DE102017201742A1

DE102017201742A1 - Verfahren zum Aufheizen und Regenerieren eines Partikelfilters im Abgas eines Ottomotors

Info

Publication number: DE102017201742A1
Application number: DE102017201742.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Pfeil; Michael Fey; Matthias Blei
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Also published as: CN108386260A; CN108386260B; KR102422973B1; KR20180090759A

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Aufheizen und Regenerieren eines im Abgasstrom eines Ottomotors (10) stromabwärts eines Katalysators (30) angeordneten Partikelfilters (26) mit einer Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26). Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Querempfindlichkeiten einer zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter angeordneten Lambdasonde für andere Abgasbestandteile als Sauerstoff kompensiert werden. Weitere unabhängige Ansprüche richten sich auf einen Ottomotor, ein Computerprogrammprodukt und ein Computer-lesbares Medium.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen und Regenerieren eines im Abgasstrom eines Ottomotors stromabwärts eines Katalysators angeordneten Partikelfilters, wobei der Ottomotor eine Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen eine solche Vorrichtung aufweisenden Ottomotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10, ein Computerprogrammprodukt und ein Computer-lesbares Medium.
Ein solches Verfahren und ein solcher Ottomotor werden als per se bekannt vorausgesetzt. In heutigen Motorsteuerungssystemen werden Lambdasonden zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas und zur Lambdaregelung des Ottomotors verwendet. Dabei kommen Breitband- Lambdasonden und Sprung-Lambdasonden zum Einsatz.
In der Regel werden Breitband-Lambdasonden dort eingesetzt, wo fette oder magere Lambdawerte genau gemessen werden sollen, bzw. dort, wo eine Messung im Bereich um Lambda = 1 mit eingeschränkter Genauigkeit ausreichend ist. Breitband-Lambdasonden erlauben eine Messung der Luftzahl Lambda über einen breiten Luftzahlbereich hinweg. Bei einer Sprung-Lambdasonde ändert sich das Signal bei Lambda = 1 sprungartig, so dass kleine Lambdaänderungen dort zu großen Signaländerungen führen. Daher werden Sprung-Lambdasonden dort eingesetzt, wo das Abgaslambda im Bereich um Lambda = 1 mit hoher Genauigkeit gemessen werden soll. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Typische Anwendungen sind für eine Breitband-Lambdasonde die Lambdaregelung, die auf dem Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde basiert, und die Bilanzierung des Sauerstoff-Ein- und -Austrags bei der Diagnose des Katalysators. Typische Anwendungen einer Sprung-Lambdasonde sind die sehr genaue Lambda = 1 Regelung mit einer Anordnung der Sprung-Lambdasonde hinter einem Katalysator und die Erkennung des Durchbruchs von fettem oder magerem Abgas bei der Diagnose des Katalysators.
Eine typische Abgasanlage eines mit Otto-Kraftstoff betriebenen Ottomotors für heutige strenge Emissions- und On-Board-Diagnoseanforderungen (z.B. SULEV) weist eine Breitband-Lambdasonde, einen stromabwärts von dieser Lambdasonde angeordneten ersten Dreiwegekatalysator, eine stromabwärts von dem ersten Dreiwegekatalysator angeordnete Sprung-Lambdasonde und einen stromabwärts von dieser angeordneten zweiten, unüberwachten Dreiwegekatalysator auf. Zukünftige noch strengere Emissions- und Diagnoseanforderungen werden voraussichtlich Abgasanlagen erfordern, bei denen nicht nur der zweite Katalysator ebenfalls überwacht wird, sondern bei denen auch die Partikelanzahl in den tail pipe Emissionen limitiert ist. Der zweite Dreiwegekatalysator muss deshalb mit einem Partikelfilter kombiniert werden oder durch einen beschichteten Partikelfilter ersetzt werden, der auch als Vierwegekatalysator bezeichnet wird.
Für die Erfüllung der zukünftigen Emissions- und Diagnoseanforderungen kommt insbesondere eine Abgasanlage in Frage, die im Abgasstrom des Ottomotors eine erste Lambdasonde (Breitband) stromaufwärts eines Dreiwegekatalysators, eine zweite Lambdasonde (Breitband oder Sprung) stromabwärts des Dreiwegekatalysators, einen Partikelfilter, der bevorzugt ein katalytisch beschichteter Partikelfilter ist, und eine dritte Lambdasonde (Sprung), die stromabwärts des Partikelfilters angeordnet ist, aufweist. Zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter ist zusätzlich eine Sekundärluftzufuhr vorgesehen, die stromaufwärts oder stromabwärts der zweiten Lambdasonde erfolgen kann. Das Signal der zweiten Lambdasonde soll in diesem System insbesondere zum optimalen Betrieb des bevorzugt beschichteten Partikelfilters verwendet werden. Ein optimaler Betrieb des bevorzugt beschichteten Partikelfilters zeichnet sich durch ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur und eine schnelle Regeneration aus.
Ein optimaler Betrieb setzt voraus, dass zwischen dem Lambda an der Einbaustelle der zweiten Lambdasonde und dem Signal dieser zweiten Lambdasonde ein eindeutiger Zusammenhang besteht, da andernfalls die Genauigkeit einer auf diesem Signal basierenden Regelung der Luftzahl Lambda nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen oder eine Beschädigung des Partikelfilters auftreten können. Da das Signal der zweiten Lambdasonde in der Regel durch unterschiedliche Empfindlichkeiten der zweiten Lambdasonde für Sauerstoff und Querempfindlichkeiten der zweiten Lambdasonde gegenüber verschiedenen Abgaskomponenten (z.B. CO, CO₂, H₂, H₂O, HC, NO_x) beeinflusst wird, und da sich die Abgaszusammensetzung trotz gleichen Abgaslambdas bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterscheiden kann, ist diese Voraussetzung sowohl bei einer Breitband-Lambdasonde als auch bei einer Sprung-Lambdasonde in der Regel nicht erfüllt.
Offenbarung der Erfindung
Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihren Verfahrensaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in ihren Vorrichtungsaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10. In Bezug auf das Computerprogrammprodukt weist die Erfindung die Merkmale des Anspruchs 11 auf, und mit Bezug auf ein Computerprogrammprodukt weist die die Erfindung die Merkmale des Anspruchs 12 auf.
Mit Blick auf die Verfahrensaspekte ist demnach vorgesehen, dass der Ottomotor und die Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zum Aufheizen des Partikelfilters so betrieben werden, dass sich im zeitlichen Mittel am Ausgang des Katalysators ein erster Wert einer Luftzahl Lambda einstellt, der einen ersten Kraftstoffüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre repräsentiert und sich am Eingang des Partikelfilters im zeitlichen Mittel ein zweiter Wert der Luftzahl Lambda einstellt, der einer stöchiometrischen Zusammensetzung der dort herrschenden Abgasatmosphäre entspricht, dass der Ottomotor und die Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zur Regeneration des Partikelfilters so gesteuert werden, dass sich zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter vorbestimmte Werte einer Luftzahl Lambda ergeben; Ausgangssignale einer im Abgasstrom zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter angeordneten, und für Sauerstoff als Abgasbestandteil empfindlichen Lambdasonde erfasst werden, eine Konzentration von wenigstens einem weiteren Abgasbestandteil ermittelt wird, und dass die Werte der Luftzahl Lambda in Abhängigkeit von den erfassten Ausgangssignalen und zusätzlich in Abhängigkeit von der Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils ermittelt und beim Steuern des Ottomotors und/oder der Vorrichtung berücksichtigt werden.
Durch diese Merkmale wird für eine Abgasanlage mit Sekundärluftzufuhr zwischen einem ersten Katalysator und einem beschichteten Partikelfilter ein Signal einer ebenfalls zwischen dem ersten Katalysator und dem beschichteten Partikelfilter Katalysatoren eingebauten Lambdasonde bereitgestellt, das unabhängig von der Abgaszusammensetzung einen optimalen Betrieb des Partikelfilters erlaubt.
Durch die erfindungsgemäße Korrektur des Ausgangssignals der zwischen dem Katalysator und dem beschichteten Partikelfilter angeordneten Lambdasonde derart, dass sich unabhängig von der aktuellen Abgaszusammensetzung ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Sondensignal und dem Abgaslambda an der Sondenposition ergibt, kann insbesondere der beschichtete Partikelfilter in Bezug auf eine schnelles Erreichen seiner Betriebstemperatur und in Bezug auf eine von Zeit zu Zeit erforderliche Regeneration insbesondere bei aktiver Sekundärluftzufuhr optimal betrieben werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ottomotor und die Vorrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft zum Aufheizen des Partikelfilters so betrieben werden, dass sich im zeitlichen Mittel am Ausgang des Katalysators ein dritter Wert einer Luftzahl Lambda einstellt, der einen stöchiometrischen Wert oder einen zweiten Kraftstoffüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre repräsentiert, der zumindest kleiner als der erste Kraftstoffüberschuss ist, und sich am Eingang des Partikelfilters ein vierter Wert der Luftzahl Lambda einstellt, der einem Luftüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre entspricht, Ausgangssignale einer im Abgasstrom zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter angeordneten und für Sauerstoff als Abgasbestandteil empfindlichen Lambdasonde erfasst werden, eine Konzentration von wenigstens einem weiteren Abgasbestandteil ermittelt wird, und dass die Ermittlung der Luftzahl Lambda in Abhängigkeit von den erfassten Ausgangssignalen und zusätzlich in Abhängigkeit von der Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils erfolgt. Die Ermittlung erfolgt bevorzugt so, dass ein Einfluss der Konzentration des weiteren Abgasbestandteils auf das Ausgangssignal der Lambdasonde bei der Ermittlung der Luftzahl Lambda korrigiert, d.h. zumindest zu einem Teil eliminiert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils aus in einem Steuergerät des Ottomotors zur Verfügung stehenden Messgrößen modelliert wird.
Durch die Berücksichtigung der Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils an der Sondenposition wird die Genauigkeit des aus dem Ausgangssignal der Lambdasonde ermittelten Lambdawerts erhöht. Die Qualität der Lambdaregelung und anderer Funktionen, insbesondere zum Aufheizen und Regenerieren des Partikelfilters, die auf dem gemessenen Lambda der zweiten Lambdasonde basieren, wird verbessert. Schadstoff-Emissionen werden reduziert und eine Beschädigung des Partikelfilters durch Überhitzung wird verhindert.
Das Verfahren ist sowohl für eine Breitband-Lambdasonde als auch für eine kostengünstigere Sprung- Lambdasonde zwischen den beiden Katalysatoren anwendbar.
Für Abgasanlagen der eingangs genannten Art, bei denen eine Sekundärluftzufuhr stromabwärts der zweiten Lambdasonde vor dem beschichteten Partikelfilter erfolgt, ist bevorzugt, dass der erste Wert und der dritte Wert durch Veränderungen eines Brennraum-Lambdas des Ottomotors eingestellt wird.
Für diese Abgasanlagen ist weiter bevorzugt, dass der zweite Wert und der vierte Wert durch Veränderungen der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom eingestellt werden.
Für diese Abgasanlagen ist auch bevorzugt, dass als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt werden und dass ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators und unterschiedliche Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt werden. (Effekt 1).
Für Abgasanlagen der eingangs genannten Art, bei denen eine Sekundärluftzufuhr stromaufwärts der zweiten Lambdasonde und stromabwärts von dem ersten Katalysator erfolgt, ist bevorzugt, dass der erste Wert und der dritte Wert bei einer zwischen dem Katalysator und der Lambdasonde erfolgenden Zufuhr von Sekundärluft durch aufeinander abgestimmte Einstellung des Brennraum-Lambdas und der Sekundärluftzufuhr eingestellt werden.
Für diese Abgasanlagen ist weiter bevorzugt, dass der zweite Wert und der vierte Wert durch Veränderungen der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom eingestellt werden.
Für diese Abgasanlagen ist weiter bevorzugt, dass als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt werden und dass ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators und die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt werden. (Effekt 1), und dass zusätzlich eine Querempfindlichkeit der Lambdasonde für Sauerstoff und eine in der Lambdasonde stattfindende Vorkatalyse von Wasserstoff mit Sauerstoff berücksichtigt wird. (Effekt 2).
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 Ottomotor mit einer ersten Abgasanlage;
2 einen Ottomotor mit einer zweiten Abgasanlage; und
3 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens

Im Einzelnen zeigt die 1 einen Ottomotor 10 mit einem Luftzufuhrsystem 12, einer ersten Abgasanlage 14.1 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 Ottomotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Ottomotors 10 mit Benzin gemischt, das über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 oder vor Einlassventile der Brennräume eingespritzt wird. Die resultierenden Brennraumfüllungen werden mit Zündvorrichtungen 24, beispielsweise Zündkerzen, gezündet und verbrannt. Ein Drehwinkelsensor 25 erfasst den Drehwinkel einer Welle des Ottomotors 10 und erlaubt dem Steuergerät 16 dadurch eine Auslösung der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Ein Fahrerwunschgeber 38 erfasst eine Fahrpedalstellung und damit Drehmomentanforderungen des Fahrers und übergibt Drehmomentanforderungen abbildende Signale an das Steuergerät 16.
Das Steuergerät 16 bildet aus den Eingangssignalen, zu denen auch andere als die lediglich als Beispiel erwähnten Signale zählen, Ansteuersignale für Stellglieder des Ottomotors, die unter anderem dazu führen, dass der Ottomotor das geforderte Drehmoment erzeugt. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch die erste Abgasanlage 14.1 abgeleitet. Das Steuergerät 16 weist ein Computer-lesbares Medium 16.1, beispielsweise einen Speicherchip auf, auf dem ein erfindungsgemäßes, d.h. die Instruktionen des Anspruchs 10 aufweisendes Computerprogrammprodukt 16.2 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist.
Die erste Abgasanlage 14.1 weist einen Drei-Wege-Katalysator 30 und einen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 30 im Abgasstrom angeordneten Benzinpartikelfilter 26 auf. Der Benzinpartikelfilter 26 besitzt eine innere Wabenstruktur aus porösem Filtermaterial, das vom Abgas 28 durchströmt wird und das im Abgas 28 enthaltene Partikel zurückhält.
Der Partikelfilter basiert zum Beispiel auf einem Partikelfilter, dessen Filtermaterial katalytisch beschichtet ist, so dass es zusätzlich zu seiner Partikelfilterwirkung noch die Wirkung eines Drei-Wege-Katalysators besitzt. Der Dreiwege-Katalysator konvertiert bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Die Partikelfilterwirkung stellt einen vierten Weg dar, was die Bezeichnung als Vier-Wege-Katalysator begründet. Wenn im Folgenden von einem Partikelfilter die Rede ist, sind damit sowohl Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung des Filtermaterials als auch Partikelfilter ohne eine solche Beschichtung gemeint.
Die Beladung des Partikelfilters 26 mit Partikeln erhöht dessen Strömungswiderstand für das Abgas 28 und damit einen sich über dem Benzinpartikelfilter 26 einstellenden Differenzdruck. Der Differenzdruck wird zum Beispiel mit einem Differenzdrucksensor 29 gemessen, dessen Ausgangssignal an das Steuergerät übergeben wird, oder er wird aus im Steuergerät vorliegenden Informationen (Messwerten und/oder Stellgrößen) mit einem Rechenmodell berechnet. Aus dem im Steuergerät 16 bekannten Abgasmassenstrom und dem Differenzdruck ergibt sich der Strömungswiderstand durch Berechnung oder Kennlinienzugriff. Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 30 ist eine dem Abgas ausgesetzte vordere Lambdasonde 32 unmittelbar vor dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 26 ist eine ebenfalls dem Abgas ausgesetzte hintere Lambdasonde 34 unmittelbar nach dem Partikelfilter 26 angeordnet. Die vordere Lambdasonde 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung der Luftzahl Lambda über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt. Die hintere Lambdasonde 34 ist bevorzugt eine sogenannte Sprung-Lambdasonde, mit der die Luftzahl Lambda = 1 besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal dieser Lambdasonde dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Eine vom Steuergerät 16 gesteuerte Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft, beispielsweise eine Sekundärluftpumpe, ist dazu eingerichtet und angeordnet, Luft zwischen den Katalysator 30 und den Partikelfilter 26 in die erste Abgasanlage 14.1 einzublasen, um ausreichend Luftsauerstoff für ein schnelles Aufheizen des Partikelfilters 26 auf seine Betriebsbereitschaft (z.B. auf die light off Temperatur einer katalytischen Beschichtung) und eine effektive Regeneration des Partikelfilters bereitzustellen, ohne dass der Ottomotor dafür mit einem für die Schadstoffkonvertierung im ersten Katalysator 30 ungünstigem Luftüberschuss betrieben werden muss.
Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, des Differenzdrucksensors 29, der vorderen Lambdasonde 32, der hinteren Lambdasonde 34 und eines optional vorhandenen, eine Temperatur des Partikelfilters erfassenden Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe 18, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 20, zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22 und zur Ansteuerung der Sekundärluftpumpe 50. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder.
2 zeigt die Vorrichtung aus der 1 mit einer zweiten Abgasanlage 14.2. Die beiden Abgasanlagen 14.1 und 14.2 unterscheiden sich darin, dass die zweite Lambdasonde 34 im Fall der ersten Abgasanlage 14.1 stromaufwärts einer Einmündung 52 einer Sekundärluftzufuhr angeordnet ist, und im Fall der zweiten Abgasanlage stromabwärts einer Einmündung 52 einer Sekundärluftzufuhr. Im Übrigen sind die beiden Abgasanlagen 14.1 und 14.2 identisch. Die Beschreibung der 1 gilt insofern auch für die 2. Beiden Abgasanlagen ist gemeinsam, dass die Sekundärluftzufuhr stromabwärts des Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 26 erfolgt.
Zum schnelleren Aufheizen des Partikelfilters 26 auf seine Betriebstemperatur wird bei fettem Brennraum- Gemisch durch Sekundärluftzufuhr vor dem Partikelfilter 26 eine exotherme Reaktion in dem bevorzugt beschichteten Partikelfilter 26 hervorgerufen. Um unnötige Emissionen zu vermeiden, muss dabei vor dem Partikelfilter 26 ein mittleres Abgaslambda von 1 möglichst genau eingehalten werden.
Bei ausreichend hoher Temperatur des Partikelfilters 26 lässt sich durch Sauerstoff-Überschuss ein Abbrand der Rußbeladung und damit die Regeneration des Partikelfilters 26 erreichen. Dazu muss vor dem Partikelfilter 26 ein definiert mageres Lambda eingehalten werden. Um gleichzeitig eine möglichst gute Konvertierung im Katalysator 30 sicherzustellen, wird während der Regeneration ein Brennraum- Lambda von 1 eingestellt.
Für ein Aufheizen des Partikelfilters 26 sollte stromabwärts des Katalysators 30 eine fette Abgasatmosphäre eingestellt werden, zum Beispiel ein Lambdawert von 0,9. Gleichzeitig sollte sich am Eingang des Partikelfilters 26 eine stöchiometrisch (Lambda = 1) zusammengesetzte Abgasatmosphäre ergeben.
Für eine Regeneration des Partikelfilters 26 sollte sich unmittelbar stromabwärts des Katalysators 30 eine stöchiometrisch zusammengesetzte (Lambda = 1) oder leicht fette (z.B. Lambda = 0,99) Abgasatmosphäre ergeben. Gleichzeitig sollte sich am Eingang des Partikelfilters 26 eine mager (z.B. Lambda = 1,1) zusammengesetzte Abgasatmosphäre ergeben.
Abhängig davon, ob die Sekundärluftzufuhr stromabwärts der zweiten Lambdasonde 34 (erste Abgasanlage, 1) oder stromaufwärts der zweiten Lambdasonde 34 (zweite Abgasanlage, 2) angeordnet ist, erfüllt die zweite. Lambdasonde 34 verschiedene Aufgaben:
Bei der ersten Abgasanlage wird mit der zweiten Lambdasonde das Soll-Lambda stromabwärts des Katalysators 30 mit einem geschlossenen Regelkreis eingeregelt. Die Regelung stellt das Brennraum-Lambda entsprechend ein. Die Sekundärluftpumpe 50 wird vom Steuergerät 16 in einer offenen Steuerkette so angesteuert, dass sich vor dem bevorzugt beschichteten Partikelfilter 26 die stöchiometrische Abgaszusammensetzung (Lambda = 1) einstellt. Bei der zweiten Abgasanlage wird mit der zweiten Lambdasonde 34 das Soll-Lambda unmittelbar stromaufwärts des beschichteten Partikelfilters 26 in einem geschlossenen Regelkreis eingeregelt. Die Regelung stellt das sowohl das Brennraum-Lambda als auch die Sekundärluftzufuhr entsprechend ein.
Die jeweilige Aufgabe, die Sauerstoffkonzentration genau anzugeben, kann die zweite Lambdasonde 34 nur dann ausreichend genau erfüllen, wenn zwischen dem am Einbauort der zweiten Lambdasonde 34 herrschenden Lambdaistwert und dem Signal dieser Lambdasonde 34 ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Das ist in der Regel allerdings nicht der Fall. Abhängig von der Abgaszusammensetzung am Einbauort der zweiten Lambdasonde 34 kann diese, trotz gleichem Lambdaistwert, unterschiedliche Ausgangssignale aufweisen.
Beispielhaft werden im Folgenden zwei als mögliche Ursachen dafür in Frage kommende Effekte beschrieben:
Effekt 1: Hinter einem Dreiwegekatalysator stellt sich bei konstant fettem Lambda ein zeitlich variierendes Verhältnis zwischen Wasserstoff H₂ und Kohlenmonoxid CO ein. Grund dafür ist die Wassergas-Shift-Reaktion, bei der aus HC und O₂ resultierendes Wasser im Abgas mit CO zu H₂ und CO₂ reagiert, und die der Katalysator nicht (dauerhaft) ins Reaktionsgleichgewicht setzen kann. Nach einem Wechsel von Lambda = 1 oder einem mageren Lambda zu einem konstant fetten Lambda liefert der Katalysator zunächst eine H₂-Menge, die etwa dem Reaktionsgleichgewicht entspricht. Mit der Zeit liefert der erste Katalysator aber deutlich zu viel CO im Verhältnis zu H₂. Wegen der unterschiedlichen Querempfindlichkeiten für H₂ und CO zeigt die Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator in der Folge auch dann ein zeitlich stark variierendes Signal, wenn der Lambdaistwert am Einbauort der zweiten Lambdasonde konstant ist.
Effekt 2: Bei aktiver Sekundärluftzufuhr kommt zu den unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für H₂, CO und O₂ eine Vorkatalyse von H₂ mit O₂ in der Sonde zum Tragen. Weil nur geringe Mengen des vorhandenen O₂ katalytisch in der Sonde umgesetzt werden können, ist dieser Anteil stark von der Menge des vorhandenen O₂ abhängig. Auch hier stellt sich abhängig von der Abgaszusammensetzung ein anderes Sondensignal ein, als sich bei gleicher Sauerstoffkonzentration ohne die Einflüsse der anderen Abgasbestandteile ergeben würde. Solche Querempfindlichkeiten von Lambdasonden führen dazu, dass das Ausgangssignal nicht nur von der Sauerstoffkonzentration, sondern auch von den Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile abhängig ist.
Die Erfindung sieht vor, diese und ähnliche Effekte zu berücksichtigen und das Ausgangssignal der zwischen dem Katalysator 30 und dem bevorzugt beschichteten Partikelfilter 26 eingebauten zweiten Lambdasonde 34 entsprechend zu korrigieren. Insbesondere ist vorgesehen, die aktuelle Abgaszusammensetzung, bzw. die Konzentration einzelner relevanter Abgaskomponenten an der Position der zweiten Lambdasonde 34 und deren Querempfindlichkeiten gegenüber diesen Abgaskomponenten auf Basis von im Steuergerät verfügbaren Größen zu modellieren und das Ausgangssignal der Lambdasonde entsprechend zu korrigieren.
Im Fall der ersten Abgasanlage mit stromabwärts der zweiten Lambdasonde 34 erfolgenden Sekundärluftzufuhr ist vorzugsweise vorgesehen, das zeitlich variierende H₂/CO-Verhältnis bei fettem oder leicht fettem Lambda hinter dem Katalysator 30 und die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der zweiten Lambdasonde für H₂ und CO zu berücksichtigen als einen ersten Effekt zu berücksichtigen.
Im Fall der Abgasanlage mit der Sekundärluftzufuhr vor der zweiten Lambdasonde 34 ist vorzugsweise vorgesehen, zusätzlich zu dem ersten Effekt als zweiten Effekt eine Empfindlichkeit der Lambdasonde für O₂ und die Vorkatalyse von H₂ mit O₂ in der zweiten Lambdasonde zu berücksichtigen.
3 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bzw. Computerprogrammprodukts 16.2. Der Block 100 repräsentiert ein Hauptprogramm zur Steuerung des Ottomotors 10, in dem das Steuergerät 16 insbesondere die Stellgrößen bestimmt, mit denen der Ottomotor 10 das geforderte Drehmoment erzeugt.
Aus diesem Hauptprogramm 100 heraus wird wiederholt ein Schritt oder Teilprogramm 102 erreicht, in dem das Steuergerät 16 die Signale der angeschlossenen Sensoren einliest. In dem Schritt 102 wird insbesondere das Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde 34 eingelesen. Dieses Signal dient als Basiswert für die Ermittlung der verschiedenen Luftzahlwerte.
Im Schritt 104 ermittelt das Steuergerät 16 eine Konzentration von wenigstens einem weiteren Abgasbestandteil und ermittelt die Luftzahl Lambda in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde 34 und zusätzlich in Abhängigkeit von der Konzentration des weiteren Abgasbestandteils. Dabei werden wird bevorzugt als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt, und es wird ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators (also Lambda 1 oder Lambda 3) und unterschiedliche Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt. (erster Effekt).
Bevorzugt ist auch, dass als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt werden und dass ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators und die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt werden. (Effekt 1), und dass zusätzlich eine Empfindlichkeit der Lambdasonde für Sauerstoff und eine in der Lambdasonde stattfindende Vorkatalyse von Wasserstoff mit Sauerstoff berücksichtigt wird. (zweiter Effekt).
Die Ermittlung erfolgt zum Beispiel nach einem aus der DE 10 2012 221 549 A1 oder einem aus der DE 10 2006 011 894 A1 bekannten Verfahren. Bei dem aus der DE 10 2012 221 549 A1 bekannten Verfahren wird eine Konzentration eines weiteren Abgasbestandteils wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe oder Stickoxid vom Steuergerät aus einem Rechenmodell bestimmt oder auf der Basis von im Steuergerät verfügbaren Messgrößen bestimmt. Anschließend erfolgt eine Umrechnung des Ausgangssignals der Lambdasonde in einen Lambdawert mittels einer Referenzkennlinie des Abgassensors.
Bei dem aus der DE 10 2006 011 894 A1 für eine Ermittlung einer Konzentration von Wasserstoff als weiterer Abgasbestandteil bekannten Verfahren wird zunächst dann, wenn das Ausgangssignal der primär für Sauerstoff empfindlichen Lambdasonde einer stöchiometrischen Abgaszusammensetzung entspricht, das genannte Ausgangssignal zeitlich differenziert. Das differenzierte Ausgangssignal wird mit einem unteren Schwellenwert verglichen. Ein Auftreten von Wasserstoff im Abgas wird detektiert, wenn das zeitlich differenzierte Ausgangssignal den unteren Schwellenwert überschreitet. Es wird also davon ausgegangen, dass die Einflüsse der anderen Abgasbestandteile zu schnellen Änderungen des noch nicht differenzierten Ausgangssignals und damit zu vergleichsweise großen Werten der Zeitableitung des Ausgangssignals führen. Den unteren Schwellenwert überschreitende Anteile des differenzierten Ausgangssignals werden integriert. Das Integral bildet damit den Einfluss der anderen Abgaskomponenten auf das Ausgangssignal ab. Um diesen Einfluss korrigierend zu kompensieren, wird ein durch die Integration erhaltenes Korrektursignal vom Ausgangssignal subtrahiert.
Die Berücksichtigung erfolgt demnach dadurch, dass ein Ausgangssignal der Lambdasonde mit einer von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängigen Korrektur korrigiert wird.
Durch die Korrektur wird der das Ausgangssignal der Lambdasonde verfälschende Einfluss des weiteren Abgasbestandteils zumindest zu einem Teil eliminiert, so dass das korrigierte Ausgangssignal die wahre Sauerstoffkonzentration genauer angibt als das unkorrigierte Ausgangssignal der Lambdasonde.
Das korrigierte Ausgangssignal wird dann als ein gegenüber einer Wasserstoff-Querempfindlichkeit der Lambdasonde korrigiertes Ausgangssignal weiterverarbeitet, wobei die Weiterverarbeitung zum Beispiel zum Zweck einer Lambdaregelung erfolgt.
Eine auf dem Ausgangssignal der Lambdasonde basierende Lambdaregelung wird durch die Berücksichtigung der Querempfindlichkeiten in den unterschiedlichsten Motorbetriebspunkten besonders genau und zuverlässig. Unzulässig hohe Emissionen an unerwünschten Abgaskomponenten können so vermieden werden.
Im Schritt 106 wird überprüft, ob eine Regeneration des beschichteten Partikelfilters begonnen werden soll oder ob eine bereits begonnene Regeneration fortgesetzt werden soll. Wenn das nicht der Fall ist, wird das Verfahren mit dem Schritt 114 fortgesetzt, in dem überprüft wird, ob die Temperatur des bevorzugt beschichteten Partikelfilters 26 größer als eine für seine Betriebsbereitschaft erforderliche Mindesttemperatur ist. Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt 115 eine evtl. noch aktivierte Heizung des Partikelfilters deaktiviert, und das Verfahren mit dem Hauptprogramm im Block 100 fortgesetzt. Ist die Temperatur dagegen zu niedrig, wird aus dem Schritt 114 heraus in den Schritt 116 verzweigt, in dem eine Heizung des bevorzugt beschichteten Partikelfilters 26 ausgelöst oder beibehalten wird. Die Heizung erfolgt bevorzugt mit Unterstützung durch die Sekundärluftzufuhr. Das Aufheizen wird beim wiederholten Verfahrensdurchlauf gegebenenfalls durch Verneinen der im Schritt 114 erfolgenden Abfrage abgebrochen.
Wird die im Schritt 106 erfolgende Abfrage nach der Notwendigkeit einer Regeneration dagegen bejaht, erfolgt in einem Schritt 108 eine Überprüfung der Temperatur des Partikelfilters 26. Wenn die Temperatur für eine Regeneration ausreichend hoch ist, wird im Schritt 110 eine Regeneration ausgelöst, oder eine bereits begonnene Regeneration wird fortgesetzt. Die Regeneration erfolgt mit Unterstützung der Sekundärluftzufuhr. Anschließend wird das Verfahren mit dem Hauptprogramm im Schritt 100 fortgesetzt.
Ergibt sich bei der im Schritt 108 erfolgenden Überprüfung der Temperatur des Partikelfilters dagegen, dass die Temperatur für eine Auslösung oder Fortsetzung der Regeneration nicht ausreichend hoch ist, verzweigt das Programm in den Schritt 112, in dem eine Heizung des bevorzugt beschichteten Partikelfilters 26 ausgelöst wird. Nach dem Auslösen der Heizung wird das Verfahren mit dem Hauptprogramm im Schritt 100 fortgesetzt. Das Aufheizen wird beim wiederholten Verfahrensdurchlauf zum Beispiel auch durch Verneinen der im Schritt 106 erfolgenden Abfrage oder durch Verneinen der Temperaturabfrage im Schritt 108 abgebrochen. Die Heizschritte 112 und 116 können sich hinsichtlich ihrer Durchführung, zum Beispiel hinsichtlich der jeweils zugeführten Sekundärluftmenge, voneinander unterscheiden.
Eine einmal begonnene Regeneration wird gegebenenfalls durch Verneinen der im Schritt 106 erfolgenden Abfrage beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012221549 A1 [0051]
DE 102006011894 A1 [0051, 0052]

Claims

Verfahren zum Aufheizen und Regenerieren eines im Abgasstrom eines Ottomotors (10) stromabwärts eines Katalysators (30) angeordneten Partikelfilters (26), wobei der Ottomotor (10) eine Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Ottomotor (10) und die Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft so gesteuert werden, dass sich zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26) vorbestimmte Werte einer Luftzahl Lambda ergeben; - Ausgangssignale einer im Abgasstrom zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26) angeordneten, und für Sauerstoff als Abgasbestandteil empfindlichen Lambdasonde (34) erfasst werden, - eine Konzentration von wenigstens einem weiteren Abgasbestandteil ermittelt wird, und - dass die Werte der Luftzahl Lambda in Abhängigkeit von den erfassten Ausgangssignalen und zusätzlich in Abhängigkeit von der Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils ermittelt und beim Steuern des Ottomotors (10) und/oder der Vorrichtung (50) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (10) und die Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft - zum Aufheizen des Partikelfilters (26) so betrieben werden, dass sich im zeitlichen Mittel am Ausgang des Katalysators (30) ein erster Wert einer Luftzahl Lambda einstellt, der einen ersten Kraftstoffüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre repräsentiert und sich am Eingang des Partikelfilters (26) im zeitlichen Mittel ein zweiter Wert der Luftzahl Lambda einstellt, der einer stöchiometrischen Zusammensetzung der dort herrschenden Abgasatmosphäre entspricht, und - dass der Ottomotor (10) und die Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft zur Regeneration des Partikelfilters (26) so betrieben werden, dass sich im zeitlichen Mittel am Ausgang des Katalysators (30) ein dritter Wert einer Luftzahl Lambda einstellt, der einen stöchiometrischen Wert oder einen zweiten Kraftstoffüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre repräsentiert, der zumindest kleiner als der erste Kraftstoffüberschuss ist, und sich am Eingang des Partikelfilters (26) ein vierter Wert der Luftzahl Lambda einstellt, der einem Luftüberschuss in der dort herrschenden Abgasatmosphäre entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils aus in einem Steuergerät (16) des Ottomotors (10) zur Verfügung stehenden Messgrößen modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert und der dritte Wert bei einer ersten Abgasanlage (14.1), bei der eine Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen der Lambdasonde (34) und dem Partikelfilter (26) erfolgt, durch Veränderungen eines Brennraum-Lambdas des Ottomotors (10) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert und der vierte Wert durch Veränderungen der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt werden und dass ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators und unterschiedliche Querempfindlichkeiten der Lambdasonde (34) für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert und der dritte Wert bei einer zweiten Abgasanlage (14.2), bei der eine Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen dem Katalysator (30) und der Lambdasonde (34) erfolgt, durch aufeinander abgestimmte Einstellung des Brennraum-Lambdas und der Sekundärluftzufuhr eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert und der vierte Wert durch Veränderungen der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Konzentrationen weiterer Abgasbestandteile Konzentrationen von Wasserstoff und von Kohlenmonoxid ermittelt werden und dass ein zeitlich variierendes Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff zur Konzentration von Kohlenmonoxid bei fettem Lambda am Ausgang des Katalysators (30) und die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der Lambdasonde (34) für Wasserstoff und Kohlenmonoxid berücksichtigt werden, und dass zusätzlich eine Querempfindlichkeit der Lambdasonde für Sauerstoff und eine in der Lambdasonde stattfindende Vorkatalyse von Wasserstoff mit Sauerstoff berücksichtigt wird.
Ottomotor (10) mit einem im Abgasstrom des Ottomotors (10) angeordneten Katalysator (30), einem stromabwärts des Katalysators (30) angeordneten Partikelfilter (26), einer Vorrichtung (50) zur Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26) und einer zwischen dem Katalysator (30) und dem Partikelfilter (26) angeordneten und für Sauerstoff empfindlichen Lambdasonde (34), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens des Anspruchs 1 oder eines Verfahrens der Ansprüche 2 bis 9 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, das Instruktionen aufweist, die die Vorrichtung nach Anspruch 10 dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens des Anspruchs 1 oder eines der Ansprüche 2 bis 8 auszuführen.
Computer-lesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt des Anspruchs 11 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist.