DE102018207703A1

DE102018207703A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102018207703A1
Application number: DE102018207703.7A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Michael Fey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2019-11-21
Also published as: CN110500193A; KR20190132226A; KR102596784B1; US10851696B2; CN110500193B; US20190353069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8), mit folgenden Schritten:- Durchführen einer Füllstandsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln;- Betreiben einer Vorsteuerung für die Füllstandsregelung; und- Adaptieren der Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert (λ) und einem modellierten Lambdawert (λ).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, wobei Verbrennungsabgase im Betrieb mithilfe einer Abgasnachbehandlungseinrichtung behandelt werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems, und insbesondere Verfahren zur Adaption einer modellbasierten Regelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Technischer Hintergrund
Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehen Verbrennungsabgase, die neben Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten beinhalten. Diese Verbrennungsprodukte umfassen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, die als Schadstoffe klassifiziert sind und deren Ausstoß gesetzlich limitiert ist. Die geltenden Abgasgrenzwerte für verbrennungsmotorbetriebene Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden.
Daher sind abgasseitig entsprechende Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorgesehen, von denen der sogenannte Drei-Wege-Katalysator am gebräuchlichsten ist, da dieser eine hohe Konvertierungsrate für Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide aufweist. Diese hohe Konvertierungsrate wird jedoch nur in einem engen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors erreicht, bei dem das Luft-Kraftstoffgemisch im Zylinder vor der Verbrennung einer annähernd stöchiometrischen Mengenverteilung (d.h. einer Luftzahl Ä = 1) entspricht. Der um diese stöchiometrische Mengenverteilung zulässige Toleranzbereich wird Katalysatorfenster genannt.
Zum Betrieb der Abgasnachbehandlungseinrichtung im sogenannten Katalysatorfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen üblicherweise eine Lambdaregelung eingesetzt. Die Lambdaregelung basiert auf Abgassensorsignalen, die von Abgassensoren, den sogenannten Lambdasonden, eingangsseitig und ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung erfasst werden. Die Abgassensorsignale entsprechen Lambdawerten und geben einen entsprechenden Sauerstoffgehalt im Verbrennungsabgas an, wodurch ein Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches zum Zeitpunkt unmittelbar vor der Verbrennung bestimmt ist.
Für die Regelung des eingangseitigen Lambdawerts, d.h. des vor der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorliegenden Lambdawerts, wird der Sauerstoffgehalt des Verbrennungsabgases mithilfe der eingangsseitigen Lambdasonde gemessen und zur Kraftstoffmengenzumessung die Regelung der Kraftstoffmenge in einer Vorsteuerung entsprechend korrigiert. Für eine Erhöhung der Genauigkeit der Regelung wird zusätzlich der ausgangsseitige Lambdawert der ausgangsseitigen Lambdasonde herangezogen. Der ausgangsseitige Lambdawert, der durch die ausgangsseitige Lambdasonde erfasst wird, wird in der Regel für eine Führungsregelung verwendet, die der Lambdaregelung vorgelagert ist.
Neben der Führungsregelung, die im Allgemeinen nur geringe Abweichungen von einem Lambdawert von eins ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, gibt es in aktuellen Motorsteuerungssystemen in der Regel eine Funktionalität, die bei/nach hohen Abweichungen von einem Lambdawert von eins in Form einer Lambdavorsteuerung dafür sorgt, dass das Katalysatorfenster schnell wieder erreicht wird, z. B. nach Phasen mit Schubabschaltung und dergleichen. Aktuelle Regelungskonzepte haben jedoch den Nachteil, dass ein Verlassen des Katalysatorfensters durch die ausgangsseitige Lambdasonde erst relativ spät erkannt wird und damit eine Korrektur über die Einspritzmenge nur verzögert erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, mit folgenden Schritten:

- Durchführen einer Füllstandsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln;
- Betreiben einer Vorsteuerung für die Füllstandsregelung;
- Adaptieren der Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert und einem modellierten Lambdawert.

Kern des obigen Verfahrens zum Betreiben eines Motorsystems mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, die durch eine Lambdaregelung modellbasiert geregelt wird, besteht darin, die Lambdaregelung mit einer adaptierbaren Vorsteuerung zu versehen. Die modellbasierte Regelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung hat grundsätzlich den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters früher erkannt werden kann als dies bei einer Führungsregelung auf Basis des ausgangsseitigen Abgassensors der Fall ist. Somit kann durch eine frühzeitige gezielte Korrektur des Luft-Kraftstoff-Gemisches dem anstehenden Verlassen des Katalysatorfensters entgegengewirkt werden.
Die Robustheit dieser modellbasierten Regelung kann zusätzlich verbessert werden, indem eine Vorsteuerung verwendet wird, die abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert und einem modellierten Lambdawert adaptiert wird. Insgesamt ermöglicht dies ein schnelleres Reagieren auf Abweichungen des Motorbetriebs von dem Katalysatorfenster, so dass die Schadstoffemissionen insbesondere bei dynamischem Betrieb deutlich reduziert werden können.
Weiterhin kann der gemessene Lambdawert einem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert und der modellierte Lambdawert einem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert entsprechen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Füllstandsregelung einen Lambdakorrekturwert als Stellgröße bereitstellt, der durch einen Lambdavorsteuerwert als Ausgang der Vorsteuerung beaufschlagt wird, um einen zu stellenden Soll-Lambdawert zu erhalten.
Insbesondere kann eine Kraftstoffmengenkorrekturgröße abhängig von dem Soll-Lambdawert und einer Lambdaregelung ermittelt werden, wobei abhängig von der Kraftstoffmengenkorrekturgröße eine einzuspritzende Kraftstoffmenge berechnet wird.
Weiterhin kann der modellierte Lambdawert mithilfe eines Streckenmodells zum Bereitstellen eines physikalischen Modells der Abgasnachbehandlungseinrichtung berechnet werden, um basierend auf dem gemessenen eingangsseitigen Lambdawert einen modellierte Füllstand zu modellieren, wobei die Füllstandsregelung basierend auf dem modellierten Füllstand durchgeführt wird.
Insbesondere kann mithilfe des Streckenmodells ein modellierter ausgangsseitiger Lambdawert berechnet werden, wobei abhängig von einem Unterschied zwischen dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert und einem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert ein Lambda-Offsetwert ermittelt wird, abhängig von dem die Vorsteuerung adaptiert wird.
Weiterhin kann der Unterschied zwischen dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert gefiltert werden, insbesondere tiefpassgefiltert werden, um den Lambda-Offsetwert zu erhalten, wobei insbesondere eine Zeitkonstante der Filterung abhängig von einem Betriebspunkt des Motorsystems gewählt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorsteuerung eine Füllstands-Sollwert-Trajektorie ermitteln, um Füllstands-Sollwerte der Füllstandsregelung vorzugeben.
Es kann vorgesehen sein, die Vorsteuerung als Invertierung des Streckenmodells auszulegen. Das hat den Vorteil, dass der Regler nur dann eingreifen muss, wenn der mit Hilfe des Streckenmodells modellierte Füllstand des Katalysators von der Füllstands-Sollwert-Trajektorie abweicht, die durch die Vorsteuerung berechnet wird.
Die Füllstands-Sollwert-Trajektorie berücksichtigt dabei, welche Lambdawerte tatsächlich umsetzbar sind (z.B. die Brenngrenzen des Motors oder unter den aktuellen Betriebsbedingungen maximal gewünschte Anfettung bzw. Abmagerung).
Die Invertierung des Streckenmodells ist aufgrund der Nicht-Linearität schwierig und es kann daher das (Vorwärts-)Streckenmodell in Verbindung mit einem iterativen Verfahren genutzt werden, um einem Füllstands-Sollwert einen Lambdavorsteuerwert zuzuordnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

- eine Füllstandsregelung durchzuführen, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln;
- eine Vorsteuerung für die Füllstandsregelung zu betreiben;
- die Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert und einem modellierten Lambdawert zu adaptieren.

Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgassystem mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung; und
2 eine Funktionsdarstellung der Lambdaregelung zum Einsatz in dem Motorsystem der 1.

Beschreibung von Ausführungsformen
Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, dessen Verbrennungsabgas mithilfe eines Drei-Wege-Katalysators als Abgasnachbehandlungseinrichtung aufbereitet wird. In dem Drei-Wege-Katalysator dient Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente.
1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der mit einer Anzahl von Zylindern 3 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylindern) ausgebildet ist. Den Zylindern 3 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 4 und über gesteuerte Einlassventile an jedem Zylinder 3 zugeführt und Verbrennungsabgas wird aus den Zylindern 3 über entsprechende Auslassventile an jedem Zylinder 3 und über ein Abgassystem 5 abgeführt.
Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise in einem Viertaktbetrieb betrieben. Dazu wird in die Zylinder 3 vor einem der zu Beginn eines Verbrennungstakts über ein jeweiliges Einspritzventil 6 Kraftstoff entsprechend einer vorgegebenen Einspritzmenge zugeführt, um in den Brennräumen der Zylinder 3 jeweils ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auszubilden, das während eines Verbrennungstakts im Viertaktbetrieb gezündet und verbrannt wird, um den Vortrieb zu erzeugen.
Das Abgassystem 5 weist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf, die z. B. als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet sein kann. Ein Drei-Wege-Katalysator konvertiert auf drei Reaktionswegen die Abgasbestandteile von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid durch Reduktion, bei der Sauerstoff in dem Drei-Wege-Katalysator gespeichert wird, bzw. Oxidation mit in dem Drei-Wege-Katalysator gespeichertem Sauerstoff. Die Funktionsweise des Drei-Wege-Katalysators ist an sich bekannt, und es wird hierin nicht näher darauf eingegangen.
Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 ist ein eingangsseitiger Abgassensor 9 vorgesehen, der einen Sauerstoffgehalt im vorbeiströmenden Verbrennungsabgas detektieren kann und einen entsprechenden eingangsseitigen Lambdawert bereitstellt, der den Sauerstoffgehalt angibt. Ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 ist ein ausgangsseitiger Abgassensor 10 angeordnet, der den Sauerstoffgehalt des vorbeiströmenden gereinigten Verbrennungsabgases detektiert und diesen in Form eines ausgangsseitigen Lambdawerts bereitstellt. Der eingangsseitige Abgassensor 9 ist vorzugsweise als Breitband-Lambdasonde ausgebildet, die eine Messung des Sauerstoffgehalts, der üblicherweise in Form einer Luftzahl λ angegeben wird, über einen breiten Luftzahlbereich erlaubt. Der ausgangsseitige Abgassensor 10 ist vorzugsweise als sogenannte Sprung-Lambdasonde ausgebildet, mit der die Luftzahl λ im Bereich von eins besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal des ausgangsseitigen Abgassensors 10 dort sprungartig ändert.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 kann mit einem Temperatursensor 11 versehen sein, der die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 detektiert und ein entsprechendes Temperatursignal bereitstellt.
Zur Steuerung des Betriebs des Motorsystems 1 ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die Sensorsignale aus dem Motorsystem 1 erfasst, um einen Motorsystemzustand zu bestimmen. Beispielsweise kann der Motorsystemzustand durch Zustandsgrößen des Motorsystems 1 angegeben sein, der durch Sensoren bestimmt ist. Die Sensoren können beispielsweise umfassen: einen Frischluftmassenstromsensor 12 im Luftzuführungssystem 4 zur Erfassung eines Frischluftmassenstroms gemessen, eine momentane Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, die Abgassensoren 9, 10 zur Erfassung der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lambdawerte, einen Motordrehzahlsensor und einige mehr.
Die Steuereinheit 15 betreibt den Verbrennungsmotor 2 in an sich bekannter Weise durch Ansteuerung von Stellgebern entsprechend einer externen Vorgabe betreibt. Die externe Vorgabe kann beispielsweise auf einem über ein Fahrpedal vorgegebenes Fahrerwunschmoment basieren. Die ansteuerbaren Stellgeber können die Einspritzventile zur Vorgabe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge, einen Drosselklappensteller 13 zur Einstellung der Luftzufuhr in den Verbrennungsmotor 2, eine Zündeinrichtung (nicht gezeigt) in jedem der Zylinder 3, dessen Zündzeitpunkt zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemisches vorgegeben wird, die zeitlichen Ventilspiele der Einlass- und Auslassventile und dergleichen umfassen.
In der Steuereinheit 14 wird zum Bereitstellen eines Motormoments eine entsprechende einzuspritzende Kraftstoffmenge berechnet und die Einspritzventile 6 in entsprechender Weise zum Einspritzen der berechneten Kraftstoffmenge angesteuert. Gleichzeitig führt die Steuereinheit 15 eine Regelung aus, basierend auf dem eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lambdawert λ_E , λ_A , der kontinuierlich von den Abgassensoren 9, 10 bereitgestellt wird.
In 2 ist ein Funktionsblockdiagramm dargestellt, das die Funktionsweise der Regelung im Motorsystem 1 näher veranschaulicht. Die Regelung wird durch einen Füllstandsregler 22 und einen Lambdaregelungsblock 20 realisiert und basiert im Wesentlichen darauf, einen aktuellen Füllstand θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf einen vorgegebenen Füllstands-Sollwert θ_set einzustellen.
Der Füllstand einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entspricht bei einem Drei-Wege-Katalysator einer Sauerstoffbeladung, die vorzugsweise gemäß einem vorgegebenen Betriebsmodell vorgegeben werden soll und zum Beispiel etwa bei einer Hälfte der möglichen maximalen Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 liegt.
Der Lambdaregelungsblock 20 stellt abhängig von einem von dem Füllstandsregler 22 vorgegebenen Lambdakorrektur Δλ_korr als Stellgröße eine Kraftstoffmengenkorrekturgröße r_korr bereit, die in einem Einspritzmengenberechnungsmodell eines Einspritzmengenberechnungsblocks, das ebenfalls in der Steuereinheit 15 ausgeführt wird und eine einzuspritzende Kraftstoffmenge r berechnet, in geeigneter Weise, insbesondere durch Addition, berücksichtigt wird.
Da der Füllstand θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 nicht gemessen werden kann, wird dieser mithilfe eines Streckenmodells in einem Streckenmodellblock 21 modelliert. Das Streckenmodell umfasst in der Regel ein Eingangsemissionsmodell, ein Katalysatormodell, das aus einem Füllstandsmodell und einem Emissionsmodell besteht, und ein Ausgangsemissionsmodell. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell einen Algorithmus zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf.
Die obigen Modelle sind jeweils Algorithmen, die in der Steuereinheit 15 ausgeführt werden. Das Eingangsemissionsmodell dient dazu, den eingangsseitigen Lambdawert λ_E des eingangsseitigen Abgassensors 9 in Eingangsgrößen zu konvertieren, die Konzentrationen von O₂, CO, H₂ und HC im Bereich des eingangsseitigen Abgassensors 8 darstellen. Aus den durch das Eingangsemissionsmodell berechneten Größen werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell ein Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung und Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 modelliert. Das Ausgangs-Lambdamodell konvertiert die mit dem Katalysatormodell berechneten Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 für die Adaption des Streckenmodells in einem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert λ_A,mod , das einem Lambdawert ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entsprechen soll. Das Streckenmodell kann damit zum einen zur Modellierung wenigstens eines modellierten mittleren Füllstands θ_mod der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 und zum anderen zum Bereitstellen eines modellierten ausgangsseitigen Lambdawerts λ_A,mod dienen.
Der Füllstands-Sollwert θ_set wird mithilfe eines Sollwertfilters 23 vorgefiltert. Mit dem vorgefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt als Führungsgröße werden nun zum einen eine Vorsteuerung und zum anderen eine Füllstandsregelung angesteuert. Die Lambdaregelung basiert im Wesentlichen auf dem Ergebnis der Füllstandsregelung, bei der ein gefilterter Füllstands-Sollwert θ_set,filt oder eine Füllstands-Sollwerttrajektorie θ_set,trj vorgegeben wird. Die Füllstandsregelung basiert auf einem Unterschied, insbesondere einer Differenz zwischen dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt und dem modellierten mittleren Füllstands θ_mod , die in einem Differenzglied 25 ermittelt wird. Die Füllstandsregelung kann mithilfe des Füllstandsreglers 22, der insbesondere als Pl-Regler ausgebildet sein kann, durchgeführt werden und gibt als Stellgröße die Lambdakorrektur Δλ_korr aus. Dadurch wird der mithilfe des Streckenmodells modellierte mittlere Füllstand θ_mod auf den Füllstands-Sollwert θ_set eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach mager und fett, d. h. die Wahrscheinlichkeit eines Verlassens des Katalysatorfensters, minimiert und so zu minimalen Emissionen führt.
Die Vorsteuerung erfolgt in einem Vorsteuerungsblock 24, der zum einen einen Vorsteuerungslambdawert λ_vst und zum anderen eine Soll-Füllstand-Trajektorie θ_set,trj abhängig von dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt bereitstellt. Zur Berechnung desjenigen Vorsteuerungslambdawerts λ_vst , der dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt entspricht, enthält der Vorsteuerungsblock 24 ein physikalisches Modell, das einem zu dem Streckenmodell inversen Streckenmodell entspricht, d.h. einem Modell, dass einen vorgegebenen Füllstand einem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert λ'_vst zuweist.
Ist das eingangsseitige Lambdasignal λ_E durch einen Offset verfälscht, so wird ein Lambda-Offsetwert Δλ_off im Vorsteuerungslambdawert λ_vst berücksichtigt, insbesondere indem der Lambda-Offsetwert Δλ_off zu dem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert λ'_vst addiert wird.
Für die Berechnung einer physikalisch umsetzbaren Soll-Füllstand-Trajektorie wird ein zweites Streckenmodell (Kopie) mit identischen Parametern verwendet, das als Eingangslambda den Vorsteuerungslambdawert λ_vst besitzt. Das hat den Vorteil, dass der Füllstandsregler 22 nur dann eingreifen muss, wenn der mit Hilfe des Streckenmodells modellierte Ist-Füllstand der Abgasnachbehandlunsgeinrichtung 8 von der Soll-Füllstand-Trajektorie θ_set,trj abweicht.
Dadurch wird nicht nur der Vorsteuerungslambdawert korrigiert, sondern auch die Soll-Füllstand-Trajektorie adaptiert.
Während das Streckenmodell den eingangsseitigen Lambdawert λ_E vor der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 in einen modellierten (mittleren) Sauerstoff-Füllstand θ_mod der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 umrechnet, rechnet das inverse Streckenmodell des Vorsteuerungsblocks 24 den gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt in ein entsprechendes Soll-Lambda vor der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 (vorläufiger Vorsteuerungslambdawert λ'_vst ) um.
Vorzugsweise wird zum Erstellen des inversen Streckenmodells das Streckenmodell des Streckenmodellblocks 21 analytisch invertiert. Bei einer üblichen Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern, die in der Regel nur durch ein nichtlineares Differentialgleichungssystem dargestellt werden kann. Dies führt typischerweise dazu, dass sich das Gleichungssystem für das invertierte Streckenmodell nicht analytisch lösen lässt.
Deshalb kann als Alternative zur analytischen Invertierung des Streckenmodells eine numerische Invertierung des Streckenmodells vorgesehen sein. Diese basiert darauf, dass dem bestehenden Streckenmodell iterativ ein eingangsseitiger Lambdawert vorgegeben wird, um mithilfe des Streckenmodells einen entsprechenden Wert für den mittleren Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 zu erhalten, der dem gewünschten Füllstands-Sollwert θ_set bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt entspricht. Ist dieser Modellwert mit dem Füllstands-Sollwert θ_set bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt identisch, so ist der iterativ vorgegebene eingangsseitige Lambdawert der Wert, mit dem man vorsteuern muss, um den Soll-Sauerstoff-Füllstand zu erreichen.
Zur Umsetzung wird deshalb ein zweites Streckenmodell (Kopie) mit identischen Parametern und initial identischen Zustandsvariablen vorgegeben und solange mit variablen eingangsseitigen Lambdawerten iteriert, bis die Differenz zwischen dem Ist-Füllstand, der durch das zweite Streckenmodell berechnet wird, und dem gewünschten Füllstands-Sollwert θ_set bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θ_set,filt betragsmäßig ausreichend klein ist, um eine durch die Iteration geforderte Genauigkeit der Vorsteuerung zu erreichen. Der so gefundene Wert für den eingangsseitigen Lambdawert wird als vorläufiger Vorsteuerungslambdawert λ'_vst verwendet.
Der Vorsteuerungslambdawert λ_vst des Vorsteuerungsblocks 24 und die Lambdakorrektur Δλ_korr des Füllstandsregeler 22 werden in einem Summierglied 26 summiert und das Summensignal stellt den Soll-Lambdawert λ_soll für den eingangsseitigen Lambdawert dar. Die Vorsteuerung ermittelt neben dem Vorsteuerungslambdawert λ_vst auch die Soll-Füllstandstrajektorie θ_set,trj für den Füllstandsregler 22.
Da die Eingangsgrößen des Streckenmodells mit Unsicherheiten behaftet sein können, und auch das Streckenmodell ungenau sein kann, kann es zu Abweichungen zwischen den mithilfe des Streckenmodells modellierten Größen des Füllstands θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 und den entsprechenden realen Größen kommen. Zum Ausgleich der Unsicherheiten kann die modellbasierte Regelung des Füllstandes θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entsprechend adaptiert werden. Die Adaption kann beispielsweise durch Eingriff in die Füllstandsregelung und/oder in die Vorsteuerung erfolgen.
Die Adaption erfolgt bei Vorliegen geeigneter Betriebsbedingungen basierend auf einer Abweichung zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten ausgangsseitigen Lambdawert λ_A,mod und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert λ_A . Adaptionsbedarf besteht dann, wenn die beiden Werte sich unterscheiden, insbesondere um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert.
Es ist vorteilhaft, den Soll-Lambdawert λ_soll für den eingangsseitigen Lambdawert und die ermittelte Soll-Füllstandstrajektorie mit einem Lambda-Offsetwert Δλ_off zu korrigieren, der ein Maß für den Adaptionsbedarf darstellt. Dieses Maß für den Adaptionsbedarf ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten ausgangsseitigen Lambdawerts λ_A,mod und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert λ_A , insbesondere als deren Differenz als Lambda-Offsetwert Δλ_off .
Durch die Korrektur des Soll-Lambdawerts λ_soll für den eingangsseitigen Lambdawert kann die Lambdaregelung unmittelbar auf Änderungen des Lambda-Offsetwerts Δλ_off reagieren. Da das Streckenmodell nicht adaptiert wird, weicht zwar der modellierte mittlere Füllstand θ_mod vom tatsächlichen Füllstand ab, da jedoch die Soll- Füllstands-Sollwerttrajektorie θ_set,trj ebenfalls adaptiert wird, folgt sie dem falschen modellierten Füllstand θ_mod des Streckenmodells, so dass der Füllstandsregler 22 vor und nach der Adaption dieselbe Regelabweichung sieht. Sprünge der Regelabweichung, die zu einem Aufschwingen der Füllstandsregelung führen könnten, werden dadurch vermieden.
Es ist vorteilhaft, das Maß für den Adaptionsbedarf, d.h. eine Differenz aus dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert λ_A,mod und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert λ_A , mithilfe eines Filters in einem Adaptionsblock 27 zu glätten, um den Lambda-Offsetwert Δλ_off zu erhalten. Das Filter kann beispielsweise als PT1-Filter ausgebildet sein und eine betriebspunktabhängige Zeitkonstante aufweisen, die z.B. aus einem entsprechenden parametrisierbaren Kennfeld entnommen werden kann. Dem Filter kann optional ein Integrator nachgeschaltet sein, um langfristige Effekte zu berücksichtigen. Im eingeschwungenen Zustand entspricht das gefilterte Signal dem Lambda-Offsetwert Δλ_off und durch die Unsicherheiten des eingangsseitigen Lambdawerts und die Ungenauigkeiten des Streckenmodells, also genau dem Adaptionsbedarf.
Es kann vorgesehen sein, dass die Filterung in dem Adaptionsblock 27 nur dann erfolgt, wenn geeignete Einschaltbedingungen vorliegen. Um Ungenauigkeiten schnell kompensieren zu können, kann daher vorgesehen sein, das Filter unter wenig restriktiven Bedingungen eine Adaption durchführen zu lassen, insbesondere immer dann, wenn ein stöchiometrisches Gemisch angefordert wird und wenn von dem ausgangsseitigen Abgassensor ein Abgaslambda im Bereich von 1 angezeigt wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass eine Adaption nur dann durchgeführt wird, wenn das Signal des ausgangsseitigen Abgassensors 10 zuverlässig ist.
Weiterhin ist es zweckmäßig, den Adaptionswert am Ende eines Fahrzyklus zu speichern und einen nächsten Fahrzyklus den entsprechenden Adaptionswert als Ausgangswert zu verwenden.
Der Adaptionsbedarf kann verschiedene Ursachen haben, die in dem vorliegenden Verfahren nicht unterscheidbar sind. Für die Füllstandsregelung ist die Unterscheidung jedoch nicht notwendig, da der Füllstand lediglich schnell und genau auf den Emissions-optimalen Soll-Füllstand eingeregelt werden soll. Erfolgt die Unterscheidung zwischen den Ursachen, die zu dem Adaptionsbedarf führen, in einer oder mehreren anderen Funktionalitäten, ist es vorteilhaft, die Anteile des Adaptionsbedarfs, die eindeutig zugeordnet werden können, an der Stelle zu korrigieren, wo sie auftreten.
Zum Beispiel kann eine Diagnose für einen Lambdaoffset für den eingangsseitigen Lambdawert bei Vorliegen geeigneter Einschaltbedingungen den Inhalt oder das Eingangssignal des Adaptionsblocks 27 bewerten, um zwischen einem Offset des eingangsseitigen Lambdawerts und einem Leck im Abgassystem 5 zu unterscheiden. Mit einem hier erkannten Offset des eingangsseitigen Lambdawerts kann das Ist-Lambdasignal des Abgassensors 9 korrigiert werden. Damit diese Korrektur nicht doppelt berücksichtigt wird, muss der entsprechende eingangsseitige Lambda-Offsetwert Δλ_off vom Inhalt des Adaptionsblockes 27 subtrahiert werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8), mit folgenden Schritten: - Durchführen einer Füllstandsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln; - Betreiben einer Vorsteuerung für die Füllstandsregelung; und - Adaptieren der Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert (λ_A) und einem modellierten Lambdawert (λ_A,mod).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gemessene Lambdawert (λ_A) einem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert und der modellierte Lambdawert einem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert (λ_A,mod)entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Füllstandsregelung einen Lambdakorrekturwert (Δλ_korr) als Stellgröße bereitstellt, der durch einen Lambdavorsteuerwert (λ_vst) als Ausgang der Vorsteuerung, insbesondere additiv beaufschlagt wird, um einen zu stellenden Soll-Lambdawert (λ_soll) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Kraftstoffmengenkorrekturgröße (r_korr) abhängig von dem Soll-Lambdawert (λ_soll) und einer Lambdaregelung ermittelt wird, wobei abhängig von der Kraftstoffmengenkorrekturgröße (r_korr) eine einzuspritzende Kraftstoffmenge (r) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der modellierte Lambdawert (λ_A,mod)mithilfe eines vorgegebenen Streckenmodells zum Bereitstellen eines physikalischen Modells der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) berechnet wird, um basierend auf einem gemessenen eingangsseitigen Lambdawert (λ_E) einen modellierten Füllstand (θ_mod) der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) zu ermitteln, wobei die Füllstandsregelung basierend auf dem modellierten Füllstand (θ_mod) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mithilfe des Streckenmodells ein modellierter ausgangsseitiger Lambdawert (λ_A,mod)berechnet wird, wobei abhängig von einem Unterschied zwischen dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert (λ_A,mod)und einem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert (λ_A) ein Lambda-Offsetwert (Δλ_off) ermittelt wird, abhängig von dem die Vorsteuerung adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Unterschied zwischen dem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert (λ_A,mod)und dem gemessenen ausgangsseitigen Lambdawert (λ_A) gefiltert wird, insbesondere tiefpassgefiltert wird, um den Lambda-Offsetwert (Δλ_off) zu erhalten, wobei insbesondere eine Zeitkonstante der Filterung abhängig von einem Betriebspunkt des Motorsystems (1) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, wobei die Vorsteuerung als Invertierung des Streckenmodells ausgelegt ist, um einen Vorsteuerlambdawert abhängig von einem gewünschten Füllstands-Sollwert und abhängig von der Abweichung zwischen dem gemessenen Lambdawert (λ_A) und dem modellierten Lambdawert (λ_A,mod)zu ermitteln, wobei insbesondere abhängig von dem gewünschten Füllstands-Sollwert ein vorläufiger Vorsteuerlambdawert ermittelt wird, der additiv mit einem Lambdaoffsetwert, der von der Abweichung zwischen dem gemessenen Lambdawert (λ_A) und dem modellierten Lambdawert (λ_A,mod)abhängt, beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorsteuerung eine Füllstands-Sollwert-Trajektorie ermittelt, um Füllstands-Sollwerte (θ_set,filt) der Füllstandsregelung vorzugeben.
Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (15), zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - eine Füllstandsregelung durchzuführen, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln; - eine Vorsteuerung für die Füllstandsregelung zu betreiben; - die Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert (λ_A) und einem modellierten Lambdawert (λ_A,mod)zu adaptieren.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit, insbesondere einer mobilen Recheneinheit, ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.