DE102019203093A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Komponenten eines Abgassystems in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8), mit folgenden Schritten:
- Durchführen einer Füllungsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln, wobei als Stellgröße ein Lambda-Sollwert für eine Lambdaregelung vorgegeben wird;
- Adaptieren der Füllungsregelung mithilfe einer Adaptionsgröße, die einen Korrekturwert für den Lambda-Sollwert angibt,
- Speichern eines Adaptionswerts abhängig von einem Betriebsbereich des Motorsystems, wobei der entsprechende Adaptionswert mit dem Wert der Adaptionsgröße für den momentanen Betriebsbereich aktualisiert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, bei denen Verbrennungsabgase mithilfe einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gereinigt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Füllungsregelung für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie die Adaption einer Lambdaregelung für den Verbrennungsmotor.
  • Technischer Hintergrund
  • Aus der Druckschrift DE 196 06 652 B4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Ist-Füllstand des Abgaskomponentenspeichers mit einem ersten Streckenmodell ermittelt wird, dem Signale einer ersten Abgassonde, die stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist, und einer zweiten Abgassonde, die stromabwärts des Katalysators angeordnet ist, zugeführt werden, wobei ein Basislambdasollwert für einen ersten Regelkreis durch einen zweiten Regelkreis vorgegeben wird, der mit dem ersten Streckenmodell ermittelte Ist-Füllstand dann, wenn die Spannung der zweiten Abgassonde einen Durchbruch von fettem oder magerem Abgas hinter dem Katalysator und damit einen zu niedrigen oder zu hohen tatsächlichen Füllstand des Abgaskomponentenspeichers anzeigt, dem tatsächlichen Füllstand angeglichen wird.
  • Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotorwerden neben Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) 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 NOx wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Konvertierungsfenster, erreicht.
  • Zum Betrieb des Dreiwegekatalysators im Konvertierungsfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von stromaufwärts und stromabwärts des Dreiwegekatalysators angeordneten Lambdasensoren 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 stromaufwärts des Dreiwegekatalysators mit einem dort angeordneten vorderen Lambdasensor gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die in Form eines Basiswertes von einer Vorsteuerungsfunktion vorgegebene Kraftstoffmenge.
  • Im Rahmen der 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 einem weiteren Lambdasensor erfasst. Das Signal dieses stromabwärtigen Lambdasensors wird für eine Führungsregelung verwendet, die der auf dem Signal des stomaufwärtigen Lambdasensors basierenden Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator überlagert ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Diagnose eines Abgasabführungssystems in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
  • Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgasabführungssystem vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    • - Durchführen einer Füllungsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln, wobei als Stellgröße ein Lambda-Sollwert für eine Lambdaregelung vorgegeben wird;
    • - Adaptieren der Füllungsregelung mithilfe einer Adaptionsgröße, die einen Korrekturwert für den Lambda-Sollwert angibt,
    • - Speichern eines Adaptionswerts abhängig von einem Betriebsbereich des Motorsystems, wobei der entsprechende Adaptionswert mit dem Wert der Adaptionsgröße für den momentanen Betriebsbereich aktualisiert wird.
  • Weiterhin kann zum Betreiben des Verbrennungsmotors die Füllungsregelung abhängig von dem für den Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zugeordneten gespeicherten Adaptionswert adaptiert werden.
  • Das obige Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgasabführungssystem basiert auf einer Füllungsregelung eines mittleren Sauerstofffüllstands der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Der mittlere Füllstand ist jedoch nicht messbar, sondern kann nur mithilfe eines geeigneten Streckenmodells modelliert werden.
  • Das obige Verfahren sieht vor, die Adaptionswerte für verschiedene Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors zwischenzuspeichern und diese bei einer Änderung des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors unmittelbar anzuwenden. Dadurch kann die Adaption der Füllungsregelung sofort und nicht erst nach einer Totzeit der Regelstrecke angewendet werden, wodurch sich insbesondere im dynamischen Betrieb ein verbessertes Emissionsverhalten ergibt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Adaptieren der Füllungsregelung kontinuierlich durchgeführt wird. Dies ermöglicht in Verbindung mit der Zwischenspeicherung, eine Entkopplung der Adaption und der Regelung von einer auf einer Auswertung der Adaptionswerte basierenden Diagnosefunktion.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Betriebsbereich abhängig von einer oder mehreren der folgenden Größen angegeben werden: Last, Motordrehzahl und Motortemperatur.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Diagnose von Komponenten eines Abgasabführungssystems vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    • - Durchführen des obigen Verfahrens;
    • - Zuordnen eines Fehlers im Abgasabführungssystem abhängig von den zu den Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors gespeicherten Adaptionswerten.
  • Aufgrund von Fehlern im Abgasabführungssystem, von Toleranzen von Eingangsgrößen des Streckenmodells und des Streckenmodells können Abweichungen zwischen den mit Hilfe des Streckenmodells modellierten Größen (z.B. Sauerstofffüllstand des Katalysators) und den entsprechenden realen Größen auftreten. Insbesondere Fehler im Abgasabführungssystem führen zu systematischen Abweichungen der Adaptionsgröße unabhängig von dem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors.
  • Es besteht daher eine Notwendigkeit, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Ursache, die zu dem Adaptionsbedarf einer modellbasierten Füllungsregelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung führen, zu unterscheiden, um eine betroffene Komponente bei einer Wartung austauschen zu können. Das obige Verfahren sieht eine Füllungsregelung für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung basierend auf einer Lambdaregelung vor. Diese umfasst eine betriebspunktabhängige Adaption der Füllungsregelung und eine Diagnose des Abgasabführungssystems basierend auf gespeicherten Adaptionswerten. Die Diagnose der Komponenten im Abgassystem basierend auf den betriebsbereichsabhängig gespeicherten Adaptionswerten ermöglicht eine wesentliche Entkopplung der Regelung und Adaption von der Diagnose, so dass separate Diagnoseverfahren durchgeführt werden müssen. Zudem ermöglicht die Erkennung systematischer Adaptionswerte und betriebspunktspezifischer Adaptionswerte eine Unterscheidung zwischen systematischen Fehlern im Abgasabführungssystem und Modellungenauigkeiten des Füllungsmodells.
  • Weiterhin kann für einen stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneter Abgassensor ein Selbstabgleich durchgeführt werden, um einen Abgassensoroffset zu erhalten, mit dem der der Lambdaregelung bereitgestellte Lambdawert korrigiert wird, wobei die zu den Betriebsbereichen gespeicherten Adaptionswerte abhängig von dem Abgassensoroffset korrigiert werden, um jeweilige Fuel-Trim-Werte zu erhalten, die als verbleibende Adaptionswerte für die Füllungsregelung verwendet werden, wobei ein systematischer Fehler im Abgasabführungssystem erkannt wird, wenn ein Mittelwert der Fuel-Trim-Werte größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und/oder wobei eine Modellungenauigkeit eines Füllungsmodells, das der Füllungsregelung zugrunde liegt, erkannt wird, wenn ein Abweichungsmaß der Adaptionswerte von einem Mittelwert der Adaptionswerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  • Bei einem vorgesehenen Selbstabgleich des Abgassensors kann eine systematische Adaptionsgröße gegen einen Selbstabgleichswert (Abgassensoroffset) des Abgassensors korrigiert werden, so dass als betriebspunktabhängige Fuel-Trim-Adaptionswerte die Adaptionsgröße abzüglich des ermittelten Abgassensoroffset des Abgassensors ermittelt werden kann. Dadurch können die Fuel-Trim-Adaptionswerte zur kontinuierlichen Diagnose von Komponenten des Abgassystems verwendet werden. Insbesondere können Fehler, wie ein Leck im Abgassystem oder eine Modellungenauigkeit des Füllungsmodells, anhand der Fuel-Trim-Adaptionsgröße erkannt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
    • - Durchführen einer Füllungsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln, wobei als Stellgröße ein Lambda-Sollwert für eine Lambdaregelung vorgegeben wird;
    • - Adaptieren der Füllungsregelung mithilfe einer Adaptionsgröße, die einen Korrekturwert für den Lambda-Sollwert angibt, und
    • - Speichern eines Adaptionswerts abhängig von einem Betriebsbereich des Motorsystems, wobei der entsprechende Adaptionswert mit dem Wert der Adaptionsgröße für den momentanen Betriebsbereich aktualisiert wird.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgassystem mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung; und
    • 2 eine Funktionsdarstellung der Lambdaregelung zum Einsatz in dem Motorsystem der 1.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, dessen Verbrennungsabgas mithilfe eines Drei-Wege-Katalysators als Abgasnachbehandlungseinrichtung aufbereitet wird. In dem Drei-Wege-Katalysator dient Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente.
  • 1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der mit einer Anzahl von Zylindern 3 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylindern) ausgebildet ist. Den Zylindern 3 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 4 und über gesteuerte Einlassventile an jedem Zylinder 3 zugeführt und Verbrennungsabgas wird aus den Zylindern 3 über entsprechende Auslassventile an jedem Zylinder 3 und über ein Abgassystem 5 abgeführt.
  • Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise in einem Viertaktbetrieb betrieben. Dazu wird in die Zylinder 3 vor einem der zu Beginn eines Verbrennungstakts über ein jeweiliges Einspritzventil 6 Kraftstoff entsprechend einer vorgegebenen Einspritzmenge zugeführt, um in den Brennräumen der Zylinder 3 jeweils ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auszubilden. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird während eines Verbrennungstakts im Viertaktbetrieb, z.B. mit einer geeigneten Zündvorrichtung, gezündet und verbrannt, um den Vortrieb zu erzeugen. Alternativ kann anstelle eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung auch ein Verbrennungsmotor mit Saugrohreinspritzung oder mit Gas betriebenen Verbrennungsmotoren verwendet werden.
  • Das Abgassystem 5 weist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf, die z. B. als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet sein kann. Ein Drei-Wege-Katalysator konvertiert auf drei Reaktionswegen die Abgasbestandteile von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid durch Oxidation mit in dem Drei-Wege-Katalysator gespeichertem Sauerstoff und speichert bei Sauerstoffüberschuss Sauerstoff. Die Funktionsweise des Drei-Wege-Katalysators ist an sich bekannt, und es wird hierin nicht näher darauf eingegangen.
  • Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 ist ein stromaufwärtiger Abgassensor 9, insbesondere in Form einer Lambdasonde, vorgesehen, der einen Sauerstoffgehalt bzw. einen Kohlenwasserstoffgehalt im vorbeiströmenden Verbrennungsabgas detektieren kann und einen entsprechenden stromaufwärtigen Lambdawert bereitstellt. Der Lambdawert gibt einen Wert des der Verbrennung zugrundeliegenden Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an. Der stromaufwärtige Abgassensor 9 ist vorzugsweise als Breitband-Lambdasonde ausgebildet, die eine Messung des der Verbrennung zugrundeliegenden Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vornimmt und dieses in Form einer Luftzahl Ä angibt. Der stromaufwärtige Abgassensor 9 erlaubt eine Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über einen breiten Luftzahlbereich.
  • Stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 ist ein stromabwärtiger Abgassensor 10, insbesondere in Form einer Lambdasonde, angeordnet, der den Sauerstoffgehalt des vorbeiströmenden gereinigten Verbrennungsabgases detektiert und diesen in Form eines stromabwärtigen Lambdawerts bereitstellt. Der stromabwärtige Abgassensor 10 ist vorzugsweise als sogenannte Sprung-Lambdasonde ausgebildet, mit der die Luftzahl Ä im Bereich von eins besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal des stromabwärtigen Abgassensors 10 dort sprungartig ändert.
  • Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 kann mit einem Temperatursensor 11 versehen sein, der die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 detektiert und ein entsprechendes Temperatursignal bereitstellt.
  • Zur Steuerung des Betriebs des Motorsystems 1 ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die Sensorsignale aus dem Motorsystem 1 erfasst, um einen Motorsystemzustand zu bestimmen. Beispielsweise kann der Motorsystemzustand durch Zustandsgrößen des Motorsystems 1 angegeben sein, der durch Sensoren bestimmt ist. Die Sensoren können beispielsweise umfassen: einen Frischluftmassenstromsensor 12 im Luftzuführungssystem 4 zur Erfassung eines Frischluftmassenstroms gemessen, eine momentane Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, die Abgassensoren 9, 10 zur Erfassung der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Lambdawerte, einen Motordrehzahlsensor und einige mehr.
  • Die Steuereinheit 15 betreibt den Verbrennungsmotor 2 in an sich bekannter Weise durch Ansteuerung von Stellgebern entsprechend einer externen Vorgabe betreibt. Die externe Vorgabe kann beispielsweise auf einem über ein Fahrpedal vorgegebenes Fahrerwunschmoment basieren. Die ansteuerbaren Stellgeber können die Einspritzventile zur Vorgabe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge, einen Drosselklappensteller 13 zur Einstellung der Luftzufuhr in den Verbrennungsmotor 2, eine Zündeinrichtung (nicht gezeigt) in jedem der Zylinder 3, dessen Zündzeitpunkt zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemisches vorgegeben wird, die zeitlichen Ventilbetriebe der Einlass- und Auslassventile und dergleichen umfassen.
  • In der Steuereinheit 15 wird zum Bereitstellen eines Motormoments eine entsprechende einzuspritzende Kraftstoffmenge berechnet und die Einspritzventile 6 in entsprechender Weise zum Einspritzen der berechneten Kraftstoffmenge angesteuert. Gleichzeitig führt die Steuereinheit 15 eine Füllungsregelung aus, basierend auf dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Lambdawert, die kontinuierlich von den Abgassensoren 9, 10 bereitgestellt werden.
  • In 2 ist ein Funktionsblockdiagramm dargestellt, das die Funktionsweise der Regelung im Motorsystem 1 näher veranschaulicht. Die Füllungsregelung wird durch einen Füllstandsregler 22 und einen Lambdaregelungsblock 20 realisiert und basiert im Wesentlichen darauf, einen aktuellen Füllstand θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf einen vorgegebenen Füllstands-Sollwert θset einzustellen.
  • Der Füllstand einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entspricht bei einem Drei-Wege-Katalysator einer Sauerstoffbeladung, die vorzugsweise gemäß einem vorgegebenen Betriebsmodell vorgegeben werden soll und zum Beispiel etwa bei einer Hälfte der möglichen maximalen Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 liegt.
  • Der Lambdaregelungsblock 20 stellt abhängig von einem von dem Füllstandsregler 22 vorgegebenen Lambdakorrektur Δλkorr als Stellgröße eine Kraftstoffmengenkorrekturgröße rkorr bereit, die in einem Einspritzmengenberechnungsmodell eines Einspritzmengenberechnungsblocks 29, das ebenfalls in der Steuereinheit 15 ausgeführt wird und eine einzuspritzende Kraftstoffmenge r berechnet, in geeigneter Weise, insbesondere durch Addition, berücksichtigt wird.
  • Da der Füllstand θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 nicht gemessen werden kann, wird dieser mithilfe eines Streckenmodells in einem Streckenmodellblock 21 modelliert. Das Streckenmodell umfasst in der Regel ein Eingangsemissionsmodell, ein Katalysatormodell, das aus einem Füllungsmodell und einem Emissionsmodell besteht, und ein Ausgangsemissionsmodell. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell einen Algorithmus zur Berechnung eines mittleren Füllstands θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 auf.
  • Die obigen Modelle sind jeweils Algorithmen, die in der Steuereinheit 15 ausgeführt werden. Das Eingangsemissionsmodell dient dazu, den stromaufwärtigen Lambdawert λE des stromaufwärtigen Abgassensors 9 in Eingangsgrößen zu konvertieren, die zum Beispiel Konzentrationen von O2, CO, H2 und HC im Bereich des stromaufwärtigen Abgassensors 8 darstellen. Aus den durch das Eingangsemissionsmodell berechneten Größen werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell ein Füllstand θmod der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 und Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten ausgangsseitig/stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 modelliert. Das Ausgangs-Lambdamodell konvertiert die mit dem Katalysatormodell berechneten Konzentrationen der einzelnen Abgaskomponenten stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 für die Adaption des Streckenmodells in einem modellierten ausgangsseitigen Lambdawert λA,mod, das einem Lambdawert stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entsprechen soll. Das Streckenmodell kann damit zum einen zur Modellierung wenigstens eines modellierten mittleren Füllstands θmod der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 und zum anderen zum Bereitstellen eines modellierten stromabwärtigen Lambdawerts λA,mod dienen.
  • Der Füllstands-Sollwert θset wird mithilfe eines Sollwertfilters 23 vorgefiltert. Mit dem vorgefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt als Führungsgröße werden nun zum einen eine Vorsteuerung und zum anderen eine Füllungsregelung angesteuert. Die Lambdaregelung basiert im Wesentlichen auf dem Ergebnis der Füllungsregelung, bei der ein gefilterter Füllstands-Sollwert θset,filt vorgegeben wird. Die Füllungsregelung basiert auf einem Unterschied, insbesondere einer Differenz zwischen dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt und dem modellierten mittleren Füllstands θmod, die in einem Differenzglied 25 ermittelt wird. Die Füllungsregelung kann mithilfe des Füllstandsreglers 22, der insbesondere als Pl-Regler ausgebildet sein kann, durchgeführt werden und gibt als Stellgröße die Lambdakorrektur Δλkorr aus. Dadurch wird der mithilfe des Streckenmodells modellierte mittlere Füllstand θmod auf den Füllstands-Sollwert θset eingeregelt, der die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen nach mager und fett, d. h. die Wahrscheinlichkeit eines Verlassens des Katalysatorfensters, minimiert und so zu minimalen Emissionen führt.
  • Die Vorsteuerung erfolgt in einem Vorsteuerungsblock 24, der einen Vorsteuerungslambdawert λvst abhängig von dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt bereitstellt. Zur Berechnung desjenigen Vorsteuerungslambdawerts λvst, der dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt entspricht, enthält der Vorsteuerungsblock 24 ein physikalisches Modell, das einem zu dem Streckenmodell inversen Streckenmodell entspricht, d.h. einem Modell, dass einen vorgegebenen Füllstand einem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert zuweist.
  • Ist das stromaufwärtige Lambdasignal λE durch einen Offset verfälscht, so wird ein Lambda-Offsetwert Δλoff im Vorsteuerungslambdawert λvst berücksichtigt, insbesondere indem der Lambda-Offsetwert Δλoff zu einem vorläufigen Vorsteuerungslambdawert λvst addiert wird.
  • Während das Streckenmodell den stromaufwärtigen Lambdawert λE vor der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 in einen modellierten (mittleren) Sauerstoff-Füllstand θmod der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 umrechnet, rechnet das inverse Streckenmodell des Vorsteuerungsblocks 24 den gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt in einen entsprechenden Sollwert für den stromaufwärtigen Lambdawert λE (vorläufiger Vorsteuerungslambdawert λ'vst) um.
  • Vorzugsweise wird zum Erstellen des inversen Streckenmodells das Streckenmodell des Streckenmodellblocks 21 analytisch invertiert. Bei einer üblichen Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 handelt es sich allerdings um eine komplexe, nichtlineare Strecke mit zeitvarianten Streckenparametern, die in der Regel nur durch ein nichtlineares Differentialgleichungssystem dargestellt werden kann. Dies führt typischerweise dazu, dass sich das Gleichungssystem für das invertierte Streckenmodell nicht analytisch lösen lässt.
  • Deshalb kann als Alternative zur analytischen Invertierung des Streckenmodells eine numerische Invertierung des Streckenmodells vorgesehen sein. Diese basiert darauf, dass dem bestehenden Streckenmodell iterativ ein stromaufwärtiger Lambdawert vorgegeben wird, um mithilfe des Streckenmodells einen entsprechenden Wert für den mittleren Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 zu erhalten, der dem gewünschten Füllstands-Sollwert θset bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt entspricht. Ist dieser Modellwert mit dem Füllstands-Sollwert θset bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt identisch, so ist der iterativ vorgegebene stromaufwärtige Lambdawert der Wert, mit dem vorgesteuert werden muss, um den Füllstands-Sollwert zu erreichen.
  • Zur Umsetzung wird deshalb ein zweites Streckenmodell (Kopie) mit identischen Parametern und initial identischen Zustandsvariablen vorgegeben und solange mit variablen stromaufwärtigen Lambdawerten iteriert, bis die Differenz zwischen dem Ist-Füllstand, der durch das zweite Streckenmodell berechnet wird, und dem gewünschten Füllstands-Sollwert θset bzw. dem gefilterten Füllstands-Sollwert θset,filt betragsmäßig ausreichend klein ist, um eine durch die Iteration geforderte Genauigkeit der Vorsteuerung zu erreichen. Der so gefundene Wert für den stromaufwärtigen Lambdawert wird als vorläufiger Vorsteuerungslambdawert λ'vst verwendet.
  • Der Vorsteuerungslambdawert λvst des Vorsteuerungsblocks 24 und die Lambdakorrektur Δλkorr des Füllstandsregeler 22 werden in einem Summierglied 26 summiert und das Summensignal stellt den Soll-Lambdawert λsoll für den stromaufwärtigen Lambdawert dar.
  • Da die Eingangsgrößen des Streckenmodells mit Unsicherheiten behaftet sein können, und auch das Streckenmodell ungenau sein kann, kann es zu Abweichungen zwischen den mithilfe des Streckenmodells modellierten Größen des Füllstands θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 und den entsprechenden realen Größen kommen. Zum Ausgleich der Unsicherheiten kann die modellbasierte Regelung des Füllstandes θ der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 entsprechend adaptiert werden. Die Adaption kann beispielsweise durch Eingriff in die Füllungsregelung und/oder in die Vorsteuerung erfolgen.
  • Die Adaption erfolgt bei Vorliegen geeigneter Betriebsbedingungen basierend auf einer Abweichung zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten stromabwärtigen Lambdawert λA,mod und dem gemessenen stromabwärtigen Lambdawert λA. Adaptionsbedarf besteht dann, wenn die beiden Werte sich unterscheiden, insbesondere um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert. Insbesondere kann die Adaption inkrementell durchgeführt werden, solange eine Abweichung zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten stromabwärtigen Lambdawert λA,mod und dem gemessenen stromabwärtigen Lambdawert λA besteht.
  • Es ist vorteilhaft, den Soll-Lambdawert λsoll für den stromaufwärtigen Lambdawert und den gefilterten Soll-Füllstand mit einem Lambda-Offsetwert Δλoff zu korrigieren, der ein Maß für den Adaptionsbedarf darstellt. Dieses Maß für den Adaptionsbedarf ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem mithilfe des Streckenmodells modellierten stromabwärtigen Lambdawerts λA,mod und dem gemessenen stromabwärtigen Lambdawert λA, insbesondere als deren Differenz als Lambda-Offsetwert Δλoff.
  • Durch die Korrektur des Soll-Lambdawerts λsoll für den stromaufwärtigen Lambdawert kann die Lambdaregelung unmittelbar auf Änderungen des Lambda-Offsetwerts Δλoff reagieren.
  • Es ist vorteilhaft, das Maß für den Adaptionsbedarf, d.h. eine Differenz aus dem modellierten stromabwärtigen Lambdawert λA,mod und dem gemessenen stromabwärtigen Lambdawert λA, mithilfe eines Filters in einem Adaptionsblock 27 zu glätten, um den Lambda-Offsetwert Δλoff zu erhalten. Das Filter kann beispielsweise als PT1-Filter ausgebildet sein und eine betriebspunktabhängige Zeitkonstante aufweisen, die z.B. aus einem entsprechenden parametrisierbaren Kennfeld entnommen werden kann. Dem Filter kann optional ein Integrator nachgeschaltet sein, um langfristige Effekte zu berücksichtigen. Im eingeschwungenen Zustand entspricht das gefilterte Signal der Adaptionsgröße, d.h. dem Lambda-Offsetwert Δλoff und durch die Unsicherheiten des stromaufwärtigen Lambdawerts und die Ungenauigkeiten des Streckenmodells, also genau dem Adaptionsbedarf.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Filterung in dem Adaptionsblock 27 nur dann erfolgt, wenn geeignete Einschaltbedingungen vorliegen. Um Ungenauigkeiten schnell kompensieren zu können, kann daher vorgesehen sein, das Filter unter wenig restriktiven Bedingungen eine Adaption durchführen zu lassen, insbesondere immer dann, wenn ein stöchiometrisches Gemisch angefordert wird und wenn von dem stromabwärtigen Abgassensor ein Abgaslambda im Bereich von 1 angezeigt wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass eine Adaption nur dann durchgeführt wird, wenn das Signal des stromabwärtigen Abgassensors 10 zuverlässig ist.
  • Während des Betriebs des Motorsystems 1 werden die Werte der Adaptionsgröße in einem Adaptionswertspeicher 30 betriebspunktabhängig gespeichert bzw. korrigiert und aktualisiert. Betriebspunkte werden dabei durch einen, mehrere oder alle der folgenden Parameter bestimmt: Last, Motordrehzahl und Motortemperatur. Diese werden durch die Steuereinheit 15 bereitgestellt. Um die Adaptionsgröße in einem Adaptionsgrößen-Kennfeld zu speichern kann vorgesehen sein, die Betriebspunkte Betriebsbereichen zuzuordnen, beispielsweise in äquidistante Bereiche der Last, der Motordrehzahl, der Motortemperatur und dergleichen. Je nach Betriebsbereich, in dem sich der Betrieb des Verbrennungsmotors während einer Adaption befindet, wird ein entsprechender zugeordneter Adaptionswert durch den neuen Adaptionswert überschrieben oder abhängig von dem neu ermittelten Adaptionswert angepasst, z.B. durch gewichtete Beaufschlagung mit dem Abstand zwischen vorherigen und neuem Adaptionswert. Dadurch ist es möglich, die Adaption der Lambdaregelung durch betriebspunktabhängiges Abrufen der jeweiligen Adaptionsgröße durchzuführen, um sofort Ungenauigkeiten zu kompensieren, ohne dass zuvor eine erneute Adaption durchgeführt werden muss. Dadurch kann eine Totzeit bei der Nutzung der Adaptionsgröße vermieden werden, die sich aus der Regelstrecke zwischen Einspritzung und Messung des stromabwärtigen Lambdawerts ergibt.
  • Die Steuereinheit 15 kann weiterhin die in dem Adaptionswertspeicher 30 gespeicherten Adaptionswerte auf einen systematischen Fehler untersuchen. Dieser ist erkennbar, wenn die Adaptionswerte einen Mittelwert aufweisen, der einen Adaptionsgrößenoffset für alle Betriebspunkte darstellt. Insbesondere kann ein Mittelwert der Adaptionsgrößen, die für die verschiedenen Betriebsbereiche gespeichert sind, als Offset für den stromaufwärtigen Abgassensor angesehen werden, da dieser betriebspunktunabhängig wirkt. Ein solcher Fehler kann weiterhin auf ein Leck in dem Abgasabführungssystem 5 hinweisen. Von diesem Mittelwert der Adaptionsgröße abweichende Adaptionsgrößendifferenzen sind dagegen eher Modellungenauigkeiten des Füllungsmodells zuzuschreiben.
  • Durch einen Selbstabgleichblock 31, der einen Selbstabgleich des Abgassensors 9 ausführt, insbesondere einen UEGO-Selbstabgleich bei einer Breitband-Lambdasonde als Abgassensor 9, kann der stromaufwärtige Lambdawert direkt um den Abgassensoroffsetwert korrigiert werden.
  • Das Durchführen eines Selbstabgleichs bei Abgassensoren ist allgemein bekannt. Als Beispiel kann eine Breitbandlambdasonde ein keramisches Sensorelement aufweisen, das eine elektrochemische Pumpzelle, eine elektrochemische Nernstzelle, eine Diffusionsbarriere und einen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum kommuniziert über die Diffusionsbarriere mit einem Abgas. Die elektrochemische Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode, die dem Abgas unmittelbar ausgesetzt ist, eine innere Pumpelektrode, die in dem Hohlraum angeordnet ist, und einen zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode angeordneten ersten Festelektrolyten auf. Die elektrochemische Nernstzelle weist eine Nernstelektrode, die in dem Hohlraum angeordnet ist, eine Referenzelektrode, die in einem Referenzgasraum angeordnet ist, und einen zwischen der Nernstelektrode und der Referenzelektrode angeordneten zweiten Festelektrolyten auf. Zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode ist eine Pumpspannung anlegbar, sodass ein Pumpstrom fließt, wobei zwischen der Nernstelektrode und der Referenzelektrode eine Nernstspannung messbar ist. Der Selbstabgleich sieht vor, dass die Nernstspannung der elektrochemischen Nernstzelle auf einen vorgegebenen Sollwert durch Stellen einer Pumpspannung und/oder des Pumpstroms einer elektrochemischen Pumpzelle geregelt wird, und der korrigierte Pumpstrom aus dem Pumpstrom und einem hinterlegten Wert des Offsetstroms ermittelt wird, wobei der korrigierte Pumpstrom ein Maß für den Lambdawert des Abgases darstellt. Der hinterlegte Wert des Offsetstroms dient dem Selbstabgleich und entspricht dem Abgassensoroffset. Der Offsetstrom wird ermittelt, indem eine Vergleichsspannung bestimmt wird, die entweder durch eine Pumpspannung oder durch die Spannung zwischen einer der Pumpelektroden und der Referenzelektrode gegeben ist, eine Pumpstromdifferenz aus dem Pumpstrom und einem aus der Vergleichsspannung abgeleiteten Vergleichsstrom ermittelt wird; und der Wert des Offsetstroms auf Basis der Pumpstromdifferenz aktualisiert wird.
  • Um eine Mehrfachkompensation des Offsets des Abgassensors 9 zu vermeiden, muss dieser Abgassensoroffset bei jeder Anpassung jedoch auch in dem Adaptionsgrößen-Kennfeld für alle Einträge korrigiert werden. Dazu wird jede der betriebspunktabhängig gespeicherten Werte der Adaptionsgröße der mithilfe des Selbstabgleichs bestimmten Abgassensoroffsetwerts beaufschlagt, insbesondere subtrahiert, um eine bereits erfolgte Kompensation des Offsets des Abgassensors 9 nicht auch durch die Adaptionsgröße korrigieren zu lassen.
  • Ein systematischer Fehler kann jedoch neben einem Abgassensoroffset des Abgassensors auch weitere Ursachen haben. Liegt selbst nach der Korrektur durch den Abgassensoroffset mithilfe des Selbstabgleichs ein Wert der mittleren Adaptionsgröße von ungleich 0 vor, so kann dies auf ein Leck im Abgasabführungssystem 5 hinweisen oder auf einen anderen Fehler, der eine systematische Änderung der Adaptionsgröße bewirkt.
  • Um Störungen der Füllungsregelung, insbesondere Aufschwingung der Regelung zu vermeiden, kann bei einer Änderung des durch den Selbstabgleich gefundenen Abgassensoroffset diese insbesondere mithilfe eines zeitlichen Filters auf die Adaptionsgröße beaufschlagt werden, so dass beispielsweise die Werte der Adaptionsgröße in dem Adaptionsgrößen-Kennfeld rampenartig dahingehend korrigiert werden, dass die Werte der Adaptionsgröße den Abgassensoroffset des Abgassensors 9 nach einer bestimmten Übergangszeit berücksichtigen.
  • Die nach dieser Korrektur verbleibende Differenz zwischen den Werten der Adaptionsgröße und dem von dem Selbstabgleich ermittelten Abgassensoroffsetwert des Abgassensors werden als Fuel-Trim-Werte interpretiert. Ein jeweiliger Fuel-Trim-Wert steht für die verschiedenen Betriebsbereiche in dem Adaptionsgrößen-Kennfeld zur Verfügung und dient einer separaten Diagnosefunktion, so dass eine Trennung zwischen dem durch den Selbstabgleich bestimmten Abgassensoroffsetwert des Abgassensors 9 und einem Fuel-Trim-Fehler erfolgt und damit eine robuste Diagnose von Fehlern im Abgassystem ermöglicht wird. Die Adaption der Füllungsregelung kann aufgrund der Entkopplung von den Diagnosen quasi kontinuierlich aktiv sein und unterstützt damit besser als bisher eine wesentliche Anforderung der Onboard-Diagnose-Vorgaben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19606652 B4 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) in einem Abgasabführungssystem (5), mit folgenden Schritten: - Durchführen einer Füllungsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln, wobei als Stellgröße ein Lambda-Sollwert für eine Lambdaregelung vorgegeben wird; - Adaptieren der Füllungsregelung mithilfe einer Adaptionsgröße, die einen Korrekturwert für den Lambda-Sollwert angibt, - Speichern eines Adaptionswerts abhängig von einem Betriebsbereich des Motorsystems, wobei der entsprechende Adaptionswert mit dem Wert der Adaptionsgröße für den momentanen Betriebsbereich aktualisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Betreiben des Verbrennungsmotors die Füllungsregelung abhängig von dem für den Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zugeordneten gespeicherten Adaptionswert adaptiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Adaptieren der Füllungsregelung kontinuierlich durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Betriebsbereich abhängig von einer oder mehreren der folgenden Größen angegeben wird: Last, Motordrehzahl und Motortemperatur.
  5. Verfahren zur Diagnose von Komponenten eines Abgasabführungssystems, mit folgenden Schritten: - Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4; - Zuordnen eines Fehlers im Abgasabführungssystem abhängig von den zu den Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors gespeicherten Adaptionswerten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei für ein stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneter Abgassensor ein Selbstabgleich durchgeführt wird, um einen Abgassensoroffsetwert zu erhalten, mit dem der der Lambdaregelung bereitgestellte Lambdawert korrigiert wird, wobei die zu den Betriebsbereichen gespeicherten Adaptionswerte abhängig von dem Abgassensoroffsetwert korrigiert werden, um jeweilige Fuel-Trim-Werte zu erhalten, die als verbleibende Adaptionswerte für die Füllungsregelung verwendet werden, wobei ein systematischer Fehler im Abgasabführungssystem erkannt wird, wenn ein Mittelwert der Fuel-Trim-Werte größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und/oder wobei eine Modellungenauigkeit eines Füllungsmodells, das der Füllungsregelung zugrunde liegt, erkannt wird, wenn ein Abweichungsmaß der Adaptionswerte von einem Mittelwert der Adaptionswerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
  7. Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (15), zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (8), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum: - Durchführen einer Füllungsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln, wobei als Stellgröße ein Lambda-Sollwert für eine Lambdaregelung vorgegeben wird; - Adaptieren der Füllungsregelung mithilfe einer Adaptionsgröße, die einen Korrekturwert für den Lambda-Sollwert angibt, - Speichern eines Adaptionswerts abhängig von einem Betriebsbereich des Motorsystems, wobei der entsprechende Adaptionswert mit dem Wert der Adaptionsgröße für den momentanen Betriebsbereich aktualisiert wird.
  8. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit, insbesondere einer mobilen Recheneinheit, ausgeführt wird.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 8.
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