DE102018216094B3 - Method for regulating an exhaust gas aftertreatment system and internal combustion engine, set up to carry out such a method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems (7) zur Reduktion von Stickoxiden in einem mit dem Abgasnachbehandlungssystem (7) behandelten Abgasstrom, wobei eine Dosiereinrichtung (13) zur Zumessung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators (9) angesteuert wird, wobei die Dosiereinrichtung (13) in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des Katalysators (9) angesteuert wird, wobei die Sollbeladungsgröße anhand eines phänomenologischen Modells eines Zusammenhang zwischen einer relativen Beladung des Katalysators (9) und einer Umsatzrate des Katalysators (9) bestimmt wird, und wobei zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung (13) eine physikalische Speicherbilanz verwendet wird. The invention relates to a method for regulating an exhaust gas aftertreatment system (7) for reducing nitrogen oxides in an exhaust gas stream treated with the exhaust gas aftertreatment system (7), a metering device (13) for metering a reducing agent into the exhaust gas stream upstream of a catalytic converter (9) being activated, wherein the metering device (13) is controlled as a function of a target loading size of the catalyst (9), the target loading size being determined on the basis of a phenomenological model of a relationship between a relative loading of the catalyst (9) and a conversion rate of the catalyst (9), and wherein Control of the metering device (13) a physical memory balance is used.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems zur Reduktion von Stickoxiden, sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides, and to an internal combustion engine which is set up to carry out such a method.
Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems zur Reduktion von Stickoxiden, kurz auch als SCR-Systeme bezeichnet, beruhen typischerweise entweder auf vereinfachten, regelungstechnischen Ersatzmodellen, zum Beispiel Proportionalgliedern mit oder ohne Totzeit und/oder Verzögerungsgliedern, oder - alternativ - auf detaillierten physikalischen Modellen. Beide Ansätze weisen Schwierigkeiten auf. Regelungstechnische Ersatzmodelle können einfach bestimmt werden, beispielsweise durch sogenannte Sprungversuche, beschreiben aber aufgrund ihrer Einfachheit das dynamische Verhalten eines SCR-Systems nur näherungsweise. Insbesondere finden sie ihre Grenzen in transienten Betriebszuständen des SCR-Systems. Demgegenüber beschreiben detaillierte physikalische Modelle generell das Systemverhalten korrekt. Sie beruhen allerdings auf einer Vielzahl von Systemparametern, die nur schwierig und mit hohem Aufwand bestimmt werden können. Die Nutzung solcher Modelle in Seriensteuergeräten für Brennkraftmaschinen ist aufgrund der erforderlichen Rechenzeiten gegebenenfalls nicht möglich. Teilweise werden deshalb wiederum vereinfachende Annahmen getroffen; beispielsweise wird eine räumliche Ausdehnung eines SCR-Katalysators in Strömungsrichtung bei der Umsetzung vernachlässigt. In diesem Fall büßen die physikalischen Modelle allerdings an Genauigkeit ein. Problematisch ist weiterhin, dass sich physikalische Modelle nur sehr schlecht an ein verändertes reales Systemverhalten adaptieren lassen, da insbesondere aufgrund der Vielzahl von Modellparametern unklar bleibt, durch welche Parameter sinnvoll eine Anpassung an das geänderte, reale Verhalten des SCR-Systems erfolgen kann.Methods for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides, also referred to as SCR systems for short, are typically based either on simplified, control engineering replacement models, for example proportional elements with or without dead time and / or delay elements, or - alternatively - on detailed physical models. Both approaches have difficulties. Control engineering replacement models can be easily determined, for example by so-called jump tests, but due to their simplicity only describe the dynamic behavior of an SCR system approximately. In particular, they find their limits in transient operating states of the SCR system. In contrast, detailed physical models generally describe the system behavior correctly. However, they are based on a large number of system parameters that can only be determined with difficulty and with great effort. The use of such models in series control units for internal combustion engines may not be possible due to the required computing times. Therefore, simplifying assumptions are made in part; For example, a spatial expansion of an SCR catalytic converter in the flow direction is neglected during the implementation. In this case, however, the physical models lose accuracy. It is also problematic that physical models are very difficult to adapt to a changed real system behavior, since, in particular due to the large number of model parameters, it remains unclear which parameters can be meaningfully adapted to the changed, real behavior of the SCR system.
Letztlich ist es insbesondere nicht möglich, mittels der hier diskutierten Ansätze die Speicherbeladung eines SCR-Katalysators mit einem Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak, gezielt zu beeinflussen. Im Fall der vereinfachten, regelungstechnischen Ersatzmodelle scheitert dies an der mangelnden Dynamik oder an der zu geringen physikalischen Genauigkeit, bei der Vorgänge der Ammoniak-Speicherung nicht abgebildet sind; im Fall physikalischer Modelle an der hohen Komplexität und der fehlenden Kenntnis, welche Parameter als wesentlich zu betrachten sind, weiterhin am Rechen- und Speicheraufwand auf einem Steuergerät. Die gezielte Beeinflussung der Speicherbeladung ist aber wünschenswert, da das Systemverhalten eines SCR-Katalysators stark von der Beladung der Katalysatoroberfläche mit Reduktionsmittel beeinflusst ist.Ultimately, it is in particular not possible to use the approaches discussed here to specifically influence the storage loading of an SCR catalytic converter with a reducing agent, in particular ammonia. In the case of the simplified, control-technical replacement models, this fails due to the lack of dynamics or the insufficient physical accuracy, in which processes of ammonia storage are not shown; in the case of physical models due to the high level of complexity and the lack of knowledge as to which parameters are to be regarded as essential, the computing and storage effort on a control unit. The targeted influencing of the storage loading is desirable, however, since the system behavior of an SCR catalytic converter is strongly influenced by the loading of the catalytic converter surface with reducing agent.
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion von Stickoxiden sowie eine Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines solchen Verfahrens, zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.The object of the invention is to create a method for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides and an internal combustion engine set up to carry out such a method, the disadvantages mentioned not occurring.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by creating the subject matter of the independent claims. Advantageous refinements result from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion von Stickoxiden in einem mit dem Abgasnachbehandlungssystem nachbehandelten Abgasstrom geschaffen wird, wobei eine Dosiereinrichtung zur Zumessung eines Reduktionsmittels - worunter auch die Zumessung eines Reduktionsmittel-Vorläuferprodukts, welches im Abgasstrom zu dem Reduktionsmittel umgesetzt wird, zu verstehen ist - in den Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators, der insbesondere eingerichtet ist zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere als SCR-Katalysator, angesteuert wird, wobei die Dosiereinrichtung in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des Katalysators angesteuert wird. Die Sollbeladungsgröße wird anhand eines phänomenologischen Modells eines Zusammenhangs zwischen einer relativen Beladung des Katalysators und einer Umsatzrate des Katalysators bestimmt. Zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung wird eine physikalische Speicherbilanzrechnung verwendet. Auf diese Weise werden insbesondere eine physikalische Modellierung und eine phänomenologische Modellierung des Katalysatorverhaltens geschickt verknüpft, wobei die Vorteile der phänomenologischen Betrachtung einerseits und der physikalischen Betrachtung andererseits miteinander kombiniert werden, wobei sich die jeweiligen Nachteile quasi gegenseitig aufheben. The object is achieved in particular by creating a method for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides in an exhaust gas stream aftertreated with the exhaust gas aftertreatment system, with a metering device for metering a reducing agent - including the metering of a reducing agent precursor product which is in the exhaust gas stream to the reducing agent is implemented - is to be understood - in the exhaust gas stream upstream of a catalytic converter, which is set up in particular for the catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular as an SCR catalytic converter, the metering device being controlled as a function of a desired load size of the Catalyst is controlled. The target loading size is determined using a phenomenological model of a relationship between a relative loading of the catalyst and a conversion rate of the catalyst. A physical memory balance calculation is used to control the metering device. In this way, in particular, a physical modeling and a phenomenological modeling of the catalyst behavior are skilfully linked, the advantages of the phenomenological consideration on the one hand and the physical consideration on the other hand being combined with one another, the respective disadvantages virtually canceling each other out.
Insbesondere ermöglicht das phänomenologische Modell eine einfache und schnelle Bestimmung der Sollbeladungsgröße, während die physikalische Speicherbilanzrechnung eine auch für das reale System realistische und genaue Ansteuerung der Dosiereinrichtung ermöglicht. Dabei weist eine physikalische Speicherbilanzrechnung im Vergleich zu einem physikalischen Vollmodell eine sehr viel geringere Komplexität auf und kann daher ebenfalls schnell und mit geringem Speicheraufwand berechnet werden. Das Verfahren zeichnet sich somit insbesondere durch eine hohe Dynamik aus, und es eignet sich sehr gut auch für transiente Betriebszustände des Abgasnachbehandlungssystems. In particular, the phenomenological model enables the target load size to be determined simply and quickly, while the physical memory balance calculation enables the metering device to be controlled in a realistic and precise manner, even for the real system. A physical memory balance calculation is much less complex than a full physical model and can therefore also be calculated quickly and with little storage effort. The method is therefore particularly characterized by high dynamics, and it is also very suitable for transient operating states of the exhaust gas aftertreatment system.
Als Sollbeladungsgröße wird bevorzugt eine relative Beladung des Katalysators mit dem Reduktionsmittel, insbesondere eine relative Beladung einer Katalysatoroberfläche des Katalysators, verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Sollbeladungsgröße eine Soll-Umsatzrate des Katalysators und/oder eine Soll-Stickoxidkonzentration - worunter insbesondere ein Soll-Stickoxidpartialdruck zu verstehen ist - im nachbehandelten Abgasstrom stromabwärts des Katalysators verstanden wird. Auch die Soll-Umsatzrate und die Soll-Stickoxidkonzentration sind mit der relativen Reduktionsmittelbeladung des Katalysators verknüpft und können daher als Sollbeladungsgrößen verwendet werden.A relative loading of the catalyst with the reducing agent, in particular a relative loading of a catalyst surface of the catalyst, is preferably used as the target loading variable. Alternatively or additionally, it is possible that a target conversion rate of a catalytic converter and / or a target nitrogen oxide concentration - which is to be understood in particular as a target nitrogen oxide partial pressure - in the post-treated exhaust gas stream downstream of the catalyst. The target conversion rate and the target nitrogen oxide concentration are also linked to the relative reducing agent loading of the catalytic converter and can therefore be used as target loading parameters.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt die relative Beladung des Katalysators gezielt beeinflusst, insbesondere gesteuert, vorzugsweise geregelt.In the context of the method, the relative loading of the catalyst is preferably influenced, in particular controlled, preferably regulated.
Die Sollbeladungsgröße wird bevorzugt betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einem momentanen Betriebspunkt einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine, anhand des phänomenologischen Modells bestimmt. Dies ist vorteilhaft, weil die Bedingungen für die Reduzierung von Stickoxiden an dem Katalysator stark vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängen, insbesondere von einem momentanen Abgasmassenstrom, einer momentanen Abgastemperatur, einer momentanen Stickoxid-Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators im Abgasstrom, und/oder weiteren Parametern.The target load variable is preferably determined as a function of the operating point, in particular as a function of a current operating point of an internal combustion engine having the exhaust gas aftertreatment system, using the phenomenological model. This is advantageous because the conditions for the reduction of nitrogen oxides on the catalytic converter strongly depend on the instantaneous operating point of the internal combustion engine, in particular on an instantaneous exhaust gas mass flow, an instantaneous exhaust gas temperature, an instantaneous raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter in the exhaust gas stream, and / or further parameters.
Bei dem phänomenologischen Modell handelt es sich bevorzugt um ein heuristisches und/oder um ein stationäres Modell des Zusammenhangs zwischen der relativen Beladung des Katalysators mit Reduktionsmittel und der Umsatzrate des Katalysators. Ein solches Modell ist sowohl einfach aufstellbar, als auch schnell, einfach und ohne hohen Speicheraufwand berechenbar.The phenomenological model is preferably a heuristic and / or a stationary model of the relationship between the relative loading of the catalyst with reducing agent and the conversion rate of the catalyst. Such a model is both easy to set up and also quick, easy and calculable without a large amount of memory.
Zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung wird vorzugsweise zusätzlich zu der physikalischen Speicherbilanzrechnung auch das phänomenologische Modell verwendet. Auf diese Weise kann die Dosiereinrichtung mit besonders hoher Genauigkeit und Dynamik angesteuert werden.To control the metering device, the phenomenological model is preferably used in addition to the physical memory balance calculation. In this way, the metering device can be controlled with particularly high accuracy and dynamics.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als phänomenologisches Modell eine polynomiale Funktion, insbesondere ein Polynom, der Umsatzrate in Abhängigkeit von der relativen Beladung des Katalysators verwendet wird. Dies stellt eine einfache und insbesondere einfach berechenbare Form des phänomenologischen Modells dar.According to a development of the invention, it is provided that a polynomial function, in particular a polynomial, of the conversion rate as a function of the relative loading of the catalyst is used as the phenomenological model. This represents a simple and, in particular, easily calculable form of the phenomenological model.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die polynomiale Funktion ein Polynom dritter Ordnung. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Komplexitätsniveau zu einer hinreichend genauen Beschreibung des Katalysatorverhaltens ausreicht, wobei zugleich der Rechen- und Speicheraufwand gering ist.According to a preferred embodiment, the polynomial function is a third order polynomial. It has been found that this level of complexity is sufficient for a sufficiently precise description of the catalyst behavior, while at the same time the computation and storage effort is low.
Alternativ oder zusätzlich wird als Variable der polynomialen Funktion die logarithmierte relative Beladung des Katalysators verwendet. Betrachtet man die Umsatzrate am Katalysator aufgetragenen gegen den Logarithmus der relativen Beladung, zeigt sich ein funktionaler Zusammenhang, der mit guter Näherung als Polynom dritter Ordnung dargestellt beziehungsweise durch ein Polynom dritter Ordnung angepasst werden kann. Besonders bevorzugt wird der natürliche Logarithmus der relativen Beladung als Variable verwendet. Vorzugsweise wird als phänomenologisches Modell eine Funktion gemäß der folgenden Gleichung verwendet:
Unter dem Reduktionsmittel im engeren Sinne ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Ammoniak zu verstehen, wobei durch die Dosiereinrichtung ein Reduktionsmittelvorläuferprodukt, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in den Abgasstrom eingebracht wird, wobei das Reduktionsmittelprodukt in dem Abgasstrom zu dem Reduktionsmittel abgebaut wird oder zerfällt. Insbesondere zerfällt in den Abgasstrom eingebrachter Harnstoff unter den dort vorliegenden Bedingungen zu Ammoniak und Wasser. According to a preferred embodiment, the reducing agent in the narrower sense is to be understood to mean ammonia, a reducing agent precursor product, in particular a urea-water solution, being introduced into the exhaust gas stream by the metering device, the reducing agent product being broken down or decomposing into the reducing agent in the exhaust gas stream. In particular, urea introduced into the exhaust gas stream decomposes into ammonia and water under the conditions present there.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die physikalische Speicherbilanzrechnung zumindest eine Größe eingeht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Dosierrate, mit welcher das Reduktionsmittel über die Dosiereinrichtung in den Abgasstrom eindosiert wird, der Umsatzrate des Katalysators, und einer Austragsrate, mit der in dem Katalysator gespeichertes Reduktionsmittel aus dem Katalysator freigesetzt wird. Durch die Berücksichtigung von wenigstens einer dieser Größen, insbesondere von allen genannten Größen, kann eine genaue, vorzugsweise vollständige Darstellung der Speicherbilanz auf physikalischer Grundlage erhalten werden. Insbesondere wird die für physikalische Speicherbilanzrechnung bevorzugt die Speicherbilanz als Abhängigkeit der relativen Beladung von der wenigstens einen Größe, ausgewählt aus der zuvor genannten Gruppe, betrachtet. Besonders bevorzugt wird die Speicherbilanz durch folgende Gleichung beschrieben:
Die Dosierrate ist dabei als auf die Stickoxidmenge im Abgas bezogene Rate, insbesondere als auf den Stickoxidmassenstrom im Abgas bezogener Reduktionsmittelmassenstrom definiert:
Auch die Umsatzrate kann durch Messung gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
Die Austragsrate
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine momentane relative Beladung - vorzugsweise als Ist-Beladungsgröße - anhand des phänomenologischen Modells mittels eines Schätzverfahrens bestimmt wird. Dies erlaubt eine schnelle und wenig aufwändige Bestimmung der momentanen relativen Beladung im Betrieb des Katalysators. Als Schätzverfahren wird vorzugsweise ein Kalman-Filter, besonders bevorzugt ein erweiterter Kalman-Filter (Extended Kalman Filter - EKF) verwendet. Besonders bevorzugt wird die momentane relative Beladung anhand des phänomenologischen Modells und der physikalischen Speicherbilanz bestimmt.According to a further development of the invention, it is provided that an instantaneous relative load - preferably as an actual load quantity - is determined using the phenomenological model by means of an estimation method. This allows the current relative loading during operation of the catalytic converter to be determined quickly and with little effort. A Kalman filter is preferably used as the estimation method, particularly preferably an extended Kalman filter (Extended Kalman Filter - EKF). The instantaneous relative loading is particularly preferably determined on the basis of the phenomenological model and the physical memory balance.
Insbesondere wird dem Schätzverfahren bevorzugt ein Gleichungssystem zugrunde gelegt, welches als Ausgangsgleichung das phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) und als Zustandsgleichung folgende Gleichung umfasst:
Das Schätzverfahren kann dann insbesondere anhand der bekannten Dosierrate
Vorzugsweise werden verschiedene Schätzverfahren, insbesondere Kalman-Filter, angewendet, abhängig davon, ob die momentane relative Beladung kleiner oder größer ist als die optimale Speicherbeladung
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosiereinrichtung als Stellglied einer Regelung angesteuert wird, wobei durch diese Regelung die Umsatzrate des Katalysators oder eine Schadstoffkonzentration, insbesondere eine Stickoxidkonzentration, im Abgas stromabwärts des Katalysators als Regelgröße eingeregelt wird. Die Sollbeladungsgröße wird dabei vorzugsweise als Führungsgröße verwendet. Besonders bevorzugt wird als Sollbeladungsgröße die Soll-Umsatzrate des Katalysators verwendet. Alternativ ist es möglich, dass als Führungsgröße und Sollbeladungsgröße eine Soll-Stickoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators verwendet wird. Es ist aber auch möglich, dass die relative Beladung selbst als Sollbeladungsgröße, Regelgröße und Führungsgröße verwendet wird.According to a development of the invention, it is provided that the metering device is controlled as an actuator of a control system, with this control regulating the conversion rate of the catalyst or a pollutant concentration, in particular a nitrogen oxide concentration, in the exhaust gas downstream of the catalyst as a control variable. The target load size is preferably used as a reference value. The target conversion rate of the catalyst is particularly preferably used as the target loading variable. Alternatively, it is possible that a target nitrogen oxide concentration downstream of the catalytic converter is used as the reference variable and target load variable. However, it is also possible for the relative loading itself to be used as the target loading variable, controlled variable and reference variable.
Die Soll-Umsatzrate als Sollbeladungsgröße und damit Führungsgröße wird vorzugsweise aus einem betriebspunktabhängigen Emissionszielwert für die Soll-Stickoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators, insbesondere abhängig von einer momentanen Stickoxid-Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators und vorzugsweise einer momentanen Leistung einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine und/oder einem momentanen Abgasmassenstrom berechnet. Die relative Sollbeladung als Führungsgröße kann dabei durch Rückrechnung - insbesondere mittels der cardanischen Formeln - aus der so bestimmten Soll-Umsatzrate ermittelt werden.The target conversion rate as the target load variable and thus the reference variable is preferably determined from an operating point-dependent emission target value for the target nitrogen oxide concentration downstream of the catalyst, in particular depending on an instantaneous raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalyst and preferably an instantaneous output of an internal combustion engine having the exhaust gas aftertreatment system and / or an instantaneous one Exhaust mass flow calculated. The relative target load As a guide, it can be determined from the target turnover rate determined in this way by back calculation - in particular using the Cardanic formulas.
Die Soll-Stickoxidkonzentration kann entweder direkt aus dem Emissionszielwert oder durch nochmalige Rückrechnung aus der relativen Sollbeladung anhand des phänomenologischen Modells über die Soll-Umsatzrate bestimmt werden.The target nitrogen oxide concentration can be determined either directly from the emission target value or by recalculation from the relative target load using the phenomenological model of the target conversion rate.
Die Regelung erfolgt bevorzugt durch einen Regler auf der Grundlage der physikalischen Speicherbilanz, vorzugsweise auf der Grundlage der physikalischen Speicherbilanz und des phänomenologischen Modells. Bei dem Regler kann es sich in bevorzugter Weise um einen PI-Regler (Proportional-Integral-Regler) handeln.The regulation is preferably carried out by a controller based on the physical memory balance, preferably on the basis of the physical memory balance and the phenomenological model. The controller can preferably be a PI controller (proportional-integral controller).
Alternativ oder zusätzlich wird die Dosiereinrichtung bevorzugt durch eine Vorsteuerung angesteuert, wobei in die Vorsteuerung eine relative Sollbeladung des Katalysators und eine momentane relative Beladung des Katalysators eingehen. Die relative Sollbeladung wird dabei bevorzugt aus dem phänomenologischen Modell bestimmt, insbesondere auf die gleiche Weise, wie dies zuvor in Zusammenhang mit der Regelung beschrieben wurde. Die momentane relative Beladung des Katalysators wird bevorzugt aus dem zuvor beschriebenen Schätzverfahren erhalten. Die mittels der Vorsteuerung einzustellende Dosierrate wird bevorzugt auf der Grundlage der physikalischen Speicherbilanz ermittelt. In besonders bevorzugter Weise wird zur Vereinfachung des Verfahrens hierfür eine reduzierte Speicherbilanz verwendet, wobei angenommen wird, dass die Austragsrate und vorzugsweise ebenfalls die Umsatzrate konstant sind.As an alternative or in addition, the metering device is preferably controlled by a pilot control, a relative target loading of the catalytic converter and an instantaneous relative loading of the catalytic converter being included in the pilot control. The relative target loading is preferably determined from the phenomenological model, in particular in the same way as was previously described in connection with the control. The instantaneous relative loading of the catalyst is preferably obtained from the estimation method described above. The metering rate to be set by means of the pilot control is preferably determined on the basis of the physical memory balance. In a particularly preferred manner, a reduced storage balance is used to simplify the method, it being assumed that the discharge rate and preferably also the conversion rate are constant.
Vorzugsweise wird die Dosiereinrichtung sowohl als Stellglied der zuvor beschriebenen Regelung als auch durch die zuvor beschriebene Vorsteuerung angesteuert. Dabei werden eine Ausgangsgröße des Reglers und eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung bevorzugt miteinander verknüpft, insbesondere miteinander verrechnet, vorzugsweise addiert, wobei die Dosiereinrichtung anhand des Ergebnisses dieser Operation angesteuert wird.The metering device is preferably controlled both as an actuator of the control described above and by the pilot control described above. In this case, an output variable of the controller and an output variable of the precontrol are preferably linked to one another, in particular offset, preferably added, the metering device being controlled on the basis of the result of this operation.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Schätzverfahrens wenigstens ein Modellparameter des phänomenologischen Modells bestimmt wird. Das Schätzverfahren erlaubt es dabei auf einfache und ökonomische Weise, die Modellparameter, insbesondere
Alternativ ist es auch möglich, dass alle Modellparameter konstant festgelegt sind.Alternatively, it is also possible for all model parameters to be fixed constantly.
Die Modellparameter sind insbesondere abhängig von einem aktuellen Betriebspunkt und/oder einem Alterungszustand des Abgasnachbehandlungssystems.The model parameters are in particular dependent on a current operating point and / or an aging state of the exhaust gas aftertreatment system.
Werden die Modellparameter aus dem Schätzverfahren erhalten, wird dies bevorzugt anhand einer kombinierten Zustands- und Parameterschätzung durchgeführt. Dabei muss die Zustandsschätzung, das heißt die Schätzung der momentanen relativen Beladung, auf einer anderen Zeitskala erfolgen als die Parameterschätzung. Insbesondere erfolgt die Zustandsschätzung mit der Dynamik der Beladungsbilanz, wobei die Modellparameter mit der Dynamik des thermischen Verhaltens des Abgasnachbehandlungssystems geschätzt werden.If the model parameters are obtained from the estimation process, this is preferably carried out using a combined state and parameter estimation. The state estimate, i.e. the estimate of the current relative load, must be carried out on a different time scale than the parameter estimate. In particular, the state is estimated using the dynamics of the load balance, the model parameters being estimated using the dynamics of the thermal behavior of the exhaust gas aftertreatment system.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die momentane relative Beladung mittels eines Kalman-Filters geschätzt.According to a preferred embodiment of the method, the current relative loading is estimated using a Kalman filter.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt der wenigstens eine Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Dies ist in zugleich einfacher und genauer Weise möglich, da das phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) in den Modellparametern
Um die Zuverlässigkeit der Methode der kleinsten Quadrate weiter zu verbessern, werden bevorzugt mindestens zwei Punkte, das heißt mindestens zwei Wertepaare, fest vorgegeben, die in die Anpassung des phänomenologischen Modells einbezogen werden. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein erstes Wertepaar bei minimaler Umsatzrate und minimaler relativer Beladung, wobei insbesondere beide Werte ad hoc zu Null gewählt werden können. Als ein zweites festes Wertepaar wird bevorzugt ein Wertepaar an der Schlupfgrenze gewählt, also dort, wo erstmals Reduktionsmittel aus dem Katalysator freigesetzt wird. Dieses Wertepaar kann insbesondere in Prüfstandsversuchen bestimmt werden, wobei insbesondere die Schlupf-Umsatzrate und die Schlupf-Beladung dort festgelegt werden, wo mittels einer geeigneten Sensorik erstmals eine vorbestimmte Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich zu diesem zweiten Wertepaar kann auch ein Wertepaar mit einbezogen werden, welches oberhalb der Schlupfgrenze liegt, wobei dieses Wertepaar beispielsweise willkürlich aus einer Simulation des Abgasnachbehandlungssystems festgelegt werden kann.In order to further improve the reliability of the least squares method, at least two points, that is to say at least two pairs of values, are preferably predetermined and are included in the adaptation of the phenomenological model. This is preferably a first pair of values with a minimal turnover rate and minimal relative loading, it being possible in particular for both values to be chosen ad hoc to zero. A pair of values at the slip limit is preferably chosen as a second fixed pair of values, that is to say where reducing agent is released from the catalyst for the first time. This pair of values can be determined, in particular, in test bench tests, in particular the slip conversion rate and the slip loading being determined where a predetermined reducing agent concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter is detected for the first time by means of suitable sensors. As an alternative or in addition to this second pair of values, a pair of values which is above the slip limit can also be included, this pair of values being able to be arbitrarily determined, for example, from a simulation of the exhaust gas aftertreatment system.
Die mindestens zwei festgelegten Wertepaare bilden insbesondere Begrenzungen für die Methode der kleinsten Quadrate. Auf der Grundlage der Zustandsschätzung und/oder mittels der anhand der Methode der kleinsten Quadrate bestimmten Modellparameter wird dann vorzugsweise dasjenige Wertepaar aus der Umsatzrate und der relativen Beladung bestimmt, bei welchem die Umsatzrate maximal ist. Da es sich hierbei um das Extremum des phänomenologischen Modells gemäß Gleichung (1) handelt, gilt hierfür die zusätzliche Bedingung, dass die Ableitung des phänomenologischen Modells gleich Null ist. Das so betimmte Wertepaar aus maximaler Umsatzrate und zugehöriger relativer Beladung - nämlich der optimalen Speicherbeladung, siehe oben - kann dann im Rahmen der Regelung des Abgasnachbehandlungssystems verwendet werden, insbesondere um zu entscheiden, ob die momentane relative Beladung größer oder kleiner ist als die der maximalen Umsatzrate zugeordnete optimale Speicherbeladung.The at least two defined pairs of values in particular form limitations for the least squares method. On the basis of the state estimate and / or by means of the model parameters determined on the basis of the least squares method, the pair of values from which the turnover rate and the relative loading are at which the turnover rate is maximum is then preferably determined. Since this is the extremum of the phenomenological model according to equation (1), the additional condition applies that the derivation of the phenomenological model is zero. The pair of values determined in this way from the maximum conversion rate and the associated relative loading - namely the optimal storage loading, see above - can then be used in the context of the regulation of the exhaust gas aftertreatment system, in particular to decide whether the current relative loading is greater or less than that of the maximum conversion rate assigned optimal memory loading.
Die festgelegten Wertepaare sind ebenfalls betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einem momentanen Abgasmassenstrom und einer momentanen Temperatur des Katalysators. Sie werden vorzugsweise betriebspunktabhängig hinterlegt und während der Lebensdauer des Abgasnachbehandlungssystems nicht verändert.The defined value pairs are also dependent on the operating point, in particular dependent on an instantaneous exhaust gas mass flow and an instantaneous temperature of the catalytic converter. They are preferably stored depending on the operating point and are not changed during the lifetime of the exhaust gas aftertreatment system.
Lediglich bezüglich der Schlupfgrenze, das heißt dem Wert der relativen Beladung, ab welchem ein Austrag von Reduktionsmittel aus dem Katalysator erfolgt, kann alternativ zu einer Festlegung auch eine Anpassung im Betrieb gemäß einer vorbestimmten Regel erfolgen, wobei sich die Schlupf-Beladung beispielsweise durch einen festen Faktor größer 1 multipliziert mit der optimalen Speicherbeladung ergibt, die der maximalen Umsatzrate zugeordnet ist, wobei der Faktor beispielsweise 110 % betragen kann.Only with regard to the slip limit, that is to say the value of the relative load, from which the reducing agent is discharged from the catalytic converter, can an alternative to an adjustment be made during operation in accordance with a predetermined rule, the slip load being determined, for example, by a fixed one Factor greater than 1 multiplied by the optimal memory load, which is assigned to the maximum conversion rate, the factor being 110%, for example.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Modellparameter betriebspunktabhängig bestimmt und gespeichert wird. Wie bereits ausgeführt, wird der wenigstens eine Modellparameter bevorzugt in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators, einem Abgasmassenstrom, und/oder einer Stickoxid-Rohkonzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators bestimmt und in Abhängigkeit von wenigstens einer dieser Größen, insbesondere von allen diesen Größen, gespeichert, vorzugsweise in einem Kennfeld hinterlegt. Zur Verwendung des phänomenologischen Modells gemäß Gleichung (1) werden dann die entsprechenden Modellparameter betriebspunktabhängig ausgelesen.According to a development of the invention, it is provided that the at least one model parameter is determined and stored depending on the operating point. As already stated, the at least one model parameter is preferably determined as a function of a temperature of the catalytic converter, an exhaust gas mass flow and / or a raw nitrogen oxide concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter and is stored as a function of at least one of these parameters, in particular of all of these parameters , preferably stored in a map. To use the phenomenological model according to equation (1), the corresponding model parameters are then read out depending on the operating point.
Bei der Zustandsschätzung beziehungsweise bei der kombinierten Zustands- und Parameterschätzung können physikalisch sinnvolle Begrenzungen des Zustands oder der Parameter mitberücksichtigt werden. Die relative Beladung des Katalysators kann beispielsweise so definiert werden, dass sie Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Wenn diese Begrenzung im Schätzverfahren berücksichtigt wird, kann eine bessere Qualität der Schätzung des Zustands erreicht werden, und/oder es kann verhindert werden, dass unplausible Werte als Ergebnis der Schätzung angegeben werden. Sinnvolle Begrenzungen der Modellparameter, beispielsweise auf bestimmte Vorzeichenbereiche, können berücksichtigt werden. Damit werden die Freiheitsgrade des Schätzverfahrens auf physikalisch sinnvolle Wertebereiche eingeschränkt. Es wird verhindert, dass eine schlechte oder ungenaue Schätzung resultiert.When estimating the state or in the combined state and parameter estimation, physically meaningful limitations of the state or the parameters can also be taken into account. The relative loading of the catalyst can be defined, for example, so that it takes on values between 0 and 1. If this limitation is taken into account in the estimation process, a better quality of the estimation of the condition can be achieved and / or implausible values can be prevented from being given as the result of the estimation. Sensible limitations of the model parameters, for example to certain sign areas, can be taken into account. This limits the degrees of freedom of the estimation method to physically meaningful value ranges. A bad or inaccurate estimate is prevented from resulting.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Sollbeladung betriebspunktabhängig, das heißt insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, mit der das Abgasnachbehandlungssystem betrieben wird, insbesondere abhängig von einer Drehzahl und einem Drehmoment der Brennkraftmaschine, anhand des phänomenologischen Modells aus einer Soll-Umsatzrate bestimmt wird. Es wird also in vorteilhafter Weise zunächst betriebspunktabhängig - insbesondere auf der Grundlage eines Emissionszielwerts - die Soll-Umsatzrate bestimmt, wobei aus der Soll-Umsatzrate anhand des phänomenologischen Modells, insbesondere mittels der sogenannten cardanischen Formeln, welche die algebraische Auflösung des Modells erlauben, auf die relative Sollbeladung zurückgerechnet wird. According to a development of the invention, it is provided that the relative target loading is dependent on the operating point, that is to say in particular depending on an operating point of an internal combustion engine with which the exhaust gas aftertreatment system is operated, in particular depending on a speed and a torque of the internal combustion engine, based on the phenomenological model from a target Sales rate is determined. In an advantageous manner, the target conversion rate is initially determined as a function of the operating point, in particular on the basis of an emission target value, with the target conversion rate being based on the phenomenological model, in particular by means of the so-called Cardanic formulas, which allow the algebraic resolution of the model relative target load is calculated back.
Vorzugsweise wird der Emissionszielwert für die emittierte Stickoxidmenge, insbesondere in Einheiten von Masse pro Energie, beispielsweise Gramm pro Kilowattstunde, anhand des momentanen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei der Emissionszielwert auf der Grundlage der momentanen Leistung der Brennkraftmaschine, des momentanen Abgasmassenstroms, und der momentanen Stickoxid-Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators in die Soll-Umsatzrate umgerechnet wird.The emission target value for the amount of nitrogen oxide emitted, in particular in units of mass per energy, for example grams per kilowatt hour, is preferably read from a characteristic diagram on the basis of the current operating point of the internal combustion engine, the emission target value based on the current output of the internal combustion engine, the current exhaust gas mass flow, and the current raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter is converted into the target conversion rate.
Vorzugsweise wird mittels des phänomenologischen Modells eine stationäre relative Beladung berechnet, wobei aus der stationären relativen Beladung die relative Sollbeladung als begrenzte relative Sollbeladung durch Begrenzung anhand eines dynamischen Temperaturmodells erhalten wird. Diese Begrenzung der relativen Sollbeladung dient insbesondere der Vermeidung von Reduktionsmittelschlupf. Insofern hat sich gezeigt, dass das Speicherverhalten des Katalysators stark temperaturabhängig ist. Mittels des dynamischen Temperaturmodells wird bevorzugt eine zeitliche Vorausrechnung für die erwartete Temperatur des Katalysators oder in der Umgebung des Katalysators durchgeführt. Es wird dann eine momentane Schlupfgrenze für den momentanen Betriebszustand insbesondere anhand der momentanen Temperatur in der Umgebung des Katalysators bestimmt, sowie eine erwartete Schlupfgrenze für die zeitlich vorausberechnete Temperatur, die gemäß der prädizierten Temperaturentwicklung zu einem festgelegten Zeitpunkt in der Zukunft zu erwarten ist. Es wird dann - um Reduktionsmittelemissionen sicher zu vermeiden - aus der momentanen Schlupfgrenze und der erwarteten Schlupfgrenze das Minimum als minimale Schlupfgrenze ausgewählt und zur Begrenzung der relativen Sollbeladung verwendet. Dies bedeutet insbesondere, dass die relative Sollbeladung solange gleich der stationären relativen Beladung ist, solange die stationäre relative Beladung kleiner ist als die minimale Schlupfgrenze, wobei die relative Sollbeladung auf die minimale Schlupfgrenze begrenzt wird, wenn die stationäre relative Beladung größer wird als die minimale Schlupfgrenze.A stationary relative loading is preferably calculated using the phenomenological model, the relative target loading being obtained from the stationary relative loading as a limited relative target loading by limitation using a dynamic temperature model. This limitation of the relative target loading serves in particular to avoid slippage of reducing agents. In this respect, it has been shown that the storage behavior of the catalytic converter is strongly temperature-dependent. The dynamic temperature model is preferably used to carry out a time calculation for the expected temperature of the catalytic converter or in the vicinity of the catalytic converter. A current slip limit for the current operating state is then determined, in particular on the basis of the current temperature in the vicinity of the catalytic converter, and an expected slip limit for the temperature calculated in advance, which is to be expected in the future according to the predicted temperature development at a specified point in time. In order to safely avoid reducing agent emissions, the minimum as the minimum slip limit is selected from the current slip limit and the expected slip limit and used to limit the relative target load. This means in particular that the relative target load is equal to the stationary relative load as long as the stationary relative load is smaller than the minimum slip limit, the relative target load being limited to the minimum slip limit if the stationary relative load becomes larger than the minimum slip limit ,
Vorzugsweise wird anhand des phänomenologischen Modells aus der - insbesondere begrenzten - relativen Sollbeladung eine begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder eine begrenzte Soll-Schadstoffkonzentration im Abgas berechnet. Dies kann wiederum auf der Grundlage von Gleichung (1) erfolgen. Die begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder die begrenzte Soll-Schadstoffkonzentration wird/werden als Führungsgröße(n) für den Regler verwendet, durch den die Dosiereinrichtung als Stellglied angesteuert wird.Preferably, based on the phenomenological model, a limited target conversion rate and / or a limited target pollutant concentration in the exhaust gas is calculated from the — in particular limited — relative target loading. Again, this can be done based on equation (1). The limited target conversion rate and / or the limited target pollutant concentration is / are used as a reference variable (s) for the controller by which the metering device is controlled as an actuator.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand eines Vergleichs einer Modellrechnung der relativen Beladung und/oder der Speicherbilanz mit einer Schätzung der relativen Beladung und/oder der Speicherbilanz ein Dosierfehler für die Dosiereinrichtung ermittelt wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Speicherbilanz - unter Einbeziehung des phänomenologischen Modells für die Umsatzrate - zum einen algebraisch berechnet und zum anderen mittels des Schätzverfahrens aus den (fehlerbehafteten) Messwerten des realen Systems bestimmt werden kann. Setzt man den algebraisch erhaltenen Idealwert mit dem aus dem Schätzverfahren erhaltenen Realwert in Beziehung, kann auf eine Abweichung zurückgeschlossen werden, die für einen Fehler steht, der der Dosiereinrichtung und/oder der verwendeten Messsensorik, insbesondere den Stickoxid-Sensoren, zugeordnet werden kann. Geht man davon aus, dass die Stickoxid-Sensoren fehlerfrei oder höchstens mit einem bekannten Fehler funktionieren, kann hieraus wiederum auf den Dosierfehler der Dosiereinrichtung, insbesondere einem Injektorfehler rückgeschlossen werden.According to a further development of the invention, it is provided that a dosing error for the dosing device is determined on the basis of a comparison of a model calculation of the relative loading and / or the storage balance with an estimate of the relative loading and / or the storage balance. This is based on the idea that the storage balance - taking into account the phenomenological model for the turnover rate - can be calculated algebraically on the one hand and on the other hand determined using the estimation method from the (faulty) measured values of the real system. If the algebraically obtained ideal value is related to the real value obtained from the estimation method, it can be concluded that there is a deviation that represents an error that can be assigned to the metering device and / or the measurement sensor system used, in particular the nitrogen oxide sensors. If it is assumed that the nitrogen oxide sensors function without errors or at most with one known error, this can in turn be used to infer the metering error of the metering device, in particular an injector error.
Vorteilhaft an dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist insbesondere die grundsätzliche Berücksichtigung des physikalischen Systemverhaltens in Form der Speicherbilanz (Gleichung (2)) und die Berücksichtigung der Verknüpfung von relativer Beladung und zugehöriger Umsatzrate des Katalysators (Gleichung (1)). Durch die Kenntnis des Speicherzustands und des Modellzusammenhangs zwischen relativer Beladung und Umsatzrate kann im Rahmen einer Regelung des Abgasnachbehandlungssystems eine gezielte Beeinflussung der relativen Beladung des Katalysators durchgeführt werden. Damit ist es möglich, besonders schnell einen gewünschten Zielwert der Emissionen stromabwärts des Katalysators zu erreichen, ohne unerwünschte sekundäre Emissionen, insbesondere Reduktionsmittelemissionen, zu erzeugen.An advantage of the method proposed here is in particular the fundamental consideration of the physical system behavior in the form of the memory balance (equation (2)) and the consideration of the combination of relative loading and associated rate of conversion of the catalyst (equation (1)). By knowing the storage status and the model relationship between the relative loading and the conversion rate, the relative loading of the catalytic converter can be influenced in a targeted manner as part of a regulation of the exhaust gas aftertreatment system. It is thus possible to achieve a desired target value of the emissions downstream of the catalytic converter particularly quickly without generating undesirable secondary emissions, in particular reducing agent emissions.
Man erhält im Ergebnis eine physikalisch korrekte Beschreibung des Systems über die Speicherbilanz und das phänomenologische Modell. Die Schätzung des aktuellen Beladungszustands des Katalysators ist im Gegensatz zu einer ungenauen parallel laufenden Modellrechnung über das Schätzverfahren korrigiert. Über die Ermittlung der Modellparameter kann sich das phänomenologische Modell an das aktuelle Systemverhalten anpassen, ohne dass komplexe Zusammenhänge, wie beispielsweise Alterungsvorgänge, detailliert abgebildet werden müssten. Es ist eine besonders schnelle Emissionsregelung möglich, die transiente Vorgänge des Systems besonders gut ausgleichen kann und zugleich sekundäre Emissionen minimiert. The result is a physically correct description of the system via the memory balance and the phenomenological model. In contrast to an inaccurate parallel model calculation, the estimation of the current loading state of the catalyst is corrected using the estimation method. By determining the model parameters, the phenomenological model can adapt to the current system behavior without complex relationships, such as aging processes, having to be depicted in detail. A particularly fast emission control is possible, which can compensate transient processes of the system particularly well and at the same time minimizes secondary emissions.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum aufweist. Die Brennkraftmaschine weist eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einem Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.Finally, the object is also achieved by creating an internal combustion engine which has at least one combustion chamber and an exhaust gas aftertreatment system for aftertreatment of exhaust gas from the at least one combustion chamber. The internal combustion engine has a control device that is set up to regulate the exhaust gas aftertreatment system according to the method according to the invention or a method according to one of the previously described embodiments. The advantages that have already been explained in connection with the method are realized in connection with the internal combustion engine.
Das Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine weist insbesondere eine Dosiereinrichtung zur Zumessung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators des Abgasnachbehandlungssystems auf, sowie den Katalysator, der vorzugsweise als Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden, insbesondere zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, insbesondere als SCR-Katalysator, ausgebildet ist.The exhaust gas aftertreatment system of the internal combustion engine has, in particular, a metering device for metering a reducing agent into an exhaust gas stream upstream of a catalytic converter of the exhaust gas aftertreatment system, as well as the catalyst, which is preferably designed as a catalyst for reducing nitrogen oxides, in particular for selective reduction of nitrogen oxides, in particular as an SCR catalyst ,
Es ist möglich, dass das Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts des Katalysators einen Sperrkatalysator aufweist, der eingerichtet ist, um aus dem Katalysator ausgetragenes Reduktionsmittel zu oxidieren. Das beschriebene phänomenologische Modell beschreibt insbesondere das Gesamtverhalten der Kombination aus SCR-Katalysator und Sperrkatalysator.It is possible for the exhaust gas aftertreatment system to have a blocking catalytic converter downstream of the catalytic converter, which is configured to oxidize reducing agent discharged from the catalytic converter. The phenomenological model described describes in particular the overall behavior of the combination of SCR catalytic converter and blocking catalytic converter.
Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungssystem mindestens einen Temperatursensor auf, insbesondere einen ersten Temperatursensor stromaufwärts des Katalysators und einen zweiten Temperatursensor stromabwärts des Katalysators.The exhaust gas aftertreatment system preferably has at least one temperature sensor, in particular a first temperature sensor upstream of the catalytic converter and a second temperature sensor downstream of the catalytic converter.
Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungssystem zumindest einen Stickoxidsensor auf, vorzugsweise einen ersten Stickoxidsensor stromaufwärts des Katalysators und einen zweiten Stickoxidsensor stromabwärts des Katalysators. Der erste Stickoxidsensor ist vorzugsweise stromaufwärts der Dosiereinrichtung angeordnet. Dabei weisen typische Stickoxidsensoren eine Querempfindlichkeit z.B. für NH3-Emissionen auf. Dieses Verhalten kann bevorzugt ebenfalls mit dem gewählten phänomenologischen Modell abgebildet werden.The exhaust gas aftertreatment system preferably has at least one nitrogen oxide sensor, preferably a first nitrogen oxide sensor upstream of the catalytic converter and a second nitrogen oxide sensor downstream of the catalytic converter. The first nitrogen oxide sensor is preferably arranged upstream of the metering device. Typical nitrogen oxide sensors have a cross sensitivity, for example for NH 3 emissions. This behavior can preferably also be mapped with the chosen phenomenological model.
Die Steuereinrichtung ist mit der Dosiereinrichtung zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt außerdem mit dem mindestens einen Temperatursensor und/oder mit dem mindestens einen Stickoxidsensor wirkverbunden, um Messwerte dieser Sensoren zu erhalten.The control device is operatively connected to the metering device for controlling it. The control device is preferably also operatively connected to the at least one temperature sensor and / or to the at least one nitrogen oxide sensor in order to obtain measured values from these sensors.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem; -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems, und -
3 eine diagrammatische Darstellung eines phänomenologischen Modells zur Regelung des Abgasnachbehandlungssystems.
-
1 a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system; -
2 a schematic representation of an embodiment of a method for controlling the exhaust gas aftertreatment system, and -
3 a diagrammatic representation of a phenomenological model for controlling the exhaust gas aftertreatment system.
Die Brennkraftmaschine
Das Abgasnachbehandlungssystem
Stromaufwärts des Katalysators
Die Brennkraftmaschine
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Weiterhin weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine
Die Steuereinrichtung
Im Rahmen des Verfahrens wird als phänomenologisches Modell insbesondere eine polynomiale Funktion der Umsatzrate in Abhängigkeit von der relativen Beladung verwendet. Bevorzugt wird als polynomiale Funktion ein Polynom dritter Ordnung verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird als Variable der polynomialen Funktion die logarithmierte relative Beladung verwendet. Insbesondere wird als phänomenologisches Modell die obige Gleichung (1) verwendet.Within the scope of the method, a polynomial function of the turnover rate depending on the relative loading is used in particular as a phenomenological model. A third-order polynomial is preferably used as the polynomial function. Alternatively or additionally, the logarithmic relative load is used as the variable of the polynomial function. In particular, the above equation (1) is used as the phenomenological model.
In die physikalische Speicherbilanz geht bevorzugt zumindest eine Größe ein, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Dosierrate, der Umsatzrate des Katalysators, und einer Austragsrate von Reduktionsmittel aus dem Katalysator
Vorzugsweise wird die momentane relative Beladung des Katalysators
Vorzugsweise wird die Dosiereinrichtung
Alternativ oder zusätzlich wird die Dosiereinrichtung durch eine Vorsteuerung angesteuert, wobei in die Vorsteuerung eine relative Sollbeladung des Katalysators und eine momentane relative Beladung des Katalysators
Vorzugsweise wird mittels des Schätzverfahrens wenigstens ein Modellparameter des phänomenologischen Modells bestimmt. Insbesondere können alle Modellparameter aus dem Schätzverfahren erhalten werden. Vorzugsweise wird die momentane relative Beladung mittels eines Kalman-Filters geschätzt. Alternativ oder zusätzlich wird der wenigstens eine Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt, insbesondere anhand einer Betrachtung oder Auftragung der geschätzten Werte für die relative Beladung einerseits und der gemessenen Werte für die Umsatzrate andererseits.At least one model parameter of the phenomenological model is preferably determined using the estimation method. In particular, all model parameters can be obtained from the estimation process. The current relative load is preferably estimated using a Kalman filter. Alternatively or additionally, the at least one model parameter is determined by means of the least squares method, in particular on the basis of consideration or plotting of the estimated values for the relative loading on the one hand and the measured values for the turnover rate on the other hand.
Der wenigstens eine Modellparameter wird bevorzugt betriebspunktabhängig, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, und/oder einer Stickoxid-Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators
Vorzugsweise wird die relative Sollbeladung betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einer momentanen Drehzahl und einem momentanen Lastpunkt des Motorblocks
Vorzugsweise wird mittels des phänomenologischen Modells eine stationäre relative Beladung berechnet, wobei aus der stationären relativen Beladung die relative Sollbeladung als begrenzte relative Sollbeladung durch Begrenzung anhand eines dynamischen Temperaturmodells erhalten wird, wobei vorzugsweise anhand des phänomenologischen Modells aus der begrenzten relativen Sollbeladung eine begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder eine begrenzte Soll-Schadstoffkonzentration im Abgas berechnet wird, insbesondere als Regelgröße(n).A stationary relative loading is preferably calculated using the phenomenological model, the relative target loading being obtained from the stationary relative loading as a limited relative target loading by limitation using a dynamic temperature model, preferably using the phenomenological model from the limited relative target loading a limited target turnover rate and / or a limited target pollutant concentration in the exhaust gas is calculated, in particular as a control variable (s).
Bevorzugt wird anhand eines Vergleichs einer Modellrechnung der relativen Beladung mit einer Schätzung der relativen Beladung des Katalysators
Der Regler
Zugleich geht die begrenzte relative Sollbeladung
Diese und die momentane Dosierrate gehen in das Schätzverfahren
Weiter resultieren aus dem Schätzverfahren
Dabei sind verschiedene ausgezeichnete Punkte markiert. Insbesondere sind hier Punkte markiert, die als fixe Punkte bei der Bestimmung des wenigstens einen Modellparameters nach der Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden können, nämlich ein erster Punkt
Zusätzlich oder alternativ kann als weiterer Fixpunkt ein dritter Punkt
Nach Anpassen des Modells gemäß Gleichung (1) an durch Messung erhaltene Wertepaare der Umsatzrate η einerseits und der logarithmierten relativen Beladung
Diese optimale Speicherbeladung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 33
- Motorblockblock
- 55
- Brennraumcombustion chamber
- 77
- Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
- 99
- Katalysatorcatalyst
- 1111
- Sperrkatalysatorblocking catalytic converter
- 1313
- Dosiereinrichtungmetering
- 1515
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1717
- erster Stickoxidsensorfirst nitrogen oxide sensor
- 1919
- zweiter Stickoxidsensorsecond nitrogen oxide sensor
- 2121
- erster Temperatursensorfirst temperature sensor
- 2323
- zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
- 2525
- Berechnungsschrittcalculation step
- 2727
- Begrenzungsschrittlimiting step
- 2929
- thermisches Modellthermal model
- 3131
- Adaptionsschrittadaptation step
- 3333
- RückrechnungsschrittRecalculation step
- 3535
- Vergleichsschrittcomparison step
- 3737
- Reglerregulator
- 3939
- Vorsteuerungfeedforward
- 4141
- Verrechnungsgliedclearing member
- 4343
- Regelstreckecontrolled system
- 4545
- Schätzverfahrenestimation methods
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