DE102018218051A1

DE102018218051A1 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines eine erste Abgasreinigungskomponente und eine zweite Abgasreinigungskomponente aufweisenden Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018218051A1
Application number: DE102018218051.2A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Michael Fey; Martin Knopp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23
Also published as: US20200123996A1; JP2020097922A; JP7477277B2; US11098668B2; CN111075580A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), der eine Abgasanlage (14) aufweist, in der eine erste Abgasreinigungskomponente (31) und eine zweite Abgasreinigungskomponente (27) angeordnet ist, und die eine Einmündung (52) aufweist, über die Sekundärluft in die Abgasanlage (14) einblasbar ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine an einem Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Ausgangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils mit einem Ausgangsemissionsmodell (110) berechnet wird und dass eine an einem Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) herrschende Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils in Abhängigkeit von der berechneten Ausgangskonzentration bestimmt wird und dass der Verbrennungsmotor (10) in Abhängigkeit von der so bestimmten Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils betrieben wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 8. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt und ein Computerlesbares Medium.
Diese Gegenstände sind aus der DE 10 2017 201 742 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, der eine Abgasanlage aufweist, in der eine erste Abgasreinigungskomponente und stromabwärts von der ersten Abgasreinigungskomponente eine zweite Abgasreinigungskomponente angeordnet ist. Zwischen der ersten Abgasreinigungskomponente und der zweiten Abgasreinigungskomponente ist bei dem bekannten Gegenstand eine Einmündung angeordnet, über die Sekundärluft in die Abgasanlage einblasbar ist. Die zweite Abgasreinigungskomponente weist einen Speicher für wenigstens einen Abgasbestandteil auf.
Zur Steuerung von Verbrennungsmotoren werden Lambdasonden verwendet, mit denen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas erfasst werden. Die Luftzahl Lambda ist ein Maß für das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, mit dem Verbrennungsmotoren betrieben werden. Dabei kommen Breitband-Lambdasonden und Sprung-Lambdasonden zum Einsatz. Mit einer Breitband-Lambdasonde kann das Abgaslambda in einem weiten Lambdabereich stetig geregelt werden, da ihr Signal über einen weiten Bereich von Lambdawerten eine vergleichsweise geringe Steigung aufweist. Durch eine Linearisierung der Sondenkennlinie ist auch mit einer kostengünstigeren Sprung-Lambdasonde eine stetige Lambdaregelung möglich, wenn auch in einem eingeschränkten Lambdabereich. Gegenüber einer Breitband-Lambdasonde weist eine Sprung-Lambdasonde in einem engen Bereich um Lambda = 1 wegen ihrer sprungförmigen Sondenkennlinie eine deutlich höhere Genauigkeit auf. Außerhalb dieses engen Bereichs um die ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis kennzeichnende Luftzahl Lambda = 1 ist die Genauigkeit einer Sprung-Lambdasonde bei fettem Lambda (kleiner 1) oder magerem Lambda (größer 1) in der Regel wegen Toleranz- und Alterungseffekten geringer als die einer Breitband- Lambdasonde.
In der Regel werden deshalb in Motorsteuerungssystemen Breitband-Lambdasonden dort eingesetzt, wo fette oder magere Lambdawerte genau gemessen werden sollen, bzw. dort, wo eine Messung im Bereich um Lambda = 1 mit eingeschränkter Genauigkeit ausreichend ist. Sprung-Lambdasonden werden dort eingesetzt, wo das Abgaslambda im Bereich um Lambda = 1 mit hoher Genauigkeit gemessen werden soll. Typische Anwendungen sind für eine Breitband-Lambdasonde die Lambdaregelung vor dem Katalysator und die Bilanzierung des Sauerstoff-Ein- und -Austrags z. B. bei der Diagnose eines Katalysators. Typische Anwendungen einer Sprung-Lambdasonde sind die genaue Lambda = 1 Regelung hinter dem Katalysator und die Erkennung des Durchbruchs von fettem oder magerem Abgas bei der Diagnose des Katalysators.
Eine typische Abgasanlage eines Kraftstoff-Systems für heutige strenge Emissions- und Diagnoseanforderungen (z.B. SULEV) besteht aus einer Breitband-Lambdasonde, einem ersten Drei-Wege-Katalysator als erster Abgasreinigungskomponente, einer Sprung-Lambdasonde und einem zweiten unüberwachten Drei-Wege-Katalysator als zweiter Abgasreinigungskomponente.
Zukünftige noch strengere Emissions- und Diagnoseanforderungen (z.B. China 6) erfordern Abgasanlagen, bei denen nicht nur der zweite Katalysator ebenfalls überwacht wird, sondern bei denen auch die Partikelanzahl im Abgas limitiert wird. Der zweite Drei-Wege-Katalysator muss deshalb mit einem Partikelfilter kombiniert werden oder durch einen beschichteten Partikelfilter ersetzt werden, der auch als Vier-Wege-Katalysator bezeichnet wird. Wenn im Folgenden ein Vier-Wege-Katalysator genannt wird, soll damit jeweils sowohl eine Hintereinanderausführung von einem Drei-Wege-Katalysator als auch ein katalytisch beschichteter Partikelfilter gemeint sein.
Zum optimalen Betrieb des Vier-Wege-Katalysator ist es notwendig, zumindest die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor diesem Katalysator möglichst genau zu kennen. Im Fall eines Drei-Wege-Katalysator ist diese Information notwendig, um den Katalysator im sogenannten Katalysatorfenster, einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1) herum zu betreiben. Nur so lassen sich gleichzeitig hohe Konvertierungsraten für HC, CO und NO_x erzielen. Im Fall eines Partikelfilters ist die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration vor dem Filter für ein schnelles Erreichen seiner Betriebstemperatur und seine Regeneration ohne unzulässig hohe Emissionen oder eine Beschädigung des Partikelfilters erforderlich.
Die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor einem zweiten Katalysator wird üblicherweise mit einer Sprung-Lambdasonde ermittelt. Es ist aber auch die Verwendung einer Breitband-Lambdasonde vor dem zweiten Katalysator denkbar.
Voraussetzung ist in beiden Fällen, dass zwischen der Sauerstoffkonzentration an der Einbauposition dieser Lambdasonde und dem Signal der Lambdasonde ein eindeutiger Zusammenhang besteht, da andernfalls die Genauigkeit einer Regelung oder Vorsteuerung auf Basis dieser Signale nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen oder eine Beschädigung eines Partikelfilteranteils an einem Vier-Wege-Katalysator auftreten können.
Abhängig von der Abgaszusammensetzung zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und einem Vier-Wege-Katalysator kann die zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem Vier-Wege-Katalysator angeordnete Lambdasonde, trotz gleichen Abgaslambdas, unterschiedliche Ausgangssignale aufweisen. Beispiele für mögliche Ursachen sind:

Hinter einem Drei-Wege-Katalysator stellt sich bei konstant fettem Lambda ein zeitlich variierendes Verhältnis zwischen Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) ein. Grund dafür ist die Wassergas-Shift-Reaktion, die der Katalysator nicht (dauerhaft) ins Gleichgewicht setzen kann. Nach einem Wechsel von Lambda = 1 oder einem mageren Lambda zu einem konstant fetten Lambda liefert der Katalysator zu Beginn eine H₂-Menge, die etwa dem Gleichgewicht entspricht. Mit der Zeit liefert der Katalysator aber deutlich zu viel CO im Verhältnis zu H₂. Wegen der unterschiedlichen Querempfindlichkeiten für H₂ und CO zeigt eine hinter dem Drei-Wege-Katalysator angeordnete Lambdasonde ein zeitlich stark variierendes Signal, obwohl das Lambda an der Sondenposition konstant ist.

Bei aktiver Sekundärluft-Einblasung kommt zu den unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der Lambdasonde für H₂, CO und O₂ eine Vorkatalyse von H₂ mit O₂ in der Sonde zum Tragen. Weil nur geringe Mengen des vorhandenen O₂ katalytisch in der Sonde umgesetzt werden können, ist dieser Anteil stark von der Menge des vorhandenen O₂ abhängig. Auch hier stellt sich abhängig von der Abgaszusammensetzung ein anderes Sondensignal ein, obwohl das Lambda an der Sondenposition konstant ist.
Da das Sondensignal in der Regel durch unterschiedliche Querempfindlichkeiten der Sonde gegenüber verschiedenen Abgaskomponenten (z.B. CO, CO₂, H₂, H₂O, HC, NO_x) beeinflusst wird, und die Abgaszusammensetzung sich trotz gleichen Abgaslambdas bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterscheiden kann, ist diese Voraussetzung sowohl bei einer Breitband-Lambdasonde als auch bei einer Sprung-Lambdasonde in der Regel nicht erfüllt. Solche Konzepte haben deshalb den Nachteil, dass der zweite Katalysator nicht optimal betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung jeweils durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Mit Blick auf ihre Verfahrensaspekte zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass eine an einem Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente herrschende Ausgangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils mit einem Ausgangsemissionsmodell berechnet wird und dass eine an einem Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente herrschende Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils in Abhängigkeit von der berechneten Ausgangskonzentration bestimmt wird und dass der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von der so bestimmten Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils betrieben wird.
Mit diesen Merkmalen ermöglicht die Erfindung einen Betrieb eines eine Abgasanlage mit mehreren Abgasreinigungskomponenten aufweisenden Verbrennungsmotors in einer Art und Weise, die für die Wirkung einer in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts von einer ersten Abgasreinigungskomponente angeordneten zweiten Abgasreinigungskomponente optimal ist.
Die Konzentration mindestens eines Abgasbestandteils, z.B. Sauerstoff, hinter der in Strömungsrichtung vorderen (ersten) Abgasreinigungskomponente wird mit Hilfe eines Rechenmodells modelliert und an Stelle des Signals oder zusätzlich zum Signal einer vor der in Strömungsrichtung hinteren (zweiten) Abgasreinigungskomponente angeordneten Lambdasonde verwendet, um die Wirkung der zweiten Abgasreinigungskomponente zu optimieren.
Die Verwendung von modellierten Abgaskonzentrationen anstelle eines potenziell verfälschten Signals einer Lambdasonde oder eines anderen Abgassensors bzw. zusätzlich zu diesem Signal ermöglicht den optimalen Betrieb der zweiten Abgasreinigungskomponente insbesondere auch dann, wenn die entsprechende Lambdasonde oder der andere Abgassensor noch nicht betriebsbereit oder defekt ist. Dies führt zu geringeren Emissionen, so dass strengere gesetzliche Anforderungen mit geringeren Kosten für die Abgasreinigungskomponente (z.B. weniger Edelmetall bei einem Katalysator) erfüllt werden können. Außerdem verringert sich das Risiko einer Beschädigung der Abgasreinigungskomponente (z.B. durch Überhitzung). Die erforderliche Robustheit wird durch eine Adaption des Streckenmodells erreicht, die es erlaubt, Unsicherheiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell eingehen, zu kompensieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbrennungsmotor für eine Regelung eines Füllstands des Speichers der zweiten Abgasreinigungskomponente in Abhängigkeit von einer Eingangskonzentration der zweiten Abgasreinigungskomponente betrieben wird, die so bestimmt wird, dass sie mit der berechneten Ausgangskonzentration der ersten Abgasreinigungskomponente identisch ist.
Durch die Regelung des Füllstandes kann dieser auf einem (mittleren) Niveau gehalten werden, das eine optimale Schadstoffkonvertierung begünstigt: Bei Sauerstoffmangel im Abgas kann die zweite Abgasreinigungskomponente Sauerstoff an das Abgas abgeben. Bei Sauerstoffüberschuss im Abgas kann die zweite Abgasreinigungskomponente Sauerstoff aus dem Abgas aufnehmen.
Bevorzugt ist auch, dass der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von einer Eingangskonzentration betrieben wird, die durch ein Eingangsemissionsmodell der zweiten Abgasreinigungskomponente bestimmt wird. Die Bestimmung erfolgt bei einem Verbrennungsmotor, der eine Abgasanlage aufweist, in der zwischen der ersten Abgasreinigungskomponente (31) und der zweiten Abgasreinigungskomponente eine Einmündung angeordnet ist, über die Sekundärluft in die Abgasanlage einblasbar ist, in Abhängigkeit von durch ein Ausgangsemissionsmodell der ersten Abgasreinigungskomponente berechneten Ausgangskonzentrationen des wenigstens einen Abgasbestandteils und einer eingeleiteten Sekundärluftmenge.
Durch die Berücksichtigung einer zwischen beide Abgasreinigungskomponenten eingeblasenen Sekundärluftmenge kann die zweite Abgasreinigungskomponente weitgehend unabhängig von der ersten Abgasreinigungskomponente chemisch geheizt und/oder regeneriert werden.
Weiter ist bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda < 0,92. Insbesondere zum Beispiel einer Luftzahl Lambda = 0,9 entspricht und dass so viel Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Eingangsemissionsmodell für die am Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda gleich 1 entspricht. Zusammen mit dem dann zwangsläufig fetten Brennraumlambda ergibt sich eine reaktionsfähige Abgasatmosphäre, die in der katalytisch wirksamen zweiten Abgasreinigungskomponente exotherm reagiert und damit die zweite Abgasreinigungskomponente unabhängig von der ersten Abgasreinigungskomponente aufheizt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda 0,98 < Lambda kleiner oder gleich 1 entspricht und dass so viel Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Eingangsemissionsmodell für die am Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einem Lambdawert größer als 1,08, insbesondere zum Beispiel Lambda = 1,1 entspricht.
Durch diese Ausgestaltung wird der bevorzugt bereits aufgeheizten zweiten Abgasreinigungskomponente Sauerstoff zur Verfügung gestellt, mit der zum Beispiel eine Partikelfilterkomponente der zweiten Abgasreinigungskomponente regeneriert werden kann, in dem eingelagerte Rußpartikel verbrannt werden.
Insgesamt erlauben diese Ausgestaltungen mit der modellierten Konzentration ein schnelles Aufheizen der zweiten Abgasreinigungskomponente auf ihre Betriebstemperatur und eine Steuerung der Regeneration dieser Abgasreinigungskomponente.
Bevorzugt ist auch, dass die vom Ausgangsemissionsmodell für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils berechnete Konzentration für eine Modellierung einer Rußbeladung der zweiten Abgasreinigungskomponente verwendet wird. Damit wird eine bedarfsgerechte Auslösung von Regenerationsvorgängen begünstigt.
Mit Blick auf Ausgestaltungen des Steuergerätes ist bevorzugt, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einer der bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens zu steuern.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem als technisches Umfeld der Erfindung;
2 eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells;
3 eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel zum Ermitteln eines Füllstands einer zweiten Abgasreinigungskomponente;
5 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel einer Betriebsweise, die zu einem Aufheizen der zweiten Abgasreinigungskomponente führt; und
6 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel einer Betriebsweise, die zu einer Regeneration der zweiten Abgasreinigungskomponente führt.

Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Drei-Wege-Katalysator als erster Abgasreinigungskomponente und eines Vier-Wege-Katalysators sowie Sauerstoff als Abgasbestandteil beschrieben. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf andere Abgasreinigungskomponenten (Katalysatoren und Filter) und andere Abgasbestandteile wie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe übertragbar.
Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftzufuhrsystem 12, einer Abgasanlage 14 und einem Steuergerät 16. Im Luftzufuhrsystem 12 befindet sich ein Luftmassenmesser 18 und eine stromabwärts des Luftmassenmessers 18 angeordnete Drosselklappe 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit Kraftstoff gemischt, der über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 oder vor Einlassventile der Brennräume eingespritzt wird. Die resultierenden Brennraumfüllungen werden mit Zündvorrichtungen 24, beispielsweise Zündkerzen, gezündet und verbrannt. Ein Drehwinkelsensor 25 erfasst den Drehwinkel einer Welle des Verbrennungsmotors 10 und erlaubt dem Steuergerät 16 dadurch eine Auslösung der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Ein Fahrerwunschgeber 38 erfasst eine Fahrpedalstellung und damit Drehmomentanforderungen des Fahrers und übergibt Drehmomentanforderungen abbildende Signale an das Steuergerät 16.
Das Steuergerät 16 bildet aus den Eingangssignalen, zu denen auch andere als die lediglich als Beispiel erwähnten Signale zählen, Ansteuersignale für Stellglieder des Verbrennungsmotors 10, die unter anderem dazu führen, dass der Verbrennungsmotor 10 das geforderte Drehmoment erzeugt. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch die Abgasanlage 14 abgeleitet. Das Steuergerät 16 weist ein Computer-lesbares Medium 16.1, beispielsweise einen Speicherchip auf, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt 16.2 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist.
Die Abgasanlage 14 weist einen Drei-Wege-Katalysator 30 als erste Abgasreinigungskomponente 31 und einen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 30 im Abgasstrom angeordneten Partikelfilter, bzw. Vier-Wege-Katalysator 26 als zweite Abgasreinigungskomponente 27 auf. Der Vier-Wege-Katalysator 26 besitzt eine innere Wabenstruktur aus porösem Filtermaterial, das vom Abgas 28 durchströmt wird und das im Abgas 28 enthaltene Partikel zurückhält.
Der Vier-Wege-Katalysator 26 basiert zum Beispiel auf einem Partikelfilter, dessen Filtermaterial katalytisch beschichtet ist, so dass es zusätzlich zu seiner Partikelfilterwirkung noch die Wirkung eines Drei-Wege-Katalysators besitzt. Der Dreiwege-Katalysator konvertiert bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Die Partikelfilterwirkung stellt einen vierten Weg dar, was die Bezeichnung als Vierwege-Katalysator 26 begründet. Die zweite Abgasreinigungskomponente 31 kann auch als Kombination eines zweiten Drei-Wege-Katalysators mit einem stromabwärts von dem zweiten Drei-Wege-Katalysator angeordneten (nicht katalytisch beschichteten) Partikelfilter verwirklicht sein.
Die Beladung des Vier-Wege-Katalysators 26 mit Partikeln erhöht dessen Strömungswiderstand für das Abgas 28 und damit einen sich über dem Vier-Wege-Katalysator 26 einstellenden Differenzdruck. Der Differenzdruck wird zum Beispiel mit einem Differenzdrucksensor 29 gemessen, dessen Ausgangssignal an das Steuergerät 16 übergeben wird, oder er wird aus im Steuergerät 16 vorliegenden Informationen (Messwerten und/oder Stellgrößen) mit einem Rechenmodell berechnet, das die Beladung mit Partikeln modelliert. Aus dem im Steuergerät 16 bekannten Abgasmassenstrom und dem Differenzdruck ergibt sich der Strömungswiderstand durch Berechnung oder Kennlinienzugriff. Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 30 ist eine dem Abgas ausgesetzte vordere Lambdasonde 32 unmittelbar vor dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet.
Zwischen dem Drei-Wege-Katalysator 30 und dem Vier-Wege-Katalysator 26 ist eine ebenfalls dem Abgas ausgesetzte weitere Lambdasonde 34 angeordnet.
Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 26 ist eine ebenfalls dem Abgas ausgesetzte hintere Lambdasonde 35 unmittelbar nach dem Vier-Wege-Katalysator 26 angeordnet. Die vordere Lambdasonde 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung der Luftzahl Lambda über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt. Die weitere Lambdasonde 34 und die hintere Lambdasonde 35 sind bevorzugt sogenannte Sprung-Lambdasonden, mit denen der Wert 1 der Luftzahl Lambda besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal dieser Lambdasonde bei diesem Wert sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Eine vom Steuergerät 16 gesteuerte Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft, beispielsweise eine Kombination aus einer Sekundärluftpumpe und einem Sekundärluftventil, ist dazu eingerichtet und angeordnet, Luft über eine zwischen dem Drei-Wege-Katalysator 30 und dem Vier-Wege-Katalysator 26 angeordnete Einmündung 52 in die Abgasanlage 14 einzublasen, um ausreichend Luftsauerstoff für ein schnelles Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators 26 auf seine Betriebsbereitschaftstemperatur (z.B. auf die light off-Temperatur einer katalytischen Beschichtung) und eine effektive Regeneration des Partikelfilteranteils des Vier-Wege-Katalysators bereitzustellen, ohne dass der Verbrennungsmotor 10 dafür mit einem für die Schadstoffkonvertierung im Drei-Wege-Katalysator 30 ungünstigem Luftüberschuss betrieben werden muss.
Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, des Differenzdrucksensors 29, der vorderen Lambdasonde 32, der weiteren Lambdasonde 34, der hinteren Lambdasonde 35 und eines optional vorhandenen, eine Temperatur des Vier-Wege-Katalysators 26 erfassenden Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe 18, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 20, zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22 und zur Ansteuerung der Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren wie das Signal eines Fahrerwunschgebers 38 zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder.
2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells 100 und weiterer Funktionen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Unter einem Streckenmodell wird hier ein Algorithmus verstanden, der Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Streckenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpft, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
Der reale Gegenstand ist im betrachteten Fall die gesamte zwischen den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen liegende physikalische Strecke. Das Streckenmodell 100 besteht aus dem Katalysatormodell 102 und dem Ausgangslambdamodell 106 für den Drei-Wege-Katalysator 30. Das Katalysatormodell 102 weist ein Eingangsemissionsmodell 108 und ein Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 auf. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell 102 einen Algorithmus 112 zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ _mod des Drei-Wege-Katalysators 30 auf. Die Modelle sind jeweils Algorithmen, die im Steuergerät 16 ausgeführt werden und die Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpfen, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
Das Eingangsemissionsmodell 108 ist dazu eingerichtet, als Eingangsgröße das Signal λ_in,meas der vor dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordneten vorderen Abgassonde 32 in für das nachfolgende Füllstandsmodell 110 benötigte Eingangsgrößen w_in,mod zu konvertieren. Beispielsweise ist eine Umrechnung von Lambda in die Konzentrationen von O₂, CO, H₂ und HC vor dem Drei-Wege-Katalysator 30 mit Hilfe des Eingangsemissionsmodells 108 vorteilhaft.
Mit den durch das Eingangsemissionsmodell 108 berechneten Größen w_in,mod und gegebenenfalls zusätzlichen Eingangsgrößen (z.B. Abgas- oder Katalysatortemperaturen, Abgasmassenstrom und aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators 30) werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 ein Füllstand θ_mod des Drei-Wege-Katalysators 30 und Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Drei-Wege-Katalysators 30 modelliert. Eine solche Modellierung stellt ein Beispiel einer Berechnung einer an einem Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente 31 herrschenden Ausgangskonzentration wenigstens einen Abgasbestandteils mit einem Ausgangsemissionsmodell 110 dar.
In einem Eingangsemissionsmodell 210 für die zweite Abgasreinigungskomponente 27 wird aus der genannten Ausgangskonzentration und aus einem Signal, das einen Einfluss einer Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft abbildet, eine an einem Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente 27 herrschende Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils bestimmt. Die Eingangskonzentration wird damit u.a. in Abhängigkeit von der berechneten, am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente 31 herrschenden Ausgangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils bestimmt. Die Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft wird von einer Endstufe 51 des Steuergeräts 16 betätigt.
Bei abgeschalteter Sekundärluftzufuhr ist die Eingangskonzentration der zweiten Abgasreinigungskomponente mit der berechneten Ausgangskonzentration der ersten Abgasreinigungskomponente identisch.
Der Verbrennungsmotor 10 wird u.a. in Abhängigkeit von der so bestimmten Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils betrieben. Der wenigstens eine Abgasbestandteil ist zum Beispiel Sauerstoff. Das Eingangsemissionsmodell 210 übergibt den von ihm berechneten Wert der Eingangskonzentration, der am Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente herrscht, an eine Umrechnungseinheit 212, die daraus zum Beispiel einen Lambda-Istwert erzeugt. Das den Einfluss einer Sekundärluftzufuhr abbildende Signal kann ein Ansteuersignal der Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft sein.
Der Algorithmus des Ausgangslambdamodells 106 konvertiert die mit dem Katalysatormodell 102 berechneten Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Katalysators 30 für die Adaption des Streckenmodells 100 in ein Signal λ_out,mod , das mit dem Signal λ_out,meas der zwischen dem Drei-Wege-Katalysator 30 und dem Vier-Wege-Katalysator 26 angeordneten weiteren Lambdasonde 34 verglichen werden kann. Vorzugsweise wird der Lambdawert, also die Sauerstoffkonzentration modelliert.
Das Streckenmodell 100 dient damit zum einen zur Modellierung mindestens eines mittleren Füllstands θ _mod des Drei-Wege-Katalysators 30, der auf einen Soll-Füllstand eingeregelt wird, bei dem er sich sicher innerhalb des Katalysatorfensters befindet. Zum anderen stellt das Streckenmodell 100 ein modelliertes Signal λ_out,mod der hinter dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordneten weiteren Lambdasonde 34 zur Verfügung. Weiter unten wird noch näher erläutert, wie dieses modellierte Signal λ_out,mod der weiteren Lambdasonde 34 vorteilhaft zur Adaption des Streckenmodells 100 verwendet wird.
3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit Vorrichtungselementen, die auf die Funktionsblöcke einwirken oder die von den Funktionsblöcken beeinflusst werden.
Im Einzelnen zeigt die 3, wie das vom Ausgangslambdamodell 106 modellierte Signal λ_out,mod der weiteren Abgassonde 34 mit dem realen Ausgangssignal λ_out,meas der weiteren Abgassonde 34 abgeglichen wird. Dazu werden die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas einem Adaptionsblock 114 zugeführt. Der Adaptionsblock 114 vergleicht die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas miteinander. Beispielsweise zeigt eine hinter dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnete Sprung-Lambdasonde 34 eindeutig an, wann der Drei-Wege-Katalysator 30 komplett mit Sauerstoff gefüllt oder komplett von Sauerstoff entleert ist. Dies lässt sich ausnützen, um nach Mager- oder Fettphasen den modellierten Sauerstoff-Füllstand mit dem tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand, bzw. das modellierte Ausgangslambda λ_out,mod mit dem hinter dem Drei-Wege-Katalysator 30 gemessenen Lambda λ_out,meas in Übereinstimmung zu bringen und im Fall von Abweichungen das Streckenmodell 100 zu adaptieren. Die Adaption erfolgt zum Beispiel dadurch, dass der Adaptionsblock 114 über den gestrichelt dargestellten Adaptionspfad 116 Parameter des Algorithmus des Streckenmodells 100 sukzessive solange verändert, bis der für das aus dem Drei-Wege-Katalysator 30 heraus strömende Abgas modellierte Lambdawert λ_out,mod dem dort gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht.
Dadurch werden Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell 100 eingehen, kompensiert. Aus dem Umstand, dass der modellierte Wert λ_out,mod dem gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht, kann darauf geschlossen werden, dass auch der mit dem Streckenmodell 100, bzw. mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte Füllstand θ _mod dem mit on board Mitteln nicht messbaren Füllstand des Drei-Wege-Katalysators 30 entspricht. Dann kann ferner darauf geschlossen werden, dass auch das zum ersten Katalysatormodell 102 inverse zweite Katalysatormodell 104, das sich durch mathematische Umformungen aus dem Algorithmus des ersten Katalysatormodells 102 ergibt, das Verhalten der modellierten Strecke richtig beschreibt.
Dies wird bei der vorliegenden Erfindung dazu benutzt, mit dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 einen Basis-Lambda-Sollwert BLSW zu berechnen. Dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 wird dazu ein durch eine optionale Filterung 120 gefilterter Füllstandssollwert θ _set,flt als Eingangsgröße zugeführt. Die Filterung 120 erfolgt zu dem Zweck, nur solche Änderungen der Eingangsgröße des inversen zweiten Katalysatormodells 104 zuzulassen, denen die Regelstrecke insgesamt folgen kann. Ein noch ungefilterter Sollwert θ _set wird dabei aus einem Speicher 118 des Steuergerätes 16 ausgelesen. Dazu wird der Speicher 118 bevorzugt mit aktuellen Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors 10 adressiert. Bei den Betriebskenngrößen handelt es sich zum Beispiel, aber nicht zwingend, um die vom Drehzahlsensor 25 erfasste Drehzahl und die vom Luftmassenmesser 18 erfasste Last des Verbrennungsmotors 10. Der gefilterte Füllstandssollwert θ _set,flt wird mit dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 zu einem Basis-Lambdasollwert BLSW verarbeitet.
Im Eingangsemissionsmodell 210 werden in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Ausgangsemissionsmodells 106 des Katalysatormodells 102 und ggf. von Signalen, in denen sich eine Zufuhr von Sekundärluft abbildet, Eingangsemissionskonzentrationen für den Vier-Wege-Katalysator 26 bestimmt. Die Signale, in denen sich eine Zufuhr von Sekundärluft abbildet, sind zum Beispiel Ansteuersignale, mit denen die Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft angesteuert wird. Aus den so bestimmten Eingangsemissionen wird im Block 212 ein Eingangslambdawert für den Vierwegekatalysator 26 bestimmt. Im Block 214 wird die Abweichung des Eingangslambdawerts vom Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuss trennenden Wert 1 bestimmt und mit dem Abgasmassenstrom multipliziert. Der Abgasmassenstrom ergibt sich zum Beispiel aus der vom Drehzahlsensor 25 erfassten Drehzahl und der vom Luftmassenmesser 18 erfassten Last des Verbrennungsmotors 10. Sein Wert liegt jedenfalls im Steuergerät 16 vor. Das Ergebnis der Multiplikation ist ein Massenstrom an Sauerstoffmangel oder Sauerstoffüberschuss, der im Integrator 216 zu einem Füllstands-Istwert integriert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann hier auch für den Vier-Wege-Katalysator ein Katalysatormodell entsprechend 2 verwendet werden.
Mit dem Signal der hinteren Lambdasonde kann der berechnete Füllstandsistwert des Vier-Wege-Katalysators 26 in bestimmten Situationen, zum Beispiel bei komplett gefülltem Sauerstoffspeicher nach einer Schiebebetriebsphase mit dem realen Füllstand des Vier-Wege-Katalysators 26 abgeglichen werden.
Parallel zu der Verarbeitung des gefilterten Füllstandssollwerts θ _set,flt mit dem inversen zweiten Katalysatormodell 104 zu einem Basis-Lambdasollwert BLSW wird in einer Verknüpfung 122 eine Füllstandsregelabweichung FSRA als Abweichung des mit dem Streckenmodell 100, bzw. des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierten Füllstandes θ _mod von dem gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt gebildet. Diese Füllstandsregelabweichung FSRA wird einem Füllstands- Regelalgorithmus 124 zugeführt, der daraus einen Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKW bildet. Dieser Lambda-Sollwert-Korrekturwert LSKWwird in der Verknüpfung 126 zu dem von vom dem inversen Streckenmodell 104 berechneten Basis-Lambda-Sollwert BLSW addiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dient die so gebildete Summe als Sollwert λ_in,set einer konventionellen Lambdaregelung. Von diesem Lambda-Sollwert λ_in,set wird der von der ersten Abgassonde 32 bereitgestellte Lambda-Istwert λ_in,meas in einer Verknüpfung 128 subtrahiert. Die so gebildete Regelabweichung RA wird durch einen üblichen Regelalgorithmus 130 in eine Stellgröße SG konvertiert, die in einer Verknüpfung 132 zum Beispiel multiplikativ mit einem in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 vorbestimmten Basiswert BW einer Einspritzimpulsbreite t_inj verknüpft wird. Die Basiswerte BW sind in einem Speicher 134 des Steuergerätes 16 gespeichert. Die Betriebsparameter sind auch hier bevorzugt, aber nicht zwingend, die Last und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10. Mit der aus dem Produkt resultierenden Einspritzimpulsbreite t_inj wird über die Einspritzventile 22 Kraftstoff in die Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 10 eingespritzt.
Der konventionellen Lambdaregelung wird auf diese Weise eine Regelung des Sauerstoff-Füllstands des Drei-Wege-Katalysators 30 überlagert. Durch eine geeignete Sollwertvorgabe kann mit dieser Struktur auch der Füllstand des Vier-Wege-Katalysators geregelt werden. Dies wird weiter unten unter Bezug auf die 4 erläutert. Dabei wird der mit Hilfe des Streckenmodells 100, beziehungsweise des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte mittlere Sauerstoff-Füllstand θ _mod zum Beispiel auf einen Sollwert θ _set,fit eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach Mager und Fett minimiert und so zu minimalen Emissionen führt. Da der Basis-Lambda-Sollwert BLSW dabei durch das invertierte zweite Streckenmodell 104 gebildet wird, wird die Regelabweichung der Füllstandsregelung gleich null, wenn der modellierte mittlere Füllstand θ _mod mit dem vorgefilterten Soll-Füllstand θ _set,fit identisch ist. Der Füllstands- Regelalgorithmus 124 greift nur dann ein, wenn das nicht der Fall ist. Da die gewissermaßen als Vorsteuerung der Füllstandsregelung wirkende Bildung des Basis-Lambdasollwerts als invertiertes zweites Katalysatormodell 104 des ersten Katalysatormodells 102 verwirklicht ist, kann diese Vorsteuerung in Analogie zur Adaption des ersten Katalysatormodells 102 auf der Basis des Signals λ_in,meas der hinter dem Drei-Wege-Katalysator 30 angeordneten zweiten Abgassonde 34 adaptiert werden. Dies wird in der 3 durch den zum invertierten Streckenmodell 104 führenden Zweig des Adaptionspfades 116 verdeutlicht.
Mit Ausnahme des Abgassystems 14, der Abgassonden 32, 34, 35, des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25 und der Einspritzventile 22 sind alle in der 3 dargestellten Elemente Bestandteile eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 16. Mit Ausnahme der Speicher 118, 134 sind dabei alle übrigen Elemente aus der 3 Teile des Motorsteuerungsprogramms 16.1, das im Steuergerät 16 gespeichert ist und darin abläuft.
Die Elemente 22, 32, 128, 130 und 132 bilden einen ersten Regelkreis, in dem eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambda-Istwert das Signal λ_in,meas der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird. Der Lambda-Sollwert λ_in,set des ersten Regelkreises wird in einem zweiten Regelkreis gebildet, der die Elemente 22, 32, 100, 210, 212, 122, 124, 126, 128, 132 aufweist.
Im Folgenden wird unter Bezug auf die 4 ein Ausführungsbeispiel einer Füllstandsregelung für einen Sauerstoffspeicher eines Vier-Wege-Katalysators beschrieben. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Ermitteln eines Füllstands des Vier-Wege-Katalysators mit Sauerstoff als Beispiel eines Abgasbestandteils.
Ein Block 400 repräsentiert ein Hauptprogramm zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10, in dem zum Beispiel die Drosselklappe 19, die Zündvorrichtung 20 und die Einspritzventile 22 so angesteuert werden, dass sich ein gewünschtes Drehmoment ergibt.
Da ein Füllstand des Vier-Wege-Katalysators 26 nicht direkt messbar ist, wird er mit Hilfe eines im Steuergerät 16 der 1 zu berechnenden Rechenmodells 16.1 modelliert. Das Rechenmodell 16.1 ist ein im Steuergerät 16 ausgeführtes Unterprogramm.
Da ein Füllstand eines Katalysators nicht gemessen werden kann, sieht die Erfindung vor, die Füllstände - vorzugsweise Sauerstoff-Füllstände - im Drei-Wege-Katalysator 30 und im Vier-Wege-Katalysator 26 mit Hilfe eines Rechenmodells 16.1 zu modellieren. Das Rechenmodell 16.1 ist ein im Steuergerät 16 ausgeführtes Unterprogramm.
Im Schritt 402 wird ein aktueller Massenstrom von Sauerstoffüberschuss und Sauerstoffmangel am Eingang des Vier-Wege-Katalysator 26 bestimmt. Ein solcher Überschuss oder Mangel ergibt sich als Differenz aus einer Sauerstoffkonzentration, die sich bei einer stöchiometrischen Abgaszusammensetzung zusammensetzt, und der für den Eingang des Vier-Wege-Katalysators mit dem Eingangsemissionsmodell 210 bestimmten Sauerstoffkonzentration. Der Schritt 402 entspricht insofern der Funktion des Blockes 214 aus 3.
Im Schritt 404 wird diese Differenz integriert. Das Ergebnis der Integration ist der Sauerstofffüllstand. Der Schritt 404 entspricht insofern der Funktion des Blockes 216 aus 3. Im Schritt 406 wird abgefragt, ob die dritte Lambdasonde 35, die stromabwärts von dem Vier-Wege-Katalysator 26 angeordnet ist, einen vollständig gefüllten oder vollständig entleerten Sauerstoffspeicher anzeigt. Ein vollständig gefüllter Sauerstoffspeicher tritt zum Beispiel nach einer längeren Schiebebetriebsphase mit abgeschalteter Kraftstoffzufuhr auf. In diesem Fall wird die Integration im Schritt 408 dadurch initialisiert, dass der das Ergebnis der Integration auf einen definierten Maximalwert gesetzt wird, bevor das Programm vorübergehend in das Hauptprogramm zurück verzweigt. Auf diese Weise wird die Modellierung in Situationen, in denen das Signal der dritten Lambdasonde 35 zuverlässig und genau ist, geeicht. In anderen Situationen, in denen das Signal der Lambdasonden dagegen zum Beispiel wegen der oben genannten Querempfindlichkeiten beeinträchtigt ist, ergibt sich ein verlässlicher Wert für die Sauerstoffkonzentration durch die Modellierung. Zeigt die dritte Lambdasonde 35 im Schritt 406 keinen definierten Füllungszustand (ganz voll oder ganz leer) an, kehrt das Programm ohne Initialisierung in das Hauptprogramm zurück.
Für eine Füllstandsregelung wird im Hauptprogramm z.B. der Füllstandsregelsollwert FSRA variiert. Für eine Erhöhung des Füllstandes im Vier-Wege-Katalysator wird der Sollwert zunächst so erhöht, dass der Drei-Wege-Katalysator gewissermaßen vorübergehend (mit Sauerstoff) überläuft. Wenn der Füllstand des Vier-Wege-Katalysators dann seinen Sollwert erreicht hat, wird der Füllstandsregelsollwert FSRA soweit reduziert, bis sich im Drei-Wege-Katalysator die erwünschte Füllung eingestellt hat. Anschließend wird der Füllstandsregelsollwert auf einen neutralen Wert eingestellt, bei dem sich der Füllstand im Idealfall nicht weiter verändert.
Die Regelung des Füllstands des Vier-Wege-Katalysators 26 erfolgt damit modellbasiert, vorzugsweise analog zur Regelung des Füllstands des Drei-Wege-Katalysators 30, allerdings mit dem Unterschied, dass die Eingangskonzentrationen des Vier-Wege-Katalysators nicht aus dem Signal einer Lambdasonde vor dem Vier-Wege-Katalysator und mit Hilfe eines Eingangsemissionsmodells gewonnen werden, sondern direkt den modellierten Ausgangsemissionen des Drei-Wege-Katalysators 30 entsprechen. Der negative Einfluss von Querempfindlichkeiten (z.B. gegenüber Wasserstoff) und Abhängigkeiten von Betriebsbedingungen (z.B. Sondentemperatur) der zwischen den beiden Katalysatoren angeordneten Lambdasonde 34 auf die Genauigkeit der Füllstandsregelung des Vier-Wege-Katalysators, bzw. die Korrektur dieser Einflüsse auf das Sondensignal werden dadurch vermieden. Um Füll- und Entleerungsvorgänge realistisch abbilden zu können, werden die Katalysatoren 30, 26 in mehrere (axiale) Zonen unterteilt, und es werden mit Hilfe der Reaktionskinetik für jede dieser Zonen die Konzentrationen der einzelnen Abgasbestandteile ermittelt.
5 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel einer Betriebsweise des Verbrennungsmotors 10 und der Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft, die zu einem Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators 26 führt. Aus dem Hauptprogramm 400 heraus wird dazu in einen Schritt 410 verzweigt, in dem der Verbrennungsmotor 10 so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell 110 für die am Ausgang des Vier-Wege-Katalysators 26 herrschende Konzentration von Sauerstoff einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda < 0,92 entspricht. Im Schritt 412 wird die Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft so angesteuert, dass das Eingangsemissionsmodell 210 für die am Eingang des Vier-Wege-Katalysators herrschende Konzentration von Sauerstoff einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda gleich 1 entspricht.
6 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel einer Betriebsweise des Verbrennungsmotors 10 und der Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft, die zu einer Regeneration des Vier-Wege-Katalysators führt. Aus dem Hauptprogramm 400 heraus wird dazu in einen Schritt 414 verzweigt, in dem der Verbrennungsmotor 10 so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell 110 für die am Ausgang des Vier-Wege-Katalysators 26 herrschende Konzentration von Sauerstoff einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda 0,98 < Lambda kleiner oder gleich 1 entspricht. Im Schritt 416 wird die Vorrichtung 50 zur Zufuhr von Sekundärluft so angesteuert, dass das Eingangsemissionsmodell 210 für die am Eingang des Vier-Wege-Katalysators 26 herrschende Konzentration von Sauerstoff einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda größer als 1,08 entspricht. Mit diesem Sauerstoffüberschuss wird im Vier-Wege-Katalysator 26 eingelagerter Ruß bei hohen Temperaturen verbrannt. Die hohen Temperaturen werden zum Beispiel durch eine vorhergehende Aufheizung durch einen Betrieb erzielt, wie er mit Bezug auf die 5 erläutert worden ist.
Die Gegenstände der 4 bis 6 stellen Ausführungsbeispiele von Verfahren dar, bei denen der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von einer Eingangskonzentration betrieben wird, die durch ein Eingangsemissionsmodell der zweiten Abgasreinigungskomponente 27 in Abhängigkeit von durch ein Ausgangsemissionsmodell der ersten Abgasreinigungskomponente 31 berechneten Ausgangskonzentrationen des wenigstens einen Abgasbestandteils und einer eingeleiteten Sekundärluftmenge bestimmt werden.
Die Regelung bzw. Steuerung des Lambdas vor dem Vier-Wege-Katalysator 26 für dessen Aufheizung und Regeneration erfolgt damit unter Verwendung der modellierten Ausgangskonzentrationen des Drei-Wege-Katalysators 30. Zusätzlich wird in diesem Fall die eingeleitete Sekundärluft berücksichtigt. Dafür ist ein Eingangsemissionsmodell vorgesehen, das die Ausgangskonzentrationen des Drei-Wege-Katalysators 30 und die eingeleitete Sekundärluft in Eingangsemissionen für den Vier-Wege-Katalysator 26 konvertiert. Die modellierten Ausgangskonzentrationen des Drei-Wege-Katalysators 30 können darüber hinaus für eine verbesserte Modellierung einer Rußbeladung des Vier-Wege-Katalysator 26 genutzt werden. Dadurch ist eine gezieltere Regeneration des Vier-Wege-Katalysator 26 möglich. Der negative Einfluss von Querempfindlichkeiten (z.B. gegenüber Wasserstoff), der Vorkatalyse von Wasserstoff und Sauerstoff auf der Sonde und Abhängigkeiten von Betriebsbedingungen (z.B. Sondentemperatur) der Sonde vor dem Vier-Wege-Katalysator 26 auf den Betrieb des Vier-Wege-Katalysator 26, bzw. die Korrektur dieser Einflüsse, werden dadurch vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017201742 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), der eine Abgasanlage (14) aufweist, in der eine erste Abgasreinigungskomponente (31) und stromabwärts von der ersten Abgasreinigungskomponente (31) eine zweite Abgasreinigungskomponente (27) angeordnet ist, wobei die zweite Abgasreinigungskomponente (27) einen Speicher für wenigstens einen Abgasbestandteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine an einem Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Ausgangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils mit einem Ausgangsemissionsmodell (110) berechnet wird und dass eine an einem Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) herrschende Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils in Abhängigkeit von der berechneten Ausgangskonzentration bestimmt wird und dass der Verbrennungsmotor (10) in Abhängigkeit von der so bestimmten Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) für eine Regelung eines Füllstands des Speichers der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) in Abhängigkeit von einer Eingangskonzentration der zweiten Abgasreinigungskomponente betrieben wird, die so bestimmt wird, dass sie mit der berechneten Ausgangskonzentration der ersten Abgasreinigungskomponente (31) identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10), falls er eine Abgasanlage aufweist, in der zwischen der ersten Abgasreinigungskomponente (31) und der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) eine Einmündung (52) angeordnet ist, über die Sekundärluft in die Abgasanlage (14) einblasbar ist, in Abhängigkeit von einer Eingangskonzentration betrieben wird, die durch ein Eingangsemissionsmodell (210) der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) in Abhängigkeit von durch ein Ausgangsemissionsmodell (110) der ersten Abgasreinigungskomponente (31) berechneten Ausgangskonzentrationen des wenigstens einen Abgasbestandteils und einer eingeleiteten Sekundärluftmenge bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell (110) für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda < 1 entspricht und dass so viel Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Eingangsemissionsmodell (210) für die am Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda gleich 1 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) so betrieben wird, dass das Ausgangsemissionsmodell (110) für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einer Luftzahl Lambda entspricht, für die gilt: 0,98 < Lambda kleiner oder gleich 1, und dass so viel Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Eingangsemissionsmodell (210) für die am Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils einen Wert berechnet, der einem Lambdawert größer als 1 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Ausgangsemissionsmodell (110) für die am Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils berechnete Konzentration für eine Modellierung einer Rußbeladung der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) verwendet wird.
Steuergerät (16) für einen Verbrennungsmotor (10), der eine Abgasanlage (14) aufweist, in der eine erste Abgasreinigungskomponente (31) und stromabwärts von der ersten Abgasreinigungskomponente (31) eine zweite Abgasreinigungskomponente (27) angeordnet ist, wobei die zweite Abgasreinigungskomponente (27) einen Speicher für wenigstens einen Abgasbestandteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, eine an einem Ausgang der ersten Abgasreinigungskomponente (31) herrschende Ausgangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils mit einem Ausgangsemissionsmodell (110) zu berechnen und eine an einem Eingang der zweiten Abgasreinigungskomponente (27) herrschende Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils in Abhängigkeit von der berechneten Ausgangskonzentration zu bestimmen und den Verbrennungsmotor (10) in Abhängigkeit von der Eingangskonzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils zu betreiben.
Steuergerät (16) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, den Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 zu steuern.
Computerprogrammprodukt (16.2), das Instruktionen aufweist, die das Steuergerät (16) nach Anspruch 7 dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computer-lesbares Medium (16.1), auf dem das Computerprogrammprodukt (16.2) des Anspruchs 9 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist.