wiederholt durchlaufen, bis auch der Ist-Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens seinen Sollwert erreicht hat. Dies wird im Schritt 108 festgestellt. In diesem Fall verzweigt das Verfahren aus dem Schritt 108 ohne Bildung eines Korrekturwertes zurück in das Hauptprogramm 100.
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3 veranschaulicht eine zum Flussdiagramm der 2 korrespondierende Regelungsstrategie für die sich nach einer Schiebebetriebsphase einstellende Situation. Im Einzelnen zeigt die 3 in ihren Teilfiguren a) bis e) jeweils den Füllstand der beiden Katalysatorteilvolumina 26.1, 26.2 in Prozent bei einer Regelungsstrategie, mit der zunächst der Füllstand in dem zweiten Katalysatorteilvolumen 26.1 so eingestellt wird, dass die momentanen Emissionen minimiert werden. Dazu wird der Füllstand des zweiten Katalysatorteilvolumens in dem betrachteten Beispiel zunächst von 100% nach 3 auf 50% nach 3d reduziert. Der anfängliche Füllstand von 100% ergibt sich zum Beispiel bei einer vorhergehenden Schiebebetriebsphase mit abgeschalteter Kraftstoffzufuhr.
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Die Verringerung des Füllstandes erfolgt durch Einstellen einer fetten, einen Sauerstoffmangel aufweisenden Abgasatmosphäre am Eingang des Dreiwegekatalysators 26. Die als Differenz von Istwert (100%) und Sollwert (50%) des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 gebildete Regelabweichung beträgt anfänglich 50%. Die fette Abgasatmosphäre wird durch die Einspritzung ausreichend großer Kraftstoffmengen in die Brennräume des Verbrennungsmotors erzeugt. Dabei reduziert sich der Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 in dem betrachteten Beispiel von 3a bis 3d allmählich auf null, was aus den oben genannten Gründen unerwünscht ist.
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Daher wird später, bevorzugt dann, wenn der Istwert des Füllstandes des zweiten Katalysatorteilvolumens 26.2 seinen Sollwert erreicht hat, in einem weiteren Verfahrensschritt die Kraftstoffzumessung zu den Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 soweit verringert, dass sich am Eingang des Dreiwegekatalysators 26 eine magere, einen Sauerstoffüberschuss aufweisende Abgasatmosphäre aufweist. Die Regelung erfolgt dazu auf der Basis einer Regelabweichung, die sich als Differenz des Istwertes des Füllstandes im ersten Katalysatorteilvolumen 26.1 von seinem Sollwert ergibt, so lange, bis der Füllstand des ersten Katalysatorteilvolumens 26.1 zum Beispiel bei der Hälfte des maximalen Füllstands, also bei 50% liegt. Dadurch ergibt sich eine maximale Füllstandsreserve in dem ersten Katalysatorteilvolumen 26.1, mit der dynamische Lambdastörungen, die stromaufwärts des Katalysatorvolumens auftreten können durch Abgabe oder Aufnahme von Sauerstoff ausgeglichen werden können.
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Dieser Regelungsstrategie liegen die folgenden Beobachtungen zugrunde:
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Für die momentane Abgaszusammensetzung hinter einem Katalysatorvolumen ist der Sauerstoff-Füllstand in einem vergleichsweise kleinen hinteren Katalysatorteilvolumen am Ausgang des Katalysatorvolumens entscheidend. Solange dieses Katalysatorteilvolumen sowohl Sauerstoff speichern als auch gespeicherten Sauerstoff freigeben kann, sind sowohl eine Reduktion als auch eine Oxidation zu konvertierender Abgasbestandteile möglich, und es kommt nicht zu Durchbrüchen von Sauerstoff und anderen Abgasbestandteilen.
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Die Vorteile dieses Vorgehens werden durch den folgenden Vergleich mit anderen Vorgehensweisen deutlich, bei denen die Regelung nur eines Sauerstoff-Füllstands in einem hinteren Katalysatorteilvolumen des Katalysatorvolumens erfolgt oder bei denen die Regelung auf einen mittleren Sauerstoff-Füllstand beider Katalysatorteilvolumina zusammen erfolgt.
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Betrachtet wird ein Zustand, der sich nach einer Schiebebetriebsphase mit abgeschalteter Kraftstoffzufuhr ergibt: In der Schiebebetriebsphase hat der Verbrennungsmotor Luft in das Abgassystem gepumpt. Der Sauerstoff-Füllstand des Katalysatorvolumens liegt dann zunächst bei 100 %. Eine zur Konvertierung von Stickoxiden erforderliche Speicherung von weiterem Sauerstoff ist dann nicht möglich. Der gespeicherte Sauerstoff soll soweit ausgeräumt werden, dass das Katalysatorvolumen schnellstmöglich wieder seine volle Konvertierungsfähigkeit erlangt. Dazu wird vor dem Katalysatorvolumen ein fettes Lambda eingestellt. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die Abgastemperatur hoch und der Abgasmassenstrom niedrig ist, so dass sich der Sauerstoffspeicher des Katalysatorvolumens allmählich von vorne nach hinten entleert, dass beide Teilvolumina die gleiche maximale Sauerstoff-Speicherfähigkeit besitzen und dass der Soll-Füllstand jeweils 50 % der maximalen Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators beträgt.
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Bei einer Regelung, die nur auf dem Istwert des Sauerstoff-Füllstands in dem hinteren Katalysatorteilvolumen basiert, wird der Regelsollwert von 50 % erst erreicht, wenn das Katalysatorvolumen schon weitgehend von Sauerstoff entleert ist, weil der Füllstand in dem hinteren Katalysatorteilvolumen erst sinkt, wenn das Katalysatorteilvolumen davor komplett entleert ist. Es droht deshalb ein Fettdurchbruch in Folge des Ausräumens von Sauerstoff aus dem Katalysatorvolumen, insbesondere wenn es unter diesen Bedingungen zu einer dynamischen Abweichung des Lambdas vor dem Katalysatorvolumen nach fett kommt.
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Bei einer Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des gesamten Katalysatorvolumens wird der Regelsollwert von 50% erreicht sobald die vordere Hälfte des Katalysatorvolumens komplett entleert ist und die hintere Hälfte des Katalysatorvolumens noch komplett gefüllt ist. Der Sauerstoff würde in diesem Fall nicht ausreichend aus dem Katalysatorvolumen ausgeräumt, was erhöhte NOx-Emissionen zur Folge hätte.
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Die erfindungsgemäße Einstellung von mindestens zwei Füllständen in eine vorderen und einem hinteren Katalysatorteilvolumen erlaubt es in diesem Beispielfall, sowohl den Füllstand des hinteren Katalysatorteilvolumens so einzustellen, dass er im Konvertierungsfenster liegt, als auch den Füllstand des vorderen Katalysatorteilvolumens so einzustellen, dass die größtmögliche Füllstandsreserve für dynamische Abweichungen des Lambdas vor dem Katalysatorvolumen nach fett oder mager erreicht wird.
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Dadurch, dass die Erfindung in dieser nach einem Schiebebetrieb auftretenden Situation zunächst das hintere Katalysatorteilvolumen schnellstmöglich soweit leert, dass in diesem Katalysatorteilvolumen Sauerstoff sowohl eingespeichert als auch freigegeben werden kann, können die NOx-Emissionen minimiert werden. Das vordere Katalysatorteilvolumen wird dabei allerdings komplett entleert. Es droht daher ein Fettdurchbruch. Deshalb wird erfindungsgemäß anschließend das vordere Katalysatorteilvolumen wieder soweit mit Sauerstoff gefüllt, dass eine Füllstandsreserve gegen dynamische Abweichungen des Lambdas vor dem Katalysator sowohl nach fett als auch nach mager vorhanden ist.
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Dabei muss selbstverständlich berücksichtigt werden, dass die Füllstände beider Katalysatorteilvolumina gekoppelt sind und nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dieses Beispiel, das sich auf eine nach einem Schiebebetrieb eintretende Situation bezieht, stellt einen Extremfall mit der größtmöglichen anfänglichen Regelabweichung in Richtung eines zu hohen Füllstands dar. Es ist aber sinngemäß auch auf Situationen mit geringerer Regelabweichung bzw. Regelabweichung in Richtung eines zu niedrigen Füllstands übertragbar. Es ist ebenfalls übertragbar auf Situation, in denen nur der Füllstand einzelner Zonen vom Sollfüllstand abweicht (z.B. nach einer kurzen Schiebebetriebsphase).
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In ihrer allgemeinsten Form ist deshalb die Einstellung eines Füllstandsprofils des Katalysatorvolumens mit folgenden Schritten vorgesehen: Der Füllstand in einem hinteren Katalysatorteilvolumen wird so eingestellt, dass die momentanen Emissionen minimiert werden. Der Füllstand eines oder mehrerer davor liegender Katalysatorteilvolumina wird danach so eingestellt, dass die Füllstandsreserve gegen dynamische Lambdastörungen vor dem Katalysatorvolumen maximiert wird. Bei der Einstellung des Füllstandsprofils kann die Kopplung der Füllstände der unterschiedlichen Katalysatorteilvolumina berücksichtigt werden. Insbesondere kann dabei die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Katalysatortemperatur und vom Abgasmassenstrom berücksichtigt werden. Die Soll-Füllstände der Katalysatorteilvolumina können dynamisch an die aktuelle Füllstandsverteilung im Katalysatorvolumen angepasst werden, so dass die beiden Ziele der minimalen momentanen Emissionen und der maximalen Füllstandsreserve gegen dynamische Störungen gleichzeitig möglichst optimal erfüllt werden. In einer Situation, in der aktuell keine Füllstandsreserve gegen dynamische Störungen vorhanden ist, kann es zum Beispiel sinnvoll sein, kurzzeitig höhere Emissionen durch die Erhöhung dieser Füllstandsreserve in Kauf zu nehmen, um dadurch längerfristig geringere Emissionen sicherzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10339063 A1 [0002, 0009]
- DE 19606652 A1 [0002]
