DE102016222418A1

DE102016222418A1 - Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Speichers eines Katalysators für eine Abgaskomponente

Info

Publication number: DE102016222418A1
Application number: DE102016222418.2A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Martin Knopp; Jens Oehlerking; Matthias Eckart; Michael Fey; Joerg Frauhammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2018-05-17
Also published as: KR20190077077A; US10859017B2; CN109937292A; KR102312157B1; CN109937292B; US20190309698A1; WO2018091252A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem mit einem ersten Katalysatormodell (100) ein Ist-Füllstand (θ̅) des Abgaskomponentenspeichers ermittelt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lambda-Sollwert (λ) gebildet wird, wobei ein vorbestimmter Soll-Füllstand (θ̅) durch ein zu dem ersten Katalysatormodell (100) inverses zweites Streckenmodell (104) in einen Basis-Lambda-Sollwert umgerechnet wird, wobei eine Abweichung des Ist-Füllstandes (θ̅) von dem vorbestimmten Soll-Füllstand (θ̅) ermittelt und durch eine Füllstandsregelung (124) zu einem Lambda-Sollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Basis-Lambda-Sollwert und dem Lambda-Sollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum (20) des Verbrennungsmotors (10) beeinflusst wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In ihren Vorrichtungsaspekten betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist, für Sauerstoff als Abgaskomponente, jeweils aus der DE 103 39 063 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren und Steuergerät wird ein Ist-Füllstand von Sauerstoff in einem Katalysatorvolumen aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und des Abgassystems mit einem Katalysatormodell 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.
Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotor werden neben Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Durch die Verwendung eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten konvertiert werden.
Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NO_xwird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Konvertierungsfenster, erreicht.
Zum Betrieb des Dreiwegekatalysators im Konvertierungsfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von vor und hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Lambdasonden basiert. Für die Regelung der Luftzahl Lambda, die ein Maß für die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Verbrennungsmotors, das sich in der vor dem Dreiwegekatalysator herrschenden Sauerstoffkonzentration im Abgas ist, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Dreiwegekatalysator mit einer dort angeordneten vorderen Abgassonde gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die in Form eines Basiswertes von einer Vorsteuerungsfunktion vorgegebene Kraftstoffmenge oder Einspritzimpulsbreite. Im Rahmen der Vorsteuerung werden Basiswerte einzuspritzender Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von zum Beispiel Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors vorgegeben. Für eine noch genauere Regelung wird zusätzlich die Sauerstoffkonzentration des Abgases stromabwärts des Dreiwegekatalysators mit einer weiteren Abgassonde erfasst. Das Signal dieser hinteren Abgassonde wird für eine Führungsregelung verwendet, die der auf dem Signal der vorderen Abgassonde basierenden Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator überlagert ist. Als hinter dem Dreiwegekatalysator angeordnete Abgassonde wird in der Regel eine Sprung-Lambdasonde verwendet, die bei Lambda = 1 eine sehr steile Kennlinie besitzt und deshalb Lambda = 1 sehr genau anzeigen kann (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524).
Neben der Führungsregelung, die im allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, gibt es in aktuellen Motorsteuerungssystemen in der Regel eine Funktionalität, die nach großen Abweichungen von Lambda = 1 in Form einer Lambda-Vorsteuerung dafür sorgt, dass das Konvertierungsfenster schnell wieder erreicht wird, was zum Beispiel nach Phasen mit Schiebebetriebsabschaltung wichtig ist, in denen der Dreiwegekatalysator mit Sauerstoff beladen wird. Dies beeinträchtigt die NO_x-Konvertierung.
Wegen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators kann hinter dem Dreiwegekatalysator noch über mehrere Sekunden Lambda = 1 vorliegen, nachdem vor dem Dreiwegekatalysator ein fettes oder mageres Lambda eingestellt wurde. Diese Eigenschaft des Dreiwegekatalysators, Sauerstoff temporär zu speichern, wird ausgenutzt, um kurzzeitige Abweichungen von Lambda = 1 vor dem Dreiwegekatalysator auszugleichen. Liegt vor dem Dreiwegekatalysator über längere Zeit Lambda ungleich 1 vor, wird sich das gleiche Lambda auch hinter dem Dreiwegekatalysator einstellen sobald der Sauerstofffüllstand bei einem Lambda >1 (Sauerstoffüberschuss) die Sauerstoffspeicherfähigkeit überschreitet oder sobald im Dreiwegekatalysator bei einem Lambda < 1 kein Sauerstoff mehr gespeichert ist. Zu diesem Zeitpunkt zeigt dann auch eine Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ein Verlassen des Konvertierungsfensters an. Bis zu diesem Zeitpunkt deutet das Signal der Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator allerdings nicht auf den bevorstehenden Durchbruch hin, und eine auf diesem Signal basierende Führungsregelung reagiert deshalb oft so spät, dass die Kraftstoffzumessung nicht mehr rechtzeitig vor einem Durchbruch reagieren kann. Als Folge treten erhöhte tail pipe Emissionen auf. Aktuelle Regelungskonzepte haben deshalb den Nachteil, dass sie ein Verlassen des Konvertierungsfensters anhand der Spannung der Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator erst spät erkennen.
Eine Alternative zur Regelung des Dreiwegekatalysators auf Basis des Signals einer Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ist eine Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des Dreiwegekatalysators. Dieser mittlere Füllstand ist zwar nicht messbar, kann aber nach der eingangs genannten DE 103 39 063 A1 durch Berechnungen modelliert werden.
Bei einem Dreiwegekatalysator handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern. Darüber hinaus sind die gemessenen oder modellierten Eingangsgrößen für ein Modell des Dreiwegekatalysators üblicherweise mit Unsicherheiten behaftet. Deshalb ist ein allgemeingültiges Katalysatormodell, das das Verhalten des Dreiwegekatalysators in unterschiedlichen Betriebszuständen (z.B. in unterschiedlichen Motorbetriebspunkten oder bei unterschiedlichen Katalysatoralterungsstufen) ausreichend genau beschreiben kann, in der Regel in einem Motorsteuerungssystem nicht verfügbar.
Offenbarung der Erfindung
Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Bei der Erfindung wird ein Lambda-Sollwert gebildet, wobei ein vorbestimmter Soll-Füllstand durch ein zu dem ersten Katalysatormodell inverses zweites Katalysatormodell in einen Basis-Lambda-Sollwert umgerechnet wird, wobei eine Abweichung des Ist-Füllstandes von dem vorbestimmten Soll-Füllstand ermittelt und durch eine Füllstandsregelung zu einem Lambda-Sollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Basis-Lambda-Sollwert und dem Lambda-Sollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors beeinflusst wird.
Die Regelung des Füllstands des Dreiwegekatalysators auf Basis des Signals einer vor dem Dreiwegekatalysator angeordneten Abgassonde hat den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters früher als bei einer Führungsregelung, die auf dem Signal einer hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Abgassonde basiert, erkannt werden kann, so dass dem Verlassen des Katalysatorfensters durch eine frühzeitige gezielte Korrektur des Luft-Kraftstoff-Gemischs entgegengewirkt werden kann. 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. Die Emissionen können dadurch reduziert werden. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Dreiwegekatalysator erfüllt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Regelkreis eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambda-Istwert das Signal einer ersten, stromaufwärts des Katalysators angeordneten Abgassonde verarbeitet wird und dass der Lambda-Sollwert in einem zweiten Regelkreis gebildet wird, wobei der vorbestimmte Soll-Füllstand durch das zu dem ersten Katalysatormodell inverse zweite Katalysatormodell in einen Basis-Lambda-Sollwert der Lambda-Regelung umgerechnet wird, wobei parallel dazu eine Füllstandsregelabweichung als Abweichung des mit dem ersten Katalysatormodell modellierten Füllstandes von dem gefilterten Füllstandssollwert gebildet wird, diese Füllstandsregelabweichung einem Füllstands- Regelalgorithmus zugeführt wird, der daraus einen Lambda-Sollwert-Korrekturwert bildet und wobei dieser Lambda-Sollwert-Korrekturwert zu dem von dem inversen zweiten Katalysatormodell berechneten Basis-Lambda-Sollwert addiert wird und die so berechnete Summe den Lambda-Sollwert bildet.
Bevorzugt ist auch, dass das erste Katalysatormodell ein Bestandteil eines Streckenmodells ist, das zusätzlich zu dem ersten Katalysatormodell ein Ausgangslambdamodell aufweist.
Unter einem Streckenmodell wird hier ein Algorithmus verstanden, der Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Streckenmodell 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. Mit dem Ausgangslambdamodell wird das Signal der hinteren Abgassonde rechnerisch modelliert. Weiter ist bevorzugt, dass das erste Katalysatormodell ein Eingangsemissionsmodell, ein Füllstandsmodell und ein Emissionsmodell aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Katalysatormodell Teilmodelle aufweist, von denen jedes einem Teilvolumen des realen Dreiwegekatalysators zugeordnet ist.
Weiter ist bevorzugt, dass das Ausgangslambdamodell dazu eingerichtet ist, die mit Hilfe des ersten Katalysatormodells berechneten Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten in ein Signal zu konvertieren, das mit dem Signal einer weiteren Abgassonde vergleichbar ist, die stromabwärts des Katalysators angeordnet und dem Abgas ausgesetzt ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das mit dem Emissionsmodell berechnete Signal mit dem von dieser weiteren Abgassonde gemessenen Signal abgeglichen wird.
Dieser Abgleich erlaubt es, Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell eingehen, zu kompensieren.
Bevorzugt ist auch, dass der vorbestimmte Sollwert zwischen 25 % und 35 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität des Dreiwegekatalysators beträgt.
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.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem als technisches Umfeld der Erfindung;
2 eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells; und
3 eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators und für Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente beschrieben. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen und Abgaskomponenten wie Stickoxide unbd Kohlenwasserstoffe übertragbar. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen von einer Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator ausgegangen. Die Erfindung ist sinngemäß auch auf Abgasanlagen mit mehreren Katalysatoren übertragbar. Die nachfolgend beschriebenen vorderen und hinteren Zonen können sich in diesem Fall über mehrere Katalysatoren erstrecken bzw. in unterschiedlichen Katalysatoren liegen.
Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftzufuhrsystem 12, einem Abgassystem 14 und einem Steuergerät 16. Im Luftzufuhrsystem 12 befindet sich ein Luftmassenmesser 18 und eine stromabwärts des Luftmassenmessers 18 angeordnete Drosselklappe einer Drosselklappeneinheit 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit 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.
Das Abgassystem 14 weist einen Katalysator 26 auf. Der Katalysator 26 ist zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator, der bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid konvertiert und eine Sauerstoff speichernde Wirkung besitzt. Der Dreiwegekatalysator 26 weist im dargestellten Beispiel eine erste Zone 26.1 und eine zweite Zone 26.2 auf. Beide Zonen werden vom Abgas 28 durchströmt. Die erste, vordere Zone 26.1 erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen vorderen Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Die zweite, hintere Zone 26.2 erstreckt sich stromabwärts der ersten Zone 26.1 über einen hinteren Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Selbstverständlich können vor der vorderen Zone 26.1 und hinter der hinteren Zone 26.2 sowie zwischen den beiden Zonen weitere Zonen liegen, für die ggf. ebenfalls der jeweilige Füllstand modelliert wird.
Stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine dem Abgas 28 ausgesetzte vordere Abgassonde 32 unmittelbar vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Stromabwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine ebenfalls dem Abgas 28 ausgesetzte hintere Abgassonde 34 unmittelbar hinter dem Dreiwegekatalysator 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 34 dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein dem Abgas 28 ausgesetzter Temperatursensor 36 in thermischem Kontakt mit dem Abgas 28 am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet, der die Temperatur des Dreiwegekatalysators 26 erfasst.
Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, der vorderen Abgassonde 32, der hinteren Abgassonde 34 und des Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 24 und zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder, zum Beispiel das Signal eines Fahrerwunschgebers 40, der eine Fahrpedalstellung erfasst. Ein Schiebebetrieb mit Abschalten der Kraftstoffzufuhr wird zum Beispiel durch Loslassen des Fahrpedals ausgelöst. Diese und die weiter unten noch erläuterten Funktionen werden durch ein im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 im Steuergerät 16 ablaufendes Motorsteuerungsprogramm 16.1 ausgeführt.
In dieser Anmeldung wird ein Streckenmodell 100, ein Katalysatormodell 102, ein inverses Katalysatormodell 104 (vergleiche 3) und ein Ausgangslambdamodell 106 verwendet. 2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells 100. Das Streckenmodell 100 besteht aus dem Katalysatormodell 102 und dem Ausgangslambdamodell 106. Das Katalysatormodell 102 weist ein Eingangsemissionsmodell 108 und ein Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 auf. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell 102 einen Algorithmus 112 zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ̅_mod des Katalysators 26 auf. Die Modelle sind jeweils Algorithmen, die im Steuergerät 16 ausgeführt werden und die Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpfen, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
Das Eingangsemissionsmodell 108 ist dazu eingerichtet, als Eingangsgröße das Signal λ_in,meas der vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten Abgassonde 32 in für das nachfolgende Füllstandsmodell 110 benötigte Eingangsgrößen w_in,mod zu konvertieren. Beispielsweise ist eine Umrechnung von Lambda in die Konzentrationen von O₂, CO, H₂ und HC vor dem Dreiwegekatalysator 26 mit Hilfe des Eingangsemissionsmodells 108 vorteilhaft.
Mit den durch das Eingangsemissionsmodell 108 berechneten Größen w_in,mod und gegebenenfalls zusätzlichen Eingangsgrößen (z.B. Abgas- oder Katalysatortemperaturen, Abgasmassenstrom und aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators 26) werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 ein Füllstand θ_mod des Dreiwegekatalysators 26 und Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 modelliert.
Um Füll- und Entleerungsvorgänge realistischer abbilden zu können, wird der Dreiwegekatalysator 26 vorzugsweise durch den Algorithmus gedanklich in mehrere in Strömungsrichtung der Abgase 28 hintereinander liegende Zonen oder Teilvolumina 26.1, 26.2 unterteilt, und es werden mit Hilfe der Reaktionskinetik für jede dieser Zonen 26.1, 26.2 die Konzentrationen der einzelnen Abgasbestandteile ermittelt. Diese Konzentrationen können wiederum jeweils in einen Füllstand der einzelnen Zonen 26.1, 26.2 umgerechnet werden, vorzugsweise in den auf die aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit normierten Sauerstoff-Füllstand.
Die Füllstände einzelner oder aller Zonen 26.1, 26.2 können mittels einer geeigneten Wichtung zu einem Gesamtfüllstand zusammengefasst werden, der den Zustand des Dreiwegekatalysators 26 widerspiegelt. Zum Beispiel können die Füllstände aller Zonen 26.1, 26.2 im einfachsten Fall alle gleich gewichtet und damit ein mittlerer Füllstand ermittelt werden. Mit einer geeigneten Wichtung kann aber auch berücksichtigt werden, dass für die momentane Abgaszusammensetzung hinter dem Dreiwegekatalysator 26 der Füllstand in einer vergleichsweise kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 entscheidend ist, während für die Entwicklung des Füllstands in dieser kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 der Füllstand in der davor liegenden Zone 26.1 und dessen Entwicklung entscheidend ist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden ein mittlerer Sauerstofffüllstand angenommen.
Der Algorithmus des Ausgangslambdamodells 106 konvertiert die mit dem Katalysatormodell 102 berechneten Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Katalysators 26 für die Adaption des Streckenmodells 100 in ein Signal λ_out,mod, das mit dem Signal λ_out,meas der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 verglichen werden kann. Vorzugsweise wird das Lambda hinter dem Dreiwegekatalysator 26 modelliert.
Das Streckenmodell 100 dient damit zum einen zur Modellierung mindestens eines mittleren Füllstands θ̅_moddes Katalysators 26, der auf einen Soll-Füllstand eingeregelt wird, bei dem der Katalysator 26 sich sicher innerhalb des Katalysatorfensters befindet. Zum anderen stellt das Streckenmodell 100 ein modelliertes Signal λ_out,mod der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 zur Verfügung. Weiter unten wird noch näher erläutert, wie dieses modellierte Signal λ_out,mod der hinteren Abgassonde 34 vorteilhaft zur Adaption des Streckenmodells 100 verwendet wird.
3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit Vorrichtungselementen, die auf die Funktionsblöcke einwirken oder die von den Funktionsblöcken beeinflusst werden.
Im Einzelnen zeigt die 3, wie das vom Ausgangslambdamodell 106 modellierte Signal λ_out,mod der hinteren Abgassonde 34 mit dem realen Ausgangssignal λ_out,meas der hinteren Abgassonde 34 abgeglichen wird. Dazu werden die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas einem Adaptionsblock 114 zugeführt. Der Adaptionsblock 114 vergleicht die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas miteinander. Beispielsweise zeigt eine hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnete Sprung-Lambdasonde als Abgassonde 34 eindeutig an, wann der Dreiwegekatalysator 26 komplett mit Sauerstoff gefüllt oder komplett von Sauerstoff entleert ist. Dies lässt sich ausnützen, um nach Mager- oder Fettphasen den modellierten Sauerstoff-Füllstand mit dem tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand, bzw. das modellierte Ausgangslambda λ_out,mod mit dem hinter dem Dreiwegekatalysator 26 gemessenen Lambda λ_out,meas in Übereinstimmung zu bringen und im Fall von Abweichungen das Streckenmodell 100 zu adaptieren. Die Adaption erfolgt zum Beispiel dadurch, dass der Adaptionsblock 114 über den gestrichelt dargestellten Adaptionspfad 116 Parameter des Algorithmus des Streckenmodells 100 sukzessive solange verändert, bis der für das aus dem Dreiwegekatalysator 26 heraus strömende Abgas modellierte Lambdawert λ_out,mod dem dort gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht.
Dadurch werden Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell 100 eingehen, kompensiert. Aus dem Umstand, dass der modellierte Wert λ_out,mod dem gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht, kann darauf geschlossen werden, dass auch der mit dem Streckenmodell 100, bzw. mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte Füllstand θ̅_mod dem mit on board Mitteln nicht messbaren Füllstand des Dreiwegekatalysators 26 entspricht. Dann kann ferner darauf geschlossen werden, dass auch das zum ersten Katalysatormodell 102 inverse zweite Katalysatormodell 104, das sich durch mathematische Umformungen aus dem Algorithmus des ersten Katalysatormodells 102 ergibt, das Verhalten der modellierten Strecke richtig beschreibt.
Dies wird bei der vorliegenden Erfindung dazu benutzt, mit dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 einen Basis-Lambda-Sollwert zu berechnen. Dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 wird dazu ein durch eine optionale Filterung 120 gefilterter Füllstandssollwert θ̅_set,flt als Eingangsgröße zugeführt.
Die Filterung 120 erfolgt zu dem Zweck, nur solche Änderungen der Eingangsgröße des inversen zweiten Katalysatormodells 104 zuzulassen, denen die Regelstrecke insgesamt folgen kann. Ein noch ungefilterter Sollwert θ̅_set wird dabei aus einem Speicher 118 des Steuergerätes 16 ausgelesen. Dazu wird der Speicher 118 bevorzugt mit aktuellen Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors 10 adressiert. Bei den Betriebskenngrößen handelt es sich zum Beispiel, aber nicht zwingend, um die vom Drehzahlsensor 25 erfasste Drehzahl und die vom Luftmassenmesser 18 erfasste Last des Verbrennungsmotors 10.
Der gefilterte Füllstandssollwert θ̅_set,flt wird mit dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 zu einem Basis-Lambdasollwert BLSW verarbeitet. Parallel zu dieser Verarbeitung wird in einer Verknüpfung 122 eine Füllstandsregelabweichung FSRA als Abweichung des mit dem Streckenmodell 100, bzw. des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierten Füllstandes θ̅_mod von dem gefilterten Füllstandssollwert θ̅_set,flt gebildet. Diese Füllstandsregelabweichung FSRA wird einem Füllstands- Regelalgorithmus 124 zugeführt, der daraus einen Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKW bildet. Dieser Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKW wird in der Verknüpfung 126 zu dem von vom dem inversen Streckenmodell 104 berechneten Basis-Lambda-Sollwert BLSW addiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dient die so gebildete Summe als Sollwert λ_in,set einer konventionellen Lambdaregelung. Von diesem Lambda-Sollwert λ_in,set wird der von der ersten Abgassonde 32 bereitgestellte Lambda-Istwert λ_in,meas in einer Verknüpfung 128 subtrahiert. Die so gebildete Regelabweichung RA wird durch einen üblichen Regelalgorithmus 130 in eine Stellgröße SG konvertiert, die in einer Verknüpfung 132 zum Beispiel multiplikativ mit einem in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 vorbestimmten Basiswert BW einer Einspritzimpulsbreite t_inj verknüpft wird. Die Basiswerte BW sind in einem Speicher 134 des Steuergerätes 16 gespeichert. Die Betriebsparameter sind auch hier bevorzugt, aber nicht zwingend, die Last und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10. Mit der aus dem Produkt resultierenden Einspritzimpulsbreite t_inj wird über die Einspritzventile 22 Kraftstoff in die Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 10 eingespritzt.
Der konventionellen Lambdaregelung wird auf diese Weise eine Regelung des Sauerstoff-Füllstands des Katalysators 26 überlagert. Dabei wird der mit Hilfe des Streckenmodells 100, beziehungsweise des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte mittlere Sauerstoff-Füllstand θ̅_mod zum Beispiel auf einen Sollwert θ̅_set,flt eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach Mager und Fett minimiert und so zu minimalen Emissionen führt. Da der Basis-Lambda-Sollwert BLSW dabei durch das invertierte zweite Streckenmodell 104 gebildet wird, wird die Regelabweichung der Füllstandsregelung gleich null, wenn der modellierte mittlere Füllstand θ̅_mod mit dem vorgefilterten Soll-Füllstand θ̅_set,flt identisch ist. Der Füllstands-Regelalgorithmus 124 greift nur dann ein, wenn das nicht der Fall ist. Da die gewissermaßen als Vorsteuerung der Füllstandsregelung wirkende Bildung des Basis-Lambdasollwerts als invertiertes zweites Katalysatormodell 104 des ersten Katalysatormodells 102 verwirklicht ist, kann diese Vorsteuerung in Analogie zur Adaption des ersten Katalysatormodells 102 auf der Basis des Signals λ_in,meas der hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten zweiten Abgassonde 34 adaptiert werden. Dies wird in der 3 durch den zum invertierten Streckenmodell 104 führenden Zweig des Adaptionspfades 116 verdeutlicht.
Mit Ausnahme des Abgassystems 26, der Abgassonden 32, 34, des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25 und der Einspritzventile 22 sind alle in der 3 dargestellten Elemente Bestandteile eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 16. Mit Ausnahme der Speicher 118, 134 sind dabei alle übrigen Elemente aus der 3 Teile des Motorsteuerungsprogramms 16.1, das im Steuergerät 16 gespeichert ist und darin abläuft.
Die Elemente 22, 32, 128, 130 und 132 bilden einen ersten Regelkreis, in dem eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambda-Istwert das Signal λ_in,meas der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird. Der Lambda-Sollwert λ_in,set des ersten Regelkreises wird in einem zweiten Regelkreis gebildet, der die Elemente 22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10339063 A1 [0002, 0008]
DE 19606652 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem mit einem ersten Katalysatormodell (102), dem neben weiteren Signalen Signale (λ_in,meas) einer stromaufwärts des Katalysators (26) in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration des Abgasbestandteils erfassenden ersten Abgassonde (32) zugeführt werden und ein Ist-Füllstand (θ̅_mod) des Abgaskomponentenspeichers ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lambda-Sollwert (λ_in.set) gebildet wird, wobei ein vorbestimmter Soll-Füllstand (θ̅_set,flt) durch ein zu dem ersten Katalysatormodell (100) inverses zweites Katalysatormodell (104) in einen Basis-Lambda-Sollwert umgerechnet wird, wobei eine Abweichung des Ist-Füllstandes (θ̅_mod) von dem vorbestimmten Soll-Füllstand (θ̅_set,flt) ermittelt und durch eine Füllstandsregelung (124) zu einem Lambda-Sollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Basis-Lambda-Sollwert und dem Lambda-Sollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum (20) des Verbrennungsmotors (10) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abgaskomponente um Sauerstoff handelt, dass in einem ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambda-Istwert das Signal (λ_in,meas) der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird und dass der Lambda-Sollwert (λ_in,set) in einem zweiten Regelkreis (22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132, 22) gebildet wird, wobei der vorbestimmte Soll-Füllstand (θ̅_set,flt) durch das zu dem ersten Katalysatormodell (102) inverse zweite Katalysatormodell (104) in einen Basis-Lambda-Sollwert der Lambda-Regelung umgerechnet wird und wobei parallel dazu eine Füllstandsregelabweichung als Abweichung des mit dem ersten Katalysatormodell (100) modellierten Füllstandes (θ̅_mod) von dem gefilterten Füllstandssollwert (θ̅_set,flt) gebildet wird, diese Füllstandsregelabweichung einem Füllstands- Regelalgorithmus (124) zugeführt wird, der daraus einen Lambda-Sollwert-Korrekturwert bildet und wobei dieser Lambda-Sollwert-Korrekturwert zu dem von dem inversen zweiten Katalysatormodell (104) berechneten Basis-Lambda-Sollwert addiert wird und die so berechnete Summe den Lambda-Sollwert (λ_in,set) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormodell (102) ein Bestandteil eines Streckenmodells (100) ist, das zusätzlich zu dem ersten Katalysatormodell (102) ein Ausgangslambdamodell (106) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormodell (102), ein Eingangsemissionsmodell (108) und ein Füllstands- und Emissionsmodell (110) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormodell (102) Teilmodelle aufweist, von denen jedes einem Teilvolumen des realen Katalysators (26) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangslambdamodell (106) dazu eingerichtet ist, mit Hilfe des ersten Katalysatormodells (102) berechnete Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten in ein Signal zu konvertieren, das mit dem Signal einer zweiten Abgassonde (34) vergleichbar ist, die stromabwärts des Katalysators (26) angeordnet und dem Abgas ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Ausgangslambdamodell (106) berechnete Signal mit dem von der zweiten Abgassonde (34) gemessenen Signal abgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Streckenmodells (100) sukzessive solange verändert, bis ein für das aus dem Dreiwegekatalysator (26) heraus strömende Abgas modellierter Lambdawert λ_out,mod einem dort gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Sollwert zwischen 10 % und 50 %, insbesondere zwischen 25 % und 35 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators (26) beträgt.
Steuergerät (16), das zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines im Abgas eines Verbrennungsmotors (10) angeordneten Katalysators (26) eingerichtet ist, und das dazu eingerichtet ist, mit einem ersten Katalysatormodell (102), dem neben weiteren Signalen Signale (λ_in,meas) einer stromaufwärts des Katalysators (26) in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration der Abgaskomponente erfassenden ersten Abgassonde (32) zugeführt werden, einen Ist-Füllstand (θ̅_mod) des Abgaskomponentenspeichers zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (116) dazu eingerichtet ist, einen Lambda-Sollwert (λ_in.set) zu bilden, einen vorbestimmten Soll-Füllstand (θ̅_set,flt) durch ein zu dem ersten Katalysatormodell (100) inverses zweites Katalysatormodell (104) in einen Basis-Lambda-Sollwert umzurechnen, dabei eine Abweichung des Ist-Füllstandes (θ̅_mod) von dem vorbestimmten Soll-Füllstand (θ̅_set,flt) zu ermitteln und durch eine Füllstandsregelung (124) zu einem Lambda-Sollwert-Korrekturwert zu verarbeiten, eine Summe aus dem Basis-Lambda-Sollwert und dem Lambda-Sollwert-Korrekturwert zu bilden und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes zu verwenden und damit eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum (20) des Verbrennungsmotors (10) zu beeinflussen.
Steuergerät (16) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8 zu steuern.