DE102018251719A1

DE102018251719A1 - Verfahren und Steuergerät zur Regelung eines Füllstands eines Speichers eines Katalysators für eine Abgaskomponente bei fehlender Sondenbetriebsbereitschaft

Info

Publication number: DE102018251719A1
Application number: DE102018251719.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Fey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US11085348B2; JP2020118157A; US20200347769A1; KR20200081315A; JP7437153B2; CN111379635A

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem ein Ist-Füllstand () des Abgaskomponentenspeichers mit einem ersten Streckenmodell (100) ermittelt wird, dem Signale (λ) einer stromaufwärts des Katalysators (26) in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration des Abgasbestandteils erfassenden ersten Abgassonde (32) zugeführt werden, wenn diese betriebsbereit ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lambdasollwert (λ) für einen ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) durch eine Lambdasollwertvorsteuerung vorgegeben wird und dass dem Streckenmodell (100) dann, wenn die erste Abgassonde (32) nicht betriebsbereit ist, ein Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde (32) zugeführt wird und das Ersatzsignal in der Lambdasollwertvorsteuerung als Initialwert für den Lambdasollwert verwendet wird. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In ihren Vorrichtungsaspekten betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist für Sauerstoff als Abgaskomponente jeweils aus der DE 103 39 063 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren und Steuergerät wird ein Ist-Füllstand des Abgaskomponentenspeichers mit einem ersten Streckenmodell ermittelt, dem Signale einer stromaufwärts des Katalysators in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration des Abgasbestandteils erfassenden ersten Abgassonde zugeführt werden, wenn diese betriebsbereit ist.
Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotor werden neben Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Durch die Verwendung eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten konvertiert werden.
Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NO_x wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Katalysatorfenster, erreicht.
Zum Betrieb des Dreiwegekatalysators im Katalysatorfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von vor und hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Lambdasonden basiert. Für die Regelung der Luftzahl Lambda, die ein Maß für die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Verbrennungsmotors ist, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Dreiwegekatalysator mit einer dort angeordneten vorderen Abgassonde gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die in Form eines Basiswertes von einer Vorsteuerungsfunktion vorgegebene Kraftstoffmenge oder Einspritzimpulsbreite.
Im Rahmen dieser Vorsteuerung werden Basiswerte einzuspritzender Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von zum Beispiel Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors vorgegeben. Für eine noch genauere Regelung wird zusätzlich die Sauerstoffkonzentration des Abgases stromabwärts des Dreiwegekatalysators mit einer weiteren Abgassonde erfasst. Das Signal dieser hinteren Abgassonde wird für eine Führungsregelung verwendet, die der auf dem Signal der vorderen Abgassonde basierenden Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator überlagert ist. Als hinter dem Dreiwegekatalysator angeordnete Abgassonde wird in der Regel eine Sprung-Lambdasonde verwendet, die bei Lambda = 1 eine sehr steile Kennlinie besitzt und deshalb Lambda = 1 sehr genau anzeigen kann (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524).
Neben der Führungsregelung, die im allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, gibt es in aktuellen Motorsteuerungssystemen in der Regel eine Funktionalität, die nach großen Abweichungen von Lambda = 1 in Form einer Lambda-Vorsteuerung dafür sorgt, dass das Katalysatorfenster schnell wieder erreicht wird, was zum Beispiel nach Phasen mit Schiebebetriebsabschaltung wichtig ist, in denen der Dreiwegekatalysator mit Sauerstoff beladen wird. Dies beeinträchtigt die NO_x-Konvertierung.
Wegen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators kann hinter dem Dreiwegekatalysator noch über mehrere Sekunden Lambda = 1 vorliegen, nachdem vor dem Dreiwegekatalysator ein fettes oder mageres Lambda eingestellt wurde. Diese Eigenschaft des Dreiwegekatalysators, Sauerstoff temporär zu speichern, wird ausgenutzt, um kurzzeitige Abweichungen von Lambda = 1 vor dem Dreiwegekatalysator auszugleichen. Liegt vor dem Dreiwegekatalysator über längere Zeit Lambda ungleich 1 vor, wird sich das gleiche Lambda auch hinter dem Dreiwegekatalysator einstellen sobald der Sauerstofffüllstand bei einem Lambda >1 (Sauerstoffüberschuss) die Sauerstoffspeicherfähigkeit überschreitet oder sobald im Dreiwegekatalysator bei einem Lambda < 1 kein Sauerstoff mehr gespeichert ist.
Zu diesem Zeitpunkt zeigt dann auch eine Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ein Verlassen des Katalysatorfensters an. Bis zu diesem Zeitpunkt deutet das Signal der Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator allerdings nicht auf den bevorstehenden Durchbruch hin, und eine auf diesem Signal basierende Führungsregelung reagiert deshalb oft so spät, dass die Kraftstoffzumessung nicht mehr rechtzeitig vor einem Durchbruch reagieren kann. Als Folge treten erhöhte tail pipe Emissionen auf. Aktuelle Regelungskonzepte haben deshalb den Nachteil, dass sie ein Verlassen des Katalysatorfensters anhand der Spannung der Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator erst spät erkennen.
Eine Alternative zur Regelung auf Basis des Signals einer Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ist eine Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des Dreiwegekatalysators. Dieser mittlere Füllstand ist zwar nicht messbar, kann aber nach der eingangs genannten DE 103 39 063 A1 durch Berechnungen modelliert werden.
Bei einem Dreiwegekatalysator handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern. Darüber hinaus sind die gemessenen oder modellierten Eingangsgrößen für ein Modell des Dreiwegekatalysators üblicherweise mit Unsicherheiten behaftet. Deshalb ist ein allgemeingültiges Katalysatormodell, das das Verhalten des Dreiwegekatalysators in unterschiedlichen Betriebszuständen (z.B. in unterschiedlichen Motorbetriebspunkten oder bei unterschiedlichen Katalysatoralterungsstufen) ausreichend genau beschreiben kann, in der Regel in einem Motorsteuerungssystem nicht verfügbar.
Offenbarung der Erfindung
Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Bei der Erfindung wird ein Lambdasollwert für einen ersten Regelkreis durch eine Lambdasollwertvorsteuerung vorgegeben und dem Streckenmodell wird dann, wenn die erste Abgassonde nicht betriebsbereit ist, ein Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde zugeführt, und das Ersatzsignal wird in der Lambdasollwertvorsteuerung als Initialwert für den Lambdasollwert verwendet.
Die Regelung des Füllstands des Dreiwegekatalysators auf Basis des Signals einer vor dem Dreiwegekatalysator angeordneten Abgassonde hat den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters früher als bei einer Führungsregelung, die auf dem Signal einer hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Abgassonde basiert, erkannt werden kann, so dass dem Verlassen des Katalysatorfensters durch eine frühzeitige gezielte Korrektur des Luft-Kraftstoff-Gemischs entgegengewirkt werden kann.
Die Erfindung ermöglicht in diesem Zusammenhang eine nach dem Start des Verbrennungsmotors und im Fall eines Fehlers der ersten Abgassonde weiter verbesserte Vorsteuerung, bzw. Regelung einer im Katalysatorvolumen gespeicherten Sauerstoffmenge, mit der ein Verlassen des Katalysatorfensters frühzeitig erkannt und verhindert wird. Durch die Erfindung wird die Vorsteuerung und Regelung des Füllstands zum frühestmöglich sinnvollen Zeitpunkt aktiviert. Die Aktivierung erfolgt insbesondere noch vor dem Erreichen der Betriebsbereitschaft derjenigen Abgassonden, die für die Vorsteuerung und Regelung nicht zwingend benötigt werden. Die Abgassonden sind unmittelbar nach einem Kaltstart noch nicht betriebsbereit, weil sie für ihre Funktion eine Mindesttemperatur besitzen müssen, die bei einem Kaltstart noch nicht vorliegt. Ähnliches gilt für Katalysatoren. Diese erreichen ihre Betriebsbereitschaftstemperatur in der Regel jedoch früher als die Abgassonden und sind daher in der Lage, Schadstoffe im Abgas frühzeitig zu konvertieren, wenn das Abgas eine passende Zusammensetzung aufweist. Der frühest möglich sinnvolle Zeitpunkt für den Beginn der Füllungsregelung ist daher zum Beispiel der Zeitpunkt, zu dem der Katalysator seine Betriebsbereitschaftstemperatur erreicht. Die Erfindung ermöglicht durch die auf ein Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde gestützte Aktivierung der Vorsteuerung einer modellbasierten Regelung der Füllung insbesondere eines Dreiwegekatalysators schon vor dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der ersten Abgassonde die Einstellung der Füllung des Katalysators.
Auch wenn die Genauigkeit der Vorsteuerung mit dem Ersatzsignal in der Regel nicht so hoch ist wie mit dem Signal einer betriebsbereiten ersten Abgassonde, kann der Katalysator besser im aktiven Katalysatorfenster betrieben werden als ohne aktivierte Vorsteuerung. Dadurch setzt eine wirkungsvolle Abgasreinigung früher ein als beim Stand der Technik, der eine Betriebsbereitschaft der vorderen Abgassonde voraussetzt. Dadurch lassen sich die tail pipe Emissionen nach dem Start des Verbrennungsmotors und im Fall von Fehlern der ersten Abgassonde reduzieren. Darüber hinaus bietet die Erfindung gleichzeitig eine ausgeglichenere Füllstandsreserve als bestehende Regelungskonzepte, was sich bei dynamischen Störungen vorteilhaft auswirkt. Die Emissionen können dadurch reduziert werden. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Dreiwegekatalysator erfüllt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass als Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde ein Lambdasignal aus einer Vorsteuerung der Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zusammensetzung des Verbrennungsmotors verwendet wird.
Für diese Vorsteuerung wird von der Motorsteuerung in der Regel ein Lambdasignal vorgegeben, das sich aus der Ansaugluftmenge und der eingespritzten Kraftstoffmenge ergibt oder diese Größen mitbestimmt. Bei passender Vorsteuerung stellt dieses Lambdasignal eine gute Näherung für das Signal der ersten Abgassonde dar und weist den Vorteil auf, dass es auch bei tiefen Temperaturen zur Verfügung steht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lambdasollwert für einen ersten Regelkreis durch die Lambdasollwertvorsteuerung vorgegeben wird und dass diese dazu eingerichtet ist, einen Initialwert für den Lambdasollwert durch ein mit dem ersten Streckenmodell identisches zweites Streckenmodell in einen fiktiven Füllstand umzurechnen, den fiktiven Füllstand mit einem von einem Sollwertgeber ausgegebenen Sollwert für den Füllstand zu vergleichen und den Lambdasollwert in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis iterativ zu verändern, wenn das Vergleichsergebnis einen Unterschied zwischen dem Sollwert für den Füllstand und dem fiktiven Füllstand ergibt, der größer als ein vorgegebenes Ausmaß ist, und den Lambdasollwert nicht zu verändern, wenn das Vergleichsergebnis keinen Unterschied zwischen dem Sollwert für den Füllstand und dem fiktiven Füllstand ergibt.
Bevorzugt ist auch, dass eine Abweichung des Ist-Füllstandes von dem vorbestimmten Soll-Füllstand ermittelt und durch eine Füllstandsregelung zu einem Lambdasollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Lambdasollwert und dem Lambdasollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum des Verbrennungsmotors beeinflusst wird.
Bevorzugt ist auch, dass es sich bei der Abgaskomponente um Sauerstoff handelt, dass in dem ersten Regelkreis eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambdaistwert das Signal der ersten Abgassonde verarbeitet wird und dass der Lambdasollwert in dem zweiten Regelkreis gebildet wird, und wobei eine Füllstandsregelabweichung als Abweichung des mit dem ersten Katalysatormodell modellierten Füllstandes von dem gefilterten Füllstandssollwert gebildet wird, diese Füllstandsregelabweichung einem Füllstands- Regelalgorithmus zugeführt wird, der daraus einen Lambdasollwert-Korrekturwert bildet und wobei dieser Lambdasollwert-Korrekturwert zu dem gegebenenfalls iterativ veränderten Lambdasollwert addiert wird und die so berechnete Summe den Lambdasollwert bildet.
Bevorzugt ist auch, dass das erste Streckenmodell ein Katalysatormodell enthält.
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.
Weiter ist bevorzugt, dass das erste Katalysatormodell ein Eingangsemissionsmodell, ein Füllstandsmodell und ein Emissionsmodell aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Katalysatormodell Teilmodelle aufweist, von denen jedes einem Teilvolumen des realen Dreiwegekatalysators zugeordnet ist.
Weiter ist bevorzugt, dass das Katalysatormodell ein Ausgangslambdamodell aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit Hilfe des ersten Katalysatormodells berechnete Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten in ein Signal zu konvertieren, das mit dem Signal einer zweiten Abgassonde vergleichbar ist, die stromabwärts des Katalysators angeordnet und dem Abgas ausgesetzt ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das mit dem Emissionsmodell berechnete Signal mit dem von dieser weiteren Abgassonde gemessenen Signal abgeglichen wird.
Dieser Abgleich erlaubt es, Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell eingehen, zu kompensieren.
Bevorzugt ist auch, dass der vorbestimmte Sollwert zwischen 10 % und 50 %, insbesondere zwischen 25 % und 35 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität des Dreiwegekatalysators beträgt.
Mit Blick auf Ausgestaltungen des Steuergerätes ist bevorzugt, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einer der bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens zu steuern.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

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

Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators und für Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente beschrieben. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen und Abgaskomponenten wie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe übertragbar. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen von einer Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator ausgegangen. Die Erfindung ist sinngemäß auch auf Abgasanlagen mit mehreren Katalysatoren übertragbar. Die nachfolgend beschriebenen vorderen und hinteren Zonen können sich in diesem Fall über mehrere Katalysatoren erstrecken bzw. in unterschiedlichen Katalysatoren liegen.
Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftzufuhrsystem 12, einem Abgassystem 14 und einem Steuergerät 16. Im Luftzufuhrsystem 12 befindet sich ein Luftmassenmesser 18 und eine stromabwärts des Luftmassenmessers 18 angeordnete Drosselklappe einer Drosselklappeneinheit 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit Kraftstoff gemischt, das über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 eingespritzt wird. Die Erfindung ist nicht auf Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung beschränkt und kann auch mit Saugrohreinspritzung oder mit Gas betriebenen Verbrennungsmotoren verwendet werden. Die resultierenden Brennraumfüllungen werden mit Zündvorrichtungen 24, beispielsweise Zündkerzen, gezündet und verbrannt. Ein Drehwinkelsensor 25 erfasst den Drehwinkel einer Welle des Verbrennungsmotors 10 und erlaubt dem Steuergerät 16 dadurch eine Auslösung der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch das Abgassystem 14 abgeleitet.
Das Abgassystem 14 weist einen Katalysator 26 auf. Der Katalysator 26 ist zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator, der bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid konvertiert und der eine Sauerstoff speichernde Wirkung besitzt. Wegen der Sauerstoff speichernden Wirkung und da Sauerstoff ein Abgasbestandteil ist, besitzt der Katalysator einen Abgaskomponentenspeicher. Der Dreiwegekatalysator 26 weist im dargestellten Beispiel eine erste Zone 26.1 und eine zweite Zone 26.2 auf. Beide Zonen werden vom Abgas 28 durchströmt. Die erste, vordere Zone 26.1 erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen vorderen Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Die zweite, hintere Zone 26.2 erstreckt sich stromabwärts der ersten Zone 26.1 über einen hinteren Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Selbstverständlich können vor der vorderen Zone 26.1 und hinter der hinteren Zone 26.2 sowie zwischen den beiden Zonen weitere Zonen liegen, für die ggf. ebenfalls der jeweilige Füllstand mit einem Rechenmodell modelliert wird.
Stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine dem Abgas 28 ausgesetzte vordere Abgassonde 32 unmittelbar vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Stromabwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist eine ebenfalls dem Abgas 28 ausgesetzte hintere Abgassonde 34 unmittelbar hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Die vordere Abgassonde 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung der Luftzahl λ über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt. Die hintere Abgassonde 34 ist bevorzugt eine sogenannte Sprung-Lambdasonde, mit der die Luftzahl λ = 1 besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal dieser Abgassonde 34 dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein dem Abgas 28 ausgesetzter Temperatursensor 36 in thermischem Kontakt mit dem Abgas 28 am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet, der die Temperatur des Dreiwegekatalysators 26 erfasst.
Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, der vorderen Abgassonde 32, der hinteren Abgassonde 34 und des Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 24 und zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder, zum Beispiel das Signal eines Fahrerwunschgebers 40, der eine Fahrpedalstellung erfasst. Ein Schiebebetrieb mit Abschalten der Kraftstoffzufuhr wird zum Beispiel durch Loslassen des Fahrpedals ausgelöst. Diese und die weiter unten noch erläuterten Funktionen werden durch ein im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 im Steuergerät 16 ablaufendes Motorsteuerungsprogramm 16.1 ausgeführt.
In dieser Anmeldung wird auf ein Streckenmodell 100, ein Katalysatormodell 102, ein inverses Katalysatormodell 104 (vergleiche 3) und ein Ausgangslambdamodell 106 Bezug genommen. Die Modelle sind jeweils Algorithmen, insbesondere Gleichungssysteme, die im Steuergerät 16 ausgeführt, bzw. ausgerechnet werden und die Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpfen, dass die mit den Algorithmen berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells 100. Das Streckenmodell 100 besteht aus dem Katalysatormodell 102 und dem Ausgangslambdamodell 106. Das Katalysatormodell 102 weist ein Eingangsemissionsmodell 108 und ein Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 auf. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell 102 einen Algorithmus 112 zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ _mod des Katalysators 26 auf.
Das Eingangsemissionsmodell 108 ist dazu eingerichtet, als Eingangsgröße das Signal λ_in,meas der vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten Abgassonde 32 in für das nachfolgende Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 benötigte Eingangsgrößen w_in,mod zu konvertieren. Beispielsweise ist eine Umrechnung von Lambda in die Konzentrationen von O₂, CO, H₂ und HC vor dem Dreiwegekatalysator 26 mit Hilfe des Eingangsemissionsmodells 108 vorteilhaft.
Mit den durch das Eingangsemissionsmodell 108 berechneten Größen w_in,mod und gegebenenfalls zusätzlichen Eingangsgrößen (z.B. Abgas- oder Katalysatortemperaturen, Abgasmassenstrom und aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators 26) werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 ein Füllstand θ_mod des Dreiwegekatalysators 26 und Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 modelliert.
Um Füll- und Entleerungsvorgänge realistischer abbilden zu können, wird der Dreiwegekatalysator 26 vorzugsweise durch den Algorithmus gedanklich in mehrere in Strömungsrichtung der Abgase 28 hintereinander liegende Zonen oder Teilvolumina 26.1, 26.2 unterteilt, und es werden mit Hilfe der Reaktionskinetik für jede dieser Zonen 26.1, 26.2 die Konzentrationen der einzelnen Abgasbestandteile ermittelt. Diese Konzentrationen können wiederum jeweils in einen Füllstand der einzelnen Zonen 26.1, 26.2 umgerechnet werden, vorzugsweise in den auf die aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit normierten Sauerstoff-Füllstand.
Die Füllstände einzelner oder aller Zonen 26.1, 26.2 können mittels einer geeigneten Wichtung zu einem Gesamtfüllstand zusammengefasst werden, der den Zustand des Dreiwegekatalysators 26 widerspiegelt. Zum Beispiel können die Füllstände aller Zonen 26.1, 26.2 im einfachsten Fall alle gleich gewichtet und damit ein mittlerer Füllstand ermittelt werden. Mit einer geeigneten Wichtung kann aber auch berücksichtigt werden, dass für die momentane Abgaszusammensetzung hinter dem Dreiwegekatalysator 26 der Füllstand in einer vergleichsweise kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 entscheidend ist, während für die Entwicklung des Füllstands in dieser kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 der Füllstand in der davor liegenden Zone 26.1 und dessen Entwicklung entscheidend ist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden ein mittlerer Sauerstofffüllstand angenommen.
Der Algorithmus des Ausgangslambdamodells 106 konvertiert die mit dem Katalysatormodell 102 berechneten Konzentrationen w_out,mod der einzelnen Abgaskomponenten am Ausgang des Katalysators 26 für die Adaption des Streckenmodells 100 in ein Signal λ_out,mod, das mit dem Signal λ_out,meas der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 verglichen werden kann. Vorzugsweise wird das Lambda hinter dem Dreiwegekatalysator 26 modelliert. Das Ausgangslambdamodell 106 ist für eine Vorsteuerung auf Basis eines Soll-Sauerstoff-Füllstands nicht zwingend erforderlich
Das Streckenmodell 100 dient damit zum einen zur Modellierung mindestens eines mittleren Füllstands θ _moddes Katalysators 26, der auf einen Soll-Füllstand eingeregelt wird, bei dem der Katalysator 26 sich sicher innerhalb des Katalysatorfensters befindet. Zum anderen stellt das Streckenmodell 100 ein modelliertes Signal λ_out,mod der hinter dem Katalysator 26 angeordneten Abgassonde 34 zur Verfügung. Weiter unten wird noch näher erläutert, wie dieses modellierte Signal λ_out,mod der hinteren Abgassonde 34 vorteilhaft zur Adaption des Streckenmodells 100 verwendet wird. Die Adaption erfolgt zur Kompensation von Unsicherheiten, mit denen die Eingangsgrößen des Streckenmodells, insbesondere das Signal der Lambdasonde vor dem Katalysator, behaftet sind. Ebenso werden die Vorsteuerung und gegebenenfalls Reglerparameter adaptiert.
3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und Steuergeräts. 3 zeigt insbesondere eine Betriebsbereitschaftserkennung 200 für die erste Abgassonde 32, verschiedene Schalter 210, 220, 230 und 240, mit denen Verbindungen zwischen Funktionsblöcken geschlossen und geöffnet werden, und einen Signalpfad 250, über den die Schalter 210, 220, 230 und 240 zeitgleich betätigt werden. Diese Schalter 210, 220, 230 und 240 repräsentieren ein Aktivieren und Deaktivieren von Funktionen und müssen daher nicht als körperlich realisierte Schalter verwirklicht sein.
Die folgende Erläuterung bezieht sich zunächst auf einen Zustand, in dem der Schalter 210 die Verbindung zwischen der ersten Abgassonde 32 und dem Streckenmodell 100 schließt, der Schalter 220 den Block 140 mit dem Block 32' verbindet, der Schalter 230 den Block 32' mit dem Block 100' und der Verknüpfung 126 verbindet und der Schalter 240 offen ist. Dieser Zustand ergibt sich bei betriebsbereiter erster Abgassonde 32.
In der 3 ist der alternative Schaltzustand dargestellt, der sich bei nicht betriebsbereiter erster Abgassonde 32 ergibt. In diesem Fall der nicht betriebsbereiten ersten Abgassonde betätigt die Betriebsbereitschaftserkennung 200 die Schalter 210, 220, 230 und 240 so, dass der Schalter 210 das Streckenmodell 100 von der ersten Abgassonde 32 trennt und mit dem Ersatzsignalgeber 250 verbindet, der Schalter 220 den Ausgang des Blocks 140 mit einem Lambdaistwertgeberblock 32' verbindet, der Schalter 230 den Lambdaistwertgeberblock 32' vom Streckenmodell 100' und den der Verknüpfung 126 trennt, und der Schalter 240 den Ersatzsignalgeber 250' mit dem Streckenmodell 100' und der Verknüpfung 126 verbindet.
Die Betriebsbereitschaftserkennung 200 für die erste Abgassonde 32 wertet zum Beispiel einen temperaturabhängigen Innenwiderstand und/oder von der ersten Abgassonde 32 erzeugte Signale aus. Dazu ist die Betriebsbereitschaftserkennung 200 mit der ersten Abgassonde 32 über eine Verbindung 260 verbunden.
Im Einzelnen zeigt die 3, wie das vom Ausgangslambdamodell 106 des Streckenmodells 100 modellierte Signal λ_out,mod der hinteren Abgassonde 34 mit dem realen Ausgangssignal λ_out,meas der hinteren Abgassonde 34 abgeglichen wird. Dazu werden die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas einem Adaptionsblock 114 zugeführt. Der Adaptionsblock 114 vergleicht die beiden Signale λ_out,mod und λ_out,meas miteinander. Beispielsweise zeigt eine hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnete Sprung-Lambdasonde als Abgassonde 34 eindeutig an, wann der Dreiwegekatalysator 26 komplett mit Sauerstoff gefüllt oder komplett von Sauerstoff entleert ist. Dies lässt sich ausnützen, um nach Mager- oder Fettphasen den modellierten Sauerstoff-Füllstand mit dem tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand, bzw. das modellierte Ausgangslambda λ_out,mod mit dem hinter dem Dreiwegekatalysator 26 gemessenen Lambda λ_out,meas in Übereinstimmung zu bringen und im Fall von Abweichungen das Streckenmodell 100 zu adaptieren. Die Adaption erfolgt zum Beispiel dadurch, dass der Adaptionsblock 114 über den gestrichelt dargestellten Adaptionspfad 116 Parameter des Algorithmus des Streckenmodells 100 sukzessive solange verändert, bis der für das aus dem Dreiwegekatalysator 26 heraus strömende Abgas modellierte Lambdawert λ_out,mod dem dort gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht.
Dadurch werden Ungenauigkeiten von Mess- oder Modellgrößen, die in das Streckenmodell 100 eingehen, kompensiert. Aus dem Umstand, dass der modellierte Wert λ_out,mod dem gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht, kann darauf geschlossen werden, dass auch der mit dem Streckenmodell 100, bzw. mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierte Füllstand θ _mod dem mit on board Mitteln nicht messbaren Füllstand des Dreiwegekatalysators 26 entspricht. Dann kann ferner darauf geschlossen werden, dass auch das zum ersten Katalysatormodell 102 inverse zweite Katalysatormodell 104, das sich durch mathematische Umformungen aus dem Algorithmus des ersten Katalysatormodells 102 ergibt, das Verhalten der modellierten Strecke richtig beschreibt.
Dies kann dazu benutzt werden, mit der als inverses zweites Katalysatormodell verwirklichten Vorsteuerung 104 einen Lambdasollwert 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. Parallel zu dieser Verarbeitung wird in einer Verknüpfung 122 eine Füllstandsregelabweichung FSRA als Abweichung des mit dem Streckenmodell 100, bzw. des mit dem ersten Katalysatormodell 102 modellierten Füllstandes θ _mod von dem gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt gebildet. Diese Füllstandsregelabweichung FSRA wird einem Füllstands-Regelalgorithmus 124 zugeführt, der daraus einen Lambdasollwert-Korrekturwert LSKW bildet. Dieser Lambdasollwert-Korrekturwert LSKW wird in der Verknüpfung 126 zu dem von dem inversen Streckenmodell 104 berechneten Basis-Lambdasollwert BLSW addiert.
Die so gebildete Summe kann als Lambdasollwert λ_in,set einer konventionellen Lambdaregelung dienen. Von diesem Lambdasollwert λ_in,set wird unter der Voraussetzung einer betriebsbereiten ersten Abgassonde 32 der von der ersten Abgassonde 32 bereitgestellte Lambdaistwert 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, in einem ersten Regelkreis erfolgenden Lambdaregelung wird auf diese Weise eine Regelung des Sauerstoff-Füllstands des Katalysators 26 überlagert, die in einem zweiten Regelkreis erfolgt. Dabei wird der mit Hilfe des Streckenmodells 100, beziehungsweise mit Hilfe des ersten Katalysatormodells 102 modellierte mittlere Sauerstoff-Füllstand θ _mod zum Beispiel auf einen Sollwert θ _set,flt eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach Mager und Fett minimiert und so zu minimalen Emissionen führt. Da der Basis-Lambdasollwert 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,flt identisch ist. Der Füllstands-Regelalgorithmus 124 greift nur dann ein, wenn das nicht der Fall ist. Da die gewissermaßen als Vorsteuerung der Füllstandsregelung wirkende Bildung des Basis-Lambdasollwerts als invertiertes zweites Katalysatormodell 104 des ersten Katalysatormodells 102 verwirklicht ist, kann diese Vorsteuerung in Analogie zur Adaption des ersten Katalysatormodells 102 auf der Basis des Signals λ_in,meas der hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten zweiten Abgassonde 34 adaptiert werden. Dies wird in der 3 durch den zum invertierten Streckenmodell 104 führenden Zweig des Adaptionspfades 116 verdeutlicht.
Diese Realisierung der Vorsteuerung als Invertierung des Streckenmodells hat den Vorteil, dass der Füllstands-Regelalgorithmus 124 nur dann eingreifen muss, wenn der mit Hilfe des Streckenmodells modellierte Ist-Füllstand des Katalysators von dem gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set abweicht. Während das Streckenmodell 100 das Eingangslambda vor dem Katalysator in einen mittleren Sauerstoff- Füllstand des Katalysators umrechnet, rechnet die als invertiertes Streckenmodell 104 realisierte Vorsteuerung den mittleren Soll-Sauerstoff-Füllstand in ein entsprechendes Soll-Lambda vor dem Katalysator um.
Bei der als invertiertes Streckenmodell verwirklichten Vorsteuerung 104 kann es sich um ein analytisch vorliegendes Element, das heißt ein in Form eines Gleichungssystems vorliegendes und zum Streckenmodell 100 inverses Element handeln. Bei einem Katalysator handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern, die in der Regel nur durch ein nichtlineares Differentialgleichungssystem dargestellt werden kann. Dies führt typischerweise dazu, dass sich das Gleichungssystem für die als invertiertes Streckenmodell realisierte Vorsteuerung 104 nicht analytisch lösen lässt.
Diese Lösbarkeitsprobleme werden dadurch vermieden, dass die Vorsteuerung 104 nicht durch ein analytisches, invertiertes Streckenmodell, sondern durch ein numerisch invertiertes Rechenmodell ersetzt ist, das auf einem als bekannt vorausgesetzten ersten Streckenmodell 100 für den Katalysator 26 basiert. Die Vorsteuerung 104 weist ein zweites Streckenmodell 100' auf, dessen Gleichungssystem mit dem Gleichungssystem des ersten Streckenmodells 100 identisch ist, aber mit anderen Eingangsgrößen gespeist wird.
Der Erfindung liegt die folgende Überlegung zu Grunde. Mit einem Lambdaistwertgeberblock 32' wird ein fiktiver Wert λ_{in,fictitious} als initiale Eingangsgröße für das zweite Streckenmodell 100' der Vorsteuerung 136 vorgegeben. Bei betriebsbereiter erster Abgassonde 32 ist das zum Beispiel ein aktuelles Signal der ersten Abgassonde 32. Mit dem zweiten Streckenmodell 100, ergibt sich aus dieser Eingangsgröße ein fiktiver Wert θ _{set,fictitious} für den mittleren Sauerstoff-Füllstand des Katalysators 26. In der Verknüpfung 138 wird die Differenz aus dem fiktiven mittleren Füllstand θ _{set,fictitious} und dem von der optionalen Filterung 120 gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set berechnet. Wenn beide Werte θ _{set,fictitious} und θ _set,flt (oder θ _set) gleich sind, ist die Differenz gleich Null. Das bedeutet, dass der vorgegebene fiktive Lambda-Wert λ_{in,fictitious} gerade demjenigen Lambdasollwert BLSW entspricht, den man vorsteuern muss, um den Soll-Sauerstoff-Füllstand zu erreichen. Im Schwellenwertblock 140 wird die Differenz aus dem fiktiven mittleren Füllstand θ _{set,fictitious} und dem von der optionalen Filterung 120 gefilterten Füllstandssollwert θ _set,fit oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Wenn der Betrag der Differenz ausreichend klein ist, was über die Wahl der Größe des Schwellenwertes einstellbar ist, dann übergibt der Schwellenwertblock 140 dem Lambdaistwertgeberblock 32' ein diesen Sachverhalt repräsentierendes Signal. Als Reaktion auf dieses Signal hält der Lambdaistwertgeberblock 32' sein damit als treffend erkanntes Ausgangssignal λ_{in,fictitious} bei und übergibt dieses Signal an die Verknüpfung 126 als Basislambdasollwert BLSW.
Wenn die Differenz aus dem fiktiven mittleren Füllstand θ _{set,fictitious} und dem von der optionalen Filterung 120 gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set berechneten Wert dagegen größer als der Schwellenwert ist, bedeutet dies, dass der vorgegebene fiktive Lambda-Wert λ_{in,fictitious} noch nicht dem idealen Lambdasollwert BLSW entspricht, den man vorsteuern muss, um den Soll-Sauerstoff-Füllstand zu erreichen. Im Schwellenwertblock 140 wird die Differenz aus dem fiktiven mittleren Füllstand θ _{set,fictitious} und dem von der optionalen Filterung 120 gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set den vorgegebenen Schwellenwert dann überschreiten. In diesem Fall übergibt der Schwellenwertblock 140 dem Lambdaistwertgeberblock 32' ein diesen Sachverhalt repräsentierendes Signal. Als Reaktion auf dieses Signal beginnt der Lambdaistwertgeberblock 32' sein damit als nicht-treffend erkanntes Ausgangssignal λ_{in,fictitious} iterativ zu variieren und übergibt das iterativ variierende Ausgangssignal λ_{in,fictitious} insbesondere an das Streckenmodell 100'. Dieses in Bezug auf das erste Streckenmodell 100 zweite Streckenmodell 100' wird dann mit identischen Parametern und initial identischen Zustandsvariablen wie das erste Streckenmodell 100 solange mit variablem Eingangslambda λ_{in,fictitious} iteriert, bis die Differenz zwischen dem vom zweiten Streckenmodell 100' berechneten Füllstand θ _{set,fictitious} und gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set betragsmäßig ausreichend klein ist, um die geforderte Genauigkeit der Vorsteuerung zu erreichen. Die geforderte Genauigkeit ist durch die Wahl des Schwellenwertes im Block 140 einstellbar. Der so gefundene Wert für das Eingangslambda λ_{in,fictitious} wird dann als Basislambdasollwert BLSW für den ersten Regelkreis verwendet. Die Differenzbildung stellt lediglich eine Ausgestaltung eines Vergleichs des fiktiven mittleren Füllstands θ _{set,fictitious} mit dem von der optionalen Filterung 120 gefilterten Füllstandssollwert θ _set,flt oder dem ungefilterten Füllstandssollwert θ _set dar. Ein Vergleich kann zum Beispiel auch auf der Basis einer Quotientenbildung erfolgen.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass lediglich das Gleichungssystem für das Vorwärts-Streckenmodell 100, bzw. 100' ein weiteres Mal gelöst werden muss, nicht aber das nur mit hohem Rechenaufwand lösbare bzw. nicht lösbare Gleichungssystem für das Rückwärts-Streckenmodell 104 aus der 3.
Um den Rechenaufwand im Steuergerät 16 zu minimieren, werden bevorzugt Iterationsgrenzen für das Eingangs- Lambda λ_{in,fictitious} festgelegt, die den Bereich bestimmen, in dem die Iteration durchgeführt wird. Vorzugsweise werden diese Iterationsgrenzen abhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen festgelegt. Es ist zum Beispiel vorteilhaft, die Iteration nur in einem möglichst kleinen Intervall um das zu erwartende Soll-Lambda BLSW auszuführen. Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Festlegung der Iterationsgrenzen den Eingriff der Füllstandsregelung 124 und Eingriffe anderer Funktionalitäten auf das Soll-Lambda BLSW zu berücksichtigen.
Das zu lösende Gleichungssystem wird iterativ innerhalb dieses Intervalls durch Einschlussverfahren wie zum Beispiel Bisektionsverfahren oder Regula Falsi gelöst. Einschlussverfahren wie die Regula Falsi sind allgemein bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur iterative Näherungswerte liefern, sondern dass sie diese auch von beiden Seiten her eingrenzen. Der Rechenaufwand zum Bestimmen des treffenden Basislambdasollwertes BLSW wird dadurch deutlich begrenzt.
Mit Ausnahme des Abgassystems 26, der Abgassonden 32, 34, des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25 und der Einspritzventile 22 sind alle in der 4 dargestellten Elemente Bestandteile eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 16. Mit Ausnahme der Speicher 118, 134 sind dabei alle übrigen Elemente aus der 4 Teile des Motorsteuerungsprogramms 16.1, das im Steuergerät 16 gespeichert ist und darin abläuft.
Die Elemente 22, 32, 128, 130 und 132 bilden den ersten Regelkreis, in dem eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambdaistwert das Signal λ_in,meas der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird. Der Lambdasollwert λ_in,set des ersten Regelkreises wird in dem zweiten Regelkreis gebildet, der die Elemente 22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132 aufweist.
Bei nicht betriebsbereiter erster Abgassonde schaltet die Betriebsbereitschaftserkennung 200 die in Abhängigkeit vom Signal der ersten Abgassonde 32 erfolgende Bildung des Lambdasollwertes ab und schaltet eine Bildung des Lambdasollwertes in Abhängigkeit von einem Ersatzsignal ein.
Die 3 veranschaulicht diese Änderung in der Bildung des Lambdasollwerts dadurch, dass die Betriebsbereitschaftserkennung 200 die Schalter 210, 220, 230 und 240 in die in der 3 gezeigte Schaltstellung umschaltet. Der Block 250 repräsentiert einen Ersatzsignalgeber. Bei dem Ersatzsignal handelt es sich bevorzugt um ein Lambdasignal, das sich aus aktuellen Werten für die Ansaugluftmenge und die dazu von einer Gemischvorsteuerung zugeordnete Kraftstoffmenge ergibt. Ein solches Lambdasignal liegt in der Motorsteuerung als Sollwert für die Gemischvorsteuerung vor oder kann aus in der Motorsteuerung vorliegenden Daten erzeugt werden. Das Lambdasignal wird in der Regel in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge und der Drehzahl erzeugt, die von Sensoren 18 und 25 bereitgestellt werden. Die Bildung des Lambdasollwertes in Abhängigkeit von dem Ersatzsignal ergibt sich bei der in der 3 dargestellten Schaltstellung der Schalter 210, 220, 230 und 240. In der dargestellten Schaltstellung des Schalters 210 wird dem Streckenmodell 100 an Stelle des Signals der ersten Abgassonde 32 das Ersatzsignal aus dem Ersatzsignalgeber 250' zugeführt. Der Ersatzsignalgeber 250' arbeitet in einer Ausgestaltung analog zur Arbeitsweise des Istwertgeberblocks 32', iteriert also insbesondere auf die gleiche Weise wie der Istwertgeberblock 32'. In einer alternativen Ausgestaltung iteriert der Ersatzsignalgeber 250' nicht. Dies ist vertretbar, weil die Zeitspanne, in welcher der Ersatzsignalgeber 250' aktiv ist, in der Regel auf die kurze Zeitspanne nach einem Start beschränkt ist, in welcher die vordere Abgassonde noch nicht betriebsbereit ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10339063 A1 [0002, 0010]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem ein Ist-Füllstand (θ _mod) des Abgaskomponentenspeichers mit einem ersten Streckenmodell (100) ermittelt wird, dem Signale (λ_in,meas) einer stromaufwärts des Katalysators (26) in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration des Abgasbestandteils erfassenden ersten Abgassonde (32) zugeführt werden, wenn diese betriebsbereit ist, dadurch gekennzeichnet, , dass ein Lambdasollwert (λ_in,set) für einen ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) durch eine Lambdasollwertvorsteuerung vorgegeben wird und dass dem Streckenmodell (100) dann, wenn die erste Abgassonde (32) nicht betriebsbereit ist, ein Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde (32) zugeführt wird und das Ersatzsignal in der Lambdasollwertvorsteuerung als Initialwert für den Lambdasollwert (λ_in,set) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde (32) ein Lambdasignal aus einer Vorsteuerung der Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zusammensetzung des Verbrennungsmotors verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lambdasollwert (λ_in,set) für einen ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) durch die Lambdasollwertvorsteuerung vorgegeben wird und dass diese dazu eingerichtet ist, einen Initialwert für den Lambdasollwert durch ein mit dem ersten Streckenmodell (100) identisches zweites Streckenmodell (100') in einen fiktiven Füllstand (θ _{set,fictitious}) umzurechnen, den fiktiven Füllstand (θ _{set,fictitious}) mit einem von einem Sollwertgeber 118, 120 ausgegebenen Sollwert für den Füllstand (θ _set,flt) zu vergleichen und den Lambdasollwert in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis iterativ zu verändern, wenn das Vergleichsergebnis einen Unterschied zwischen dem Sollwert für den Füllstand und dem fiktiven Füllstand ergibt, der größer als ein vorgegebenes Ausmaß ist, und den Lambdasollwert nicht zu verändern, wenn das Vergleichsergebnis keinen Unterschied zwischen dem Sollwert für den Füllstand und dem fiktiven Füllstand (θ _{set,fictitious}) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung des Ist-Füllstandes (θ _mod) von dem vorbestimmten Soll-Füllstand (θ _set,flt) ermittelt und durch eine Füllstandsregelung (124) zu einem Lambdasollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Basis-Lambdasollwert und dem Lambdasollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum (20) des Verbrennungsmotors (10) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abgaskomponente um Sauerstoff handelt, dass in dem ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) eine Lambda-Regelung erfolgt, in der als Lambdaistwert das Signal (λ_in,meas) der ersten Abgassonde (32) verarbeitet wird und dass der Lambdasollwert (λ_in,set) in dem zweiten Regelkreis (22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132, 22) gebildet wird, und wobei eine Füllstandsregelabweichung als Abweichung des mit dem ersten Katalysatormodell (100) modellierten Füllstandes (θ _mod) von dem gefilterten Füllstandssollwert (θ _set,flt) gebildet wird, diese Füllstandsregelabweichung einem Füllstands-Regelalgorithmus (124) zugeführt wird, der daraus einen Lambdasollwert-Korrekturwert bildet und wobei dieser Lambdasollwert-Korrekturwert zu dem gegebenenfalls iterativ veränderten Basis-Lambdasollwert addiert wird und die so berechnete Summe den Lambdasollwert (λ_in,set) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Streckenmodell (100) ein Katalysatormodell (102) enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormodell (102), ein Eingangsemissionsmodell (108) und ein Füllstands- und Emissionsmodell (110) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormodell (102) Teilmodelle aufweist, von denen jedes einem Teilvolumen des realen Katalysators (26) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormodell (102) ein Ausgangslambdamodell (106) aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit Hilfe des ersten Katalysatormodells (102) berechnete Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten in ein Signal zu konvertieren, das mit dem Signal einer zweiten Abgassonde (34) vergleichbar ist, die stromabwärts des Katalysators (26) angeordnet und dem Abgas ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Ausgangslambdamodell (106) berechnete Signal mit dem von der zweiten Abgassonde (34) gemessenen Signal abgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Streckenmodells (100) sukzessive solange verändert werden, bis ein für das aus dem Dreiwegekatalysator (26) heraus strömende Abgas modellierter Lambdawert λ_out,mod einem dort gemessenen Lambdawert λ_out,meas entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Füllstand zwischen 10 % und 50 %, insbesondere zwischen 25 % und 35 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators (26) beträgt.
Steuergerät (16), das zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10) eingerichtet ist, und das dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert ist, einen Ist-Füllstand (θ _mod) des Abgaskomponentenspeichers mit einem ersten Streckenmodell (100) zu ermitteln, Signale (λ_in,meas) einer stromaufwärts des Katalysators (26) in den Abgasstrom ragenden und eine Konzentration des Abgasbestandteils erfassenden ersten Abgassonde (32) zu verarbeiten, wenn diese betriebsbereit ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Lambdasollwert für einen ersten Regelkreis (22, 32, 128, 130, 132) durch eine Lambdasollwertvorsteuerung vorzugeben, und dem Streckenmodell (100) dann, wenn die erste Abgassonde (32) nicht betriebsbereit ist, ein Ersatzsignal für das Signal der ersten Abgassonde (32) dem Streckenmodell (100) zuzuführen und in der Lambdasollwertvorsteuerung als Initialwert für den Basislambdasollwert zu verwenden.
Steuergerät (16) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 zu steuern.