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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der Patentansprüche.
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Wie allgemein bekannt, erfolgt die Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine in Verbindung mit Katalysatoren. Ein Katalysator ist hinsichtlich seiner Wirksamkeit zu überwachen. Insbesondere umfasst ein Katalysator einen Sauerstoffspeicher. Hierzu wird in der Regel Ceroxid verwendet. Wie bekannt, korreliert die aktuelle Größe des Sauerstoffspeichers mit der aktuellen Katalysatoraktivität/-wirksamkeit und somit mit den Abgasemissionen, d. h. den letztendlich von der Brennkraftmaschine trotz Abgasnachbehandlung abgegebenen Schadstoffen. Anders gesagt, korrelieren Sauerstoffspeicherfähigkeit und Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators. Dieser Zusammenhang wird zur Überwachung bzw. Diagnose eines Katalysators verwendet.
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Weiterhin ist es Stand der Technik, eine so genannte Trimmregelung bei einem Katalysator einzusetzen. Ziel dieser Regelung ist es, das Verbrennungsluftverhältnis, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, derart einzustellen, dass sich stromabwärts des Katalysators eine bestimmte Abgaszusammensetzung ergibt. Hierzu wird ein Sollwert vorgegeben, der mit dem Istwert einer stromabwärts des Katalysators in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde verglichen wird. In Abhängigkeit dieses Vergleichs wird mittels eines Reglers eine Größe gebildet, welche wiederum auf das einen Istwert der übergeordneten Lambdaregelung repräsentierende Signal einer in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde einwirkt, so dass sich eine kaskadierte Regelung ergibt. Somit können Ungenauigkeiten der stromaufwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde ausgeglichen werden. Außerdem ist es so möglich, mit zunehmendem Alter des Katalysators, durch Verändern des Sollwertes des Trimmreglers sich ändernde Reaktionsgeschwindigkeiten einzelner Abgasspezies am Katalysator auszugleichen.
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Darüber hinaus ist es gemäß dem Dokument
DE 10 2014 013 690 A1 bekannt, mittels eines chemisch-physikalischen Modells eines Katalysators in Verbindung mit einem Modell einer stromabwärts des Katalysators in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde eine Alterungskenngröße des Katalysators zu berechnen und aufbauend darauf den Katalysator zu überwachen. Insbesondere wird dazu ein Schätzwert für ein Ausgangssignal der genannten Lambdasonde mit dem tatsächlichen Ausgangssignal dieser Sonde verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses mittels eines iterativen/rekursiven Rechenalgorithmus die Alterungskenngröße bestimmt.
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Außerdem ist gemäß dem Dokument
DE 10 2018 218 051 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, der eine Abgasanlage aufweist, in der eine erste Abgasreinigungskomponente und eine zweite Abgasreinigungskomponente angeordnet ist, und die eine Einmündung aufweist, über die Sekundärluft in die Abgasanlage einblasbar ist. Das Verfahren zeichnet sich 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.
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Ferner ist gemäß dem Dokument
DE 10 2018 207 703 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung mit folgenden Schritten bekannt:
- - Durchführen einer Füllstandsregelung, um einen Füllstand der Abgasnachbehandlungseinrichtung abhängig von einem vorgegebenen Füllstands-Sollwert zu regeln,
- - Betreiben einer Vorsteuerung für die Füllstandsregelung,
- - Adaptieren der Vorsteuerung abhängig von einer Abweichung zwischen einem gemessenen Lambdawert und einem modellierten Lambdawert.
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Zudem ist gemäß dem Dokument
DE 10 2007 019 649 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, bei welchem einem Modell zum Bestimmen einer Abgaszusammensetzung, insbesondere einem NOx-Modell, Angaben über die Zusammensetzung eines Gasgemisches im Brennraum während einer Verbrennung, die Verweildauer des Gasgemisches im Brennraum und einen während einer Verbrennung im Brennraum indizierten Brennraumdruck zugeführt werden, um Abgasbestandteile, insbesondere eine Stickoxid-Rohemission, zu bestimmen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik betreffend die Diagnose eines Katalysators und eine dazugehörige Lambdaregelung im Hinblick auf die sich weiter verschärfenden Abgasgrenzwerte zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und eine Darstellung der erreichten Vorteile sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Grundlage des vorliegenden erfindungsgemäßen Ansatzes ist eine allgemein bekannte Brennkraftmaschine mit einem Katalysator und einer stromabwärts des Katalysators in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde und einer stromaufwärts des Katalysators in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde (nicht gezeigt). Insbesondere handelt es sich um einen Ottomotor mit einem Drei-Wege-Katalysator. Eine solche Brennkraftmaschine ist hinreichend bekannt, beispielsweise aus dem eingangs genannten Dokument
DE 10 2014 013 690 A1 .
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Wie in 1 gezeigt, ist erfindungsgemäß ein erstes (chemisch-physikalisches) Modell 1 eines Katalysators vorgesehen. Das erste Modell 1 repräsentiert die Funktionsweise des Katalysators ohne einen Sauerstoffspeicher, also insbesondere die am Katalysator allein in Gegenwart des Abgases der Brennkraftmaschine ablaufenden chemischen Reaktionen. D. h. nicht, dass im Zusammenhang mit der Abbildung des Katalysators mittels des ersten Modells 1 dieser Katalysator keinen Sauerstoffspeicher aufweist, also insbesondere kein Ceroxid (CeO2, Ce2O3) umfasst. Vielmehr ist der vorhandene Sauerstoffspeicher nicht aktiv, d. h. nicht wirksam, da die Temperatur des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers oder des Abgases noch nicht die Schwelle erreicht oder überschritten hat, ab der der Sauerstoffspeicher aktiv ist. D. h. auch für den Sauerstoffspeicher gibt es „Light-Off-Temperaturen“. Für einen neuen Katalysator beträgt die Aktivierungstemperatur rund 360°C. Bei einem gealterten Katalysator („ADP-Kat“) beträgt die Aktivierungstemperatur rund 450°C bis 550°C. Jedenfalls steigt mit zunehmendem Alter des Abgaskonverters die Aktivierungstemperatur des Sauerstoffspeichers an.
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Mittels des ersten Modells 1 wird erfindungsgemäß die trotz des inaktiven Sauerstoffspeichers stattfindende Abgasreinigung bzw. werden die dennoch erfolgenden Schadstoffumsätze/chemischen Reaktionen am Katalysator beschrieben. Diese trotz nicht aktivem Sauerstoffspeicher erfolgenden Reaktionen beruhen insbesondere auf dem direkten Transport von Sauerstoff von Reduktionsreaktionen zu Oxidationsreaktionen. D. h. mittels des ersten Modells 1 erfolgt in dem Betriebsbereich/während des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit inaktivem Sauerstoffspeicher des Abgaskonverters eine Nachbildung der (vereinfachten) dann vorliegenden Arbeits-/Wirkungsweise des Abgaskonverters, nämlich anhand von wenigen Pfaden bzw. einer geringen Anzahl grundlegender chemischer Reaktionen. So sind die Wassergas-Shift-Reaktion, die Dampf-Reformierung und die Stickstoffoxid-Reduktion grundlegende Reaktionen betreffend die Abgasreinigung, die ohne einen aktiven Sauerstoffspeicher, also (überwiegend) in Verbindung mit Gasphasensauerstoff am Katalysator ablaufen.
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Wie in 2 gezeigt, kommt es ohne einen (aktiven) Sauerstoffspeicher (also ohne gespeicherten Sauerstoff) mit der Wassergas-Shift-Reaktion und der Dampf-Reformierung zur Oxidation von Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenwasserstoffen CnHm zu Kohlenstoffdioxid CO2. Das hierfür erforderliche (gasförmige) Wasser H2O ist im Abgas ausreichend vorhanden. Platin oder Palladium als Katalysator setzen die Temperaturschwelle zur Aktivierung herab. Bei beiden Reaktionen entsteht als Nebenprodukt Wasserstoff H2. Die Reduktion von Stickstoffoxiden erfolgt durch Kohlenstoffmonoxid CO zu Stickstoff N2. Rhodium setzt die Temperaturschwelle zur Aktivierung herab.
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Anders formuliert - die Arbeitsweise des Abgaskonverters ohne aktiven Sauerstoffspeicher kann vereinfacht durch drei Pfade beschrieben werden: die Wassergas-Shift-Reaktion zur Oxidation von CO, die Dampf-Reformierung zur Oxidation von HC (CnHm) und die Reduktion von NOx. Durch Katalysatoren - heute meistens Palladium und Rhodium - wird die Aktivierungstemperatur für die Oxidationen und Reduktionen herabgesetzt. Die Oxidationen von CO und CnHm erfordern Wasserdampf, der im Abgas zu etwa 12% enthalten ist (73% N2, 15% CO2, 12% H2O). Und sie erzeugen Wasserstoff H2.
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Eingangsgrößen des ersten Modells 1 sind folglich die Rohemissionen der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist ein Rohemissionsmodell vorgesehen (nicht gezeigt), welches Massenströme bzw. Konzentrationen der Abgasspezies/Abgasbestandteile als Eingangsgrößen des ersten Modells 1 (Reaktanten) bereitstellt (CO, CnHm, NOx, O2, H2O bzw. dmCO/dt, dmCnHm/dt, dmNOx/dt, demO2/dt, dm/H2Odt). Eingangsgrößen des Rohemissionsmodells sind insbesondere die Brennkraftmaschinendrehzahl, die Brennkraftmaschinenlast, Mischungsverhältnis Luft zu Kraftstoff (Verbrennungsluftverhältnis, Lambda) und so weiter, siehe hierzu auch
DE 10 2014 013 690 A1 .
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Weiterhin wird dem ersten Modell 1 auch eine Information über die Temperatur T des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers oder des Abgases zugeführt (siehe 1). In Abhängigkeit dieser Information erfolgt in einer bevorzugten Ausführung eine Beeinflussung der geringen Anzahl grundlegender chemischer Reaktionen gemäß dem ersten Modell 1 hinsichtlich des Einflusses der Temperatur auf die verwendeten/anwesenden Katalysatoren bzw. Beschichtungen (Platin, Palladium, Rhodium) und somit des letztendlichen Einflusses der Katalysatoren auf die grundlegenden chemischen Reaktionen (Wassergas-Shift-Reaktion, die Dampf-Reformierung und die Stickstoffoxid-Reduktion). D. h. anhand dieser Information (Temperatur T) wird die Abhängigkeit der Wirksamkeit/Konvertierungsleistung des jeweiligen Katalysators von der Temperatur T abgebildet und bei den ablaufenden/modellierten chemischen Reaktionen berücksichtigt. Die Temperatur T kann modelliert oder gemessen sein. Darüber hinaus können weitere, den Betrieb der Brennkraftmaschine kennzeichnende Größen Eingänge des ersten Modells sein, wie insbesondere das jeweils aktuelle Verbrennungsluftverhältnis.
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Im Ergebnis stehen jetzt am Ausgang des ersten Modells 1 die mittels des ersten Modells 1 bestimmten Konzentrationen oder Massenströme der Abgasanteile/Abgasbestandteile stromab des betrachteten Katalysators, also insbesondere die Konzentrationen der Reaktionsprodukte CO2, H2, N2, H2O und auch die Konzentrationen der nicht umgesetzten Abgasanteile (Abgasspezies, Schadstoffbestandteile) CO, CnHm, NOx für eine weitere Bearbeitung zur Verfügung.
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Wie in 1 gezeigt, ist erfindungsgemäß weiterhin ein zweites (chemisch-physikalisches) Modell 2 eines Katalysators vorgesehen. Das zweite Modell 2 repräsentiert die Funktionsweise des Katalysators mit einem Sauerstoffspeicher, also insbesondere die am Katalysator in Gegenwart des Abgases der Brennkraftmaschine und (zunächst) gespeichertem (und dann aus dem Sauerstoffspeicher freigesetztem) Sauerstoff ablaufenden chemischen Reaktionen. D. h. im Zusammenhang mit der Abbildung des Katalysators mittels des zweiten Modells 2 weist der Katalysator einen Sauerstoffspeicher auf, der insbesondere Ceroxid (CeO2, Ce2O3) umfasst, wobei der vorhandene Sauerstoffspeicher aktiv ist, d. h. wirksam ist, da die Temperatur des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers oder des Abgases die Schwelle erreicht oder überschritten hat, ab der der Sauerstoffspeicher aktiv ist.
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Wie in 3 gezeigt, kommt es mit einem aktiven Sauerstoffspeicher (gemäß dem zweiten Modell 2) zu folgenden Reaktionen. Existiert ein Sauerstoffspeicher, d. h. ist dieser aktiv, wirkt der Sauerstoffspeicher (scheinbar) puffernd auf Oxidationen und Reduktionen. Tatsächlich laufen die Reaktionen derart ab, dass Kohlenstoffmonoxid CO an dem Katalysator Palladium adsorbiert wird. Dort kommt es zur katalytischen Oxidation, wodurch Kohlenstoffdioxid CO2 abgeschieden wird. Entweder aus dem Abgas während einer Schubphase oder aus dem Sauerstoffspeicher (CeO2 = voller Speicher, Ce2O3 = leerer Speicher) wird zusammen mit dem Katalysator wieder Oxidationsmittel (Sauerstoff O2) bereitgestellt und der Prozess beginnt erneut. Der Sauerstoff O2 wird aber auch verwendet, um Wasser H2O am Katalysator zu adsorbieren. Hierbei lagern sich Wassermoleküle in den Speicher ein, spalten sich auf und geben Wasserstoff H2 ab (Reduktion). Der Sauerstoff 02 im Sauerstoffspeicher kommt also - wenn nicht gerade eine Schubphase vorgelegen hat - aus dem Wasserdampf des Abgases. Der Sauerstoff O2 kann nun wieder zur Oxidation von CO eingesetzt werden. Konkurrierend dazu wird vom Rhodium aber auch NOx adsorbiert, wodurch unter Abgabe von N2 Sauerstoffspeicherplätze mit Sauerstoff 02 belegt werden. Diese Abläufe sind allgemein bekannt. Im praktischen Betrieb finden gleichzeitig (also auch bei aktivem Sauerstoffspeicher) natürlich an den jeweiligen Katalysatoren (insbesondere Rhodium, Platin, Palladium) auch Reaktionen mit Gasphasensauerstoff statt, also die Wassergas-Shift-Reaktion, die Dampf-Reformierung und die Stickstoffoxid-Reduktion, wie im Zusammenhang mit dem ersten Modell 1 beschrieben. D. h. es erfolgen gemäß dem zweiten Modell 2 die allgemein bekannten Abgasreaktionen an einem Dreiwegekatalysator in Verbindung mit einer Lambdaregelung, nämlich Oxidationsreaktionen (CO+O2->CO2; H2+O2<->H2O; CnHm+O2->CO2+H2O), Reduktionsreaktionen (NO2<->NO+O2; NO+H2->N2+H2O; NO+CO->N2+CO2) und Reformier-/Shiftreaktionen (CO+H2O<->CO2+H2; CH+H2O->CO+H2). D. h. das zweite Modell 2 weist zur (umfassenden) Nachbildung der Arbeits-/Wirkungsweise des Abgaskonverters (mit aktivem Sauerstoffspeicher) insbesondere auch die geringe Anzahl grundlegender chemischer Reaktionen betreffend die Abgasreinigung entsprechend dem ersten Modell 1 auf, also die Wassergas-Shift-Reaktion, die Dampf-Reformierung und die Stickstoffoxid-Reduktion, die in Verbindung mit Gasphasensauerstoff am Katalysator ablaufen, auch wenn diese bei aktivem Sauerstoffspeicher nur eine vergleichsweise geringe Rolle spielen. Mit noch anderen Worten - das zweite Modell 2 erweitert/ergänzt bevorzugt das erste Modell 1 hinsichtlich der am Katalysator in Gegenwart des Abgases der Brennkraftmaschine und (zunächst) gespeichertem (und dann aus dem Sauerstoffspeicher freigesetztem) Sauerstoff ablaufenden chemischen Reaktionen. Das zweite Modell 2 baut somit gewissermaßen auf dem ersten Modell 1 auf.
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Eingangsgrößen des zweiten Modells 2 sind somit ebenfalls die Rohemissionen der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist ein Rohemissionsmodell vorgesehen (nicht gezeigt), welches Massenströme bzw. Konzentrationen der Abgasspezies/Abgasbestandteile als Eingangsgrößen des zweiten Modells 2 (Reaktanten) bereitstellt (CO, CnHm, NOx, O2, H2O bzw. dmCO/dt, dmCnHm/dt, dmNOx/dt, demO2/dt, dm/H2Odt). Eingangsgrößen des Rohemissionsmodells sind insbesondere die Brennkraftmaschinendrehzahl, die Brennkraftmaschinenlast, Mischungsverhältnis Luft zu Kraftstoff (Verbrennungsluftverhältnis, Lambda) und so weiter („den Betrieb der Brennkraftmaschine kennzeichnende Größen“), siehe hierzu auch
DE 10 2014 013 690 A1 .
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Weiterhin wird dem zweiten Modell 2 auch eine Information über die Temperatur T des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers oder des Abgases zugeführt. In Abhängigkeit dieser Information erfolgt in einer bevorzugten Ausführung eine Beeinflussung der chemischen Reaktionen gemäß dem zweiten Modell 2 hinsichtlich des Einflusses der Temperatur auf die verwendeten/anwesenden Katalysatoren bzw. Beschichtungen (Platin, Palladium, Rhodium) und somit des letztendlichen Einflusses der Katalysatoren auf die chemischen Reaktionen. D. h. anhand dieser Information (Temperatur T) wird die Abhängigkeit der Wirksamkeit/Konvertierungsleistung des jeweiligen Katalysators von der Temperatur T abgebildet und bei den ablaufenden/modellierten chemischen Reaktionen berücksichtigt. Die Temperatur T kann modelliert oder gemessen sein. Darüber hinaus können weitere, den Betrieb der Brennkraftmaschine kennzeichnende Größen Eingänge des ersten Modells sein, wie insbesondere das jeweils aktuelle Verbrennungsluftverhältnis.
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Im Ergebnis stehen jetzt am Ausgang des zweiten Modells 2 die mittels des zweiten Modells 2 bestimmten Konzentrationen oder Massenströme der Abgasanteile stromab des betrachteten Katalysators, also insbesondere die Konzentrationen der Reaktionsprodukte CO2, H2, N2, H2O und auch die Konzentrationen der nicht umgesetzten Abgasanteile (Abgasspezies, Schadstoffbestandteile) CO, CnHm, NOx für eine weitere Bearbeitung zur Verfügung.
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Solange der Sauerstoffspeicher aktiv ist, also die Temperatur T des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers oder des Abgases ausreichend hoch ist, so dass die Temperatur des Sauerstoffspeichers über seiner „Light-Off“-Temperatur liegt, überwiegt die umgesetzte Menge der Schadstoffe bzw. der schädlichen Abgasbestandteile gemäß dem zweiten Modell 2 bzw. gemäß den dann im Wesentlichen in Verbindung mit aus dem Sauerstoffspeicher freigesetztem Sauerstoff am Katalysator erfolgenden chemischen Reaktionen bei weitem die (direkt) umgesetzte Menge der Schadstoffe gemäß dem ersten Modell 1 bzw. gemäß den dann im Wesentlichen in Verbindung mit Gasphasensauerstoff am Katalysator ablaufenden chemischen Reaktionen. Entsprechend gut ist die Korrelation zwischen Sauerstoffspeicherfähigkeit und Abgasreinigung bei ausreichender Temperatur des Sauerstoffspeichers. Die heutige Diagnose eines Katalysators nutzt diesen Effekt und stellt insbesondere aus dem Zusammenhang zwischen Umladezeiten des Sauerstoffspeichers zwischen mager und fett bzw. fett und mager zur Reinigungswirkung her. Die Korrelation von Sauerstoffspeicherfähigkeit und Abgasreinigung wird mit niedrigeren Temperaturen des Katalysators/Sauerstoffspeichers/Monolithen/Abgases schwächer. So überwiegt im Bereich zwischen dem CO-„Light-Off“ bei 290°C und dem „Light-Off“ des Sauerstoff-Speichers bei 360°C die direkt umgesetzte Abgasmenge, also es überwiegen die chemischen Reaktionen gemäß dem ersten Modell 1.
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Mit anderen Worten - Sauerstoff ist maßgebend für die Oxidation von CO und HC und beeinflusst auch die Reduktion von NOx. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) des Katalysators ist das Maß für die Konvertierungsfähigkeit, sofern die Temperatur des Katalysators/Sauerstoffspeichers ausreichend hoch ist. Mit der Optimierung der Wirkungsgrade von Brennkraftmaschinen sinkt die (Ab-)Gastemperatur, so dass die Voraussetzung immer seltener gegeben ist. Dennoch findet eine Abgasreinigung statt. Ursache hierfür ist der direkte Transport des Sauerstoffs von den Reduktionen zu den Oxidationen. Dieser Mechanismus wird aktuell weder in der Katalysatordiagnose noch in der Lambda-Trimmregelung (Nachkatregelung) berücksichtigt. Die Folge ist, dass in einer Vielzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine bzw. des damit angetriebenen Fahrzeugs eine zu geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) trotz vorhandener (ausreichender) Konvertierungsfähigkeit festgestellt wird. Daraus können sich in Serienanwendungen Probleme ergeben. Die aktuelle Katalysatordiagnose testet allein die Aktivität des Ceroxids. Da die Brennkraftmaschinen/Fahrzeuge immer effizienter/sparsamer werden und damit das Abgas infolgedessen immer kälter wird, werden anhand der bekannten Diagnoseverfahren Katalysatoren erkannt, welche nicht ausreichend wirksam sein sollen. Tatsächlich funktionieren die Katalysatoren aber noch einwandfrei.
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Dementsprechend erfolgt erfindungsgemäß zur Diagnose eines Katalysators bzw. bei einer Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators während des realen Betriebs einer Brennkraftmaschine nicht allein z. B. eine Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators („OSC-Pfad“ oder „warmer Pfad“) unabhängig von einer Berücksichtigung der Temperatur des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen, sondern auch/zusätzlich eine Bestimmung, wie wirksam der Katalysator bei niedrigen Temperaturen des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen ist, anhand der chemischen Reaktionen gemäß dem ersten Modell 1 („direkter Pfad“ oder „kalter Pfad“). Ob eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1 oder anhand eines bekannten Ansatzes erfolgt, der bei einem aktiven Sauerstoffspeicher zuverlässig funktioniert (Korrelation Sauerstoffspeicherfähigkeit und Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators) oder anhand des zweiten Modells 2 (siehe Beschreibung weiter unten) erfolgt, wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit der Temperatur T des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen entschieden.
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Wie in 1 gezeigt, ist es hierzu erfindungsgemäß zum Beispiel vorgesehen, mittels eines Schalters 3, in Abhängigkeit der Temperatur T des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen zu entscheiden, ob eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1 erfolgt oder anhand des zweiten Modells 2 erfolgt oder (anstelle des zweiten Modells 2) anhand eines bekannten Ansatzes erfolgt (in 1 nicht gezeigt, siehe weitere Beschreibung unten), der bei einem aktiven Sauerstoffspeicher zuverlässig funktioniert (Korrelation Sauerstoffspeicherfähigkeit und Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators). In dem gemäß 1 gezeigten Fall, erfolgt eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1, da die Temperatur T kleiner oder gleich einer vorgegebenen Temperaturschwelle ist. Ist wiederum die Temperatur T größer als die vorgegebene Temperaturschwelle, dann erfolgt ein Umschalten des Schalters 3 und eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des zweiten Modells 2 oder anhand eines bekannten Ansatzes.
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In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung (nicht gezeigt) ist also kein zweites Modell 2 (so wie zuvor beschrieben) vorgesehen, so dass in Abhängigkeit der Temperatur T des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen nicht entschieden wird, ob eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1 oder des zweiten Modells 2 erfolgt, sondern in Abhängigkeit der Temperatur T des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen entschieden wird, ob eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1 oder anhand eines alternativen, insbesondere mittels eines bekannten Ansatzes erfolgt, der eben bei einem aktiven Sauerstoffspeicher zuverlässig funktioniert. Ein alternatives bzw. bekanntes Verfahren ist insbesondere die einleitend schon beschriebene Bestimmung der Größe des Sauerstoffspeichers/Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) mittels den allgemein bekannten Verfahren, insbesondere in Abhängigkeit des Signals einer stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde in Verbindung mit einer Anfettung/Abmagerung des Verbrennungsluftverhältnisses (Schubbetrieb) und einer Zeitmessung sowie des funktionalen Zusammenhangs zwischen Sauerstoffspeicherfähigkeit und Katalysatorwi rksam keit.
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Ein weiteres alternatives bzw. bekanntes Verfahren erfolgt in Abhängigkeit sowohl des Signals einer stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde als auch einer stromauf des betrachteten Katalysators angeordneten Lambdasonde, wobei eine Bewertung/ein Vergleich von Eigenschaften (Amplitude, Periodendauer, Dynamik) der Signale beider Lambdasonden erfolgt, insbesondere eines Unterschieds hinsichtlich der Eigenschaften der Signale beider Lambdasonden, natürlich ebenfalls unter Berücksichtigung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen Signaleigenschaften/Änderungen von Signaleigenschaften und der Katalysatorwirksamkeit.
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Der Fachmann kennt diese alternativen Funktionen sehr gut, d. h. es gibt sehr viele Veröffentlichungen dazu, so dass eine konkrete Beschreibung an dieser Stelle nicht erfolgt.
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Für den Fall jedoch, dass in Abhängigkeit der Temperatur T des Abgases/des Katalysators/des Sauerstoffspeichers/des Monolithen entschieden wird, ob eine Beurteilung der Wirksamkeit eines Katalysators anhand des ersten Modells 1 oder des zweiten Modells 2 erfolgt, werden die am Ausgang des ersten Modells 1 oder des zweiten Modells 2 bereitstehenden und mittels des jeweiligen Modells 1, 2 bestimmten Konzentrationen oder Massenströme der Abgasanteile stromab des betrachteten Katalysators, also insbesondere die Konzentrationen der Reaktionsprodukte CO2, H2, N2, H2O und auch die Konzentrationen der nicht umgesetzten Abgasanteile (Abgasspezies, Schadstoffbestandteile) CO, CnHm, NOx weiterverarbeitet.
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Diese Weiterverarbeitung besteht insbesondere darin, gemäß dem zitierten Dokument
DE 10 2014 013 690 A1 in Verbindung mit einem Modell einer stromabwärts des Katalysators in der Abgasleitung angeordneten Lambdasonde eine Alterungskenngröße des Katalysators zu berechnen und bevorzugt aufbauend darauf den Katalysator zu überwachen. D. h. es wird anhand der mittels des ersten Modells 1 oder des zweiten Modells 2 bereitgestellten Bestandteile/Zusammensetzung des Abgases stromab des Katalysators ein Schätzwert für ein Ausgangssignal der genannten Lambdasonde bestimmt und im weiteren Verlauf mit dem tatsächlichen Ausgangssignal dieser Sonde verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses beispielsweise mittels eines iterativen/rekursiven Rechenalgorithmus (in Verbindung mit einem Beobachter 7, siehe Beschreibung unten) eine Alterungskenngröße bestimmt bzw. erkannt/angezeigt, dass der Katalysator nicht mehr ausreichend wirksam ist.
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Die Bestimmung/Nachbildung/Synthese/Rekonstruktion des Signals der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (oder einer geeigneten elektrischen Größe) erfolgt insbesondere entsprechend der eingangs schon genannten
DE 10 2014 013 690 A1 , siehe insbesondere Absatz 33 oder gemäß Kapitel 1.7.6 in Pischinger, A.; Pischinger, R.; Krassnig, G.; Taucar, G.; Sams, Th.: Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Springer-Verlag Wien (1989). oder gemäß Kapitel 2.1 in C. Brinkmeier. Automotive Three-Way Exhaust Aftertreatment under Transient Conditions - Measurements, Modeling and Simulation. PhD thesis, Universität Stuttgart, 2006. Gemäß
1 erfolgt die Bestimmung/Modellierung des Signals der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde jedenfalls anhand eines geeigneten (Rechen-)Mittels 4.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun von Vorteil, dass auch ein Katalysator, dessen Sauerstoffspeicher noch nicht aktiv ist, da die dafür erforderliche Temperatur noch nicht erreicht ist, insbesondere zuverlässig diagnostiziert werden kann d. h. eine solche Diagnose stellt eine Möglichkeit eines Betriebs einer Abgasnachbehandlung dar. Das wird dadurch erreicht, dass dann,
- a) wenn eine Temperaturschwelle (Abgastemperatur, Temperatur des Katalysatorkörpers) unterschritten wird,
- b) eine Modellierung (Rekonstruktion, Bestimmung, Nachbildung, Synthese) des Signals einer stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde gemäß dem ersten Modell 1 in Abhängigkeit von Abgasreaktionen (am Katalysator) erfolgt, welche (überwiegend) ohne den Anteil des gespeicherten Sauerstoffs ablaufen und an denen überwiegend der Gasphasensauerstoff (Sauerstoff aus der Gasphase) und die Reaktionsprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (CO, CO2, CnHm, H2O, NOx) beteiligt sind (nämlich die der Wassergas-Shift-Reaktion/Oxidation von Kohlenstoffmonoxid, der Dampf-Reformierung/Oxidation von Kohlenwasserstoffen und der Stickstoffoxid-Reduktion/in Gegenwart von Kohlenstoffmonoxid),
- c) wobei in Abhängigkeit von dem gemäß b) modellierten Signal und dem gemessenen Signal einer tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) eine Bewertung der Wirksamkeit des Katalysators (Katalysatordiagnose) erfolgt,
- d) wobei wenn die Temperaturschwelle nach a) erreicht oder überschritten wird, eine Modellierung (Rekonstruktion, Bestimmung, Nachbildung, Synthese) des Signals einer stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde gemäß dem zweiten Modell 2 erfolgt und in Abhängigkeit von dem auf diese Weise modellierten Signal und dem Signal einer tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) eine Bewertung der Wirksamkeit des Katalysators (Katalysatordiagnose) erfolgt, wobei es ebenfalls möglich ist, anstelle des zweiten Modells 2 die beschriebenen alternativen Verfahren anzuwenden und insbesondere anhand einer Bestimmung der Größe des Sauerstoffspeichers/Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC), d. h. in Abhängigkeit (der Größe des Sauerstoffspeichers) einer Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators zu bestimmen bzw. zu bewerten.
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Diesem erfindungsgemäßen Ansatz liegt mit anderen Worten die Überlegung zugrunde, in Verbindung mit dem gemessenen Signal einer stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde dadurch bei niedrigen Temperaturen des Abgases bzw. des Katalysators auf einen nicht mehr oder nicht ausreichend wirksamen Katalysator zu schließen, dass ein Signal der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde nachgebildet wird, welches allein jedoch nicht geeignet ist, einen nicht mehr oder nicht mehr ausreichend wirksamen Katalysator zu repräsentieren bzw. anzuzeigen, wobei diese Nachbildung auf Reaktionsprodukten aufbaut, die mittels modellierter/modellhafter Abgasreaktionen (am Katalysator) gemäß dem ersten Modell 1, welche im Wesentlichen ohne den Anteil des gespeicherten Sauerstoffs ablaufen, gewonnen werden, wobei jedoch in Verbindung mit dem gemessenen Signal einer tatsächlich stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde eine Bewertung der Wirksamkeit/der Alterung des Katalysators möglich ist, da sich das gemessene Signal einer tatsächlich stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde infolge der Verminderung der Wirksamkeit, d. h. der Alterung des Katalysators gegenüber dem nachgebildeten Signal verändert, so dass insbesondere dann, wenn eine Differenz zwischen den beiden Signalen einen bestimmten Wert überschreitet, eine kritische Alterung des Katalysators erkannt und darauf aufbauend Maßnahmen ergriffen werden können, insbesondere eine Anzeige, dass die Wirksamkeit des Katalysators nicht mehr ausreichend/gegeben ist (MIL). Eine Veränderung des gemessenen Signals einer tatsächlich stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde gegenüber dem in Verbindung mit dem ersten Modell 1 (oder dem zweiten Modell 2) nachgebildeten Signal ergibt sich u. a. dadurch, dass wenn dem Katalysator (insbesondere ausgehend von einem mageren Abgas [Sauerstoffüberschuss]) ein fettes Abgas (Sauerstoffmangel) zugeführt wird, entsprechend der Wassergas-Shift-Reaktion bei einer Reaktion von Kohlenmonoxid CO mit Wasser H2O Kohlendioxid CO2 und Wasserstoff H2 entstehen, wobei, wie bekannt, das gemessene Signal einer tatsächlich stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde durch diesen Wasserstoff H2 beeinflusst (verfälscht) wird und wie weiterhin bekannt, die Wassergas-Shift-Reaktion bevorzugt bei einem neuen („frischen“), d. h. wirksamen Katalysator auftritt, sich also über die Zeit die Bildung von Wasserstoff H2 gemäß der Wassergas-Shift-Reaktion vermindert und sich das gemessene Signal gegenüber dem nachgebildeten Signal verändert.
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Insbesondere wird das in Verbindung mit dem ersten Modell 1 bzw. in Verbindung mit dem zweiten Modell 2 modellierte Signal dem Signal einer tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde gegenübergestellt und in Abhängigkeit der Gegenüberstellung erfolgt ein Abgleich, ein Vergleich, eine Differenzbildung oder Grenz- bzw. Schwellenwertvergleich oder ähnliches, als Basis für eine Bewertung der Wirksamkeit des Katalysators (Katalysatordiagnose).
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Das wie beschrieben zumindest in Verbindung mit dem ersten Modell 1 unterhalb einer spezifischen Temperatur T nachgebildete Signal der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (oder oberhalb der spezifischen Temperatur T) in Verbindung mit dem zweiten Modell 2 nachgebildete Signal, je nachdem, ob anstelle des zweiten Modells 2 ein alternatives bzw. bei aktivem Sauerstoffspeicher zuverlässig funktionierendes Verfahren gemäß dem Stand der Technik angewendet wird) kann nun außerdem im Rahmen einer Trimmregelung 5 weiterverarbeitet werden (siehe 1), also zum Betreiben der Abgasnachbehandlung. Insbesondere stellt das nachgebildete Signal der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde einen Istwert dar, der mit einem Sollwert (des Trimmreglers 5) verglichen wird, wobei in Abhängigkeit dieses Vergleichs mittels eines Reglers eine Größe gebildet wird, welche wiederum auf das einen Istwert der übergeordneten Lambdaregelung repräsentierende Signal einer in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde einwirkt, so dass sich eine kaskadierte Regelung ergibt und somit Ungenauigkeiten der stromaufwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde ausgeglichen werden können und es so möglich ist, mit zunehmendem Alter des Katalysators, durch Verändern des Sollwertes des Trimmreglers 5 sich ändernde Reaktionsgeschwindigkeiten einzelner Abgasspezies am Katalysator auszugleichen.
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Diese Weiterverarbeitung des nachgebildeten Signals einer stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde kann weiterhin (zusätzlich) insbesondere darin bestehen (im Sinne eines Betreibens einer Abgasnachbehandlung), dass eine Bestimmung (ein Auffinden) eines Optimums der anhand des ersten Modells 1 und/oder zweiten Modells 2 modellierten Reaktionsprodukte der Abgasreaktionen (am Katalysator) erfolgt, welche ohne/mit gespeichertem Sauerstoff ablaufen, so dass anhand des Optimums bestimmt werden kann, ob spezifische vorgegebene Grenzwerte (beispielsweise Euro 7) von letztendlich von der Brennkraftmaschine trotz Abgasnachbehandlung abgegebenen Schadstoffen erreicht werden, wobei wenn das nicht der Fall ist, anhand des dann vorliegenden Optimums bestimmt wird, welche Maßnahmen erforderlich sind, um die vorgegebenen Grenzwerte (sicher) zu erreichen, wobei eine Maßnahme darin besteht, dass entweder unmittelbar das Signal der tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) beeinflusst wird, beispielsweise mittels eines additiven oder multiplikativen Korrekturwertes (nicht gezeigt) oder mittelbar das Signal der tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) beeinflusst wird, indem ein Korrekturwert in die Modellierung des Signals einer stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (anhand des [Rechen-]Mittels 4) in Abhängigkeit von Abgasreaktionen gemäß dem ersten Modell 1 bzw. dem zweiten Modell 2 einfließt.
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Für eine solche Optimierung wird beispielsweise ein allgemein bekanntes Optimierungsverfahren 6 angewendet (siehe 1), wobei insbesondere eine Minimierung einer Zielfunktion in Verbindung mit einem numerischen Verfahren erfolgt. Ziel dieser Optimierung/Minimierung ist das Auffinden des (globalen, gemeinsamen) Minimums der Reaktionsprodukte der Abgasreaktionen (am Katalysator). D. h. es wird mittels eines Computerprogramms eine möglichst gute Lösung für die Problemstellung gesucht, beim Betrieb einer Brennkraftmaschine spezifische vorgegebene Grenzwerte (beispielsweise Euro 7) von letztendlich von der Brennkraftmaschine trotz Abgasnachbehandlung abgegebenen Schadstoffen einzuhalten bzw. sicher zu unterschreiten.
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Insbesondere erfolgt erfindungsgemäß in Abhängigkeit von dem anhand des ersten Modells 1 und/oder zweiten Modells 2 nachgebildeten Signal und dem gemessenen Signal einer tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) die Bildung von Adaptionsgrößen/Adaptionswerten. Bevorzugt erfolgt die Bildung der Adaptionswerte durch den Einsatz eines Beobachters 7, wobei in Abhängigkeit von dem modellierten Signal und dem Signal einer tatsächlich stromabwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) ein Beobachterfehler gebildet wird, der wiederum auf das erste Modell 1 bzw. das zweite Modell 2 einwirkt (im Sinne eines Betreibens einer Abgasnachbehandlung). Wie in 1 gezeigt, können diese Adaptionsgrößen/Adaptionswerte auch einem (Rechen-/Vergleichs-)Mittel 8 zugeführt werden, welches die oben beschriebenen Schritte zur Bewertung der Wirksamkeit eines Katalysators ausführt und zu dieser Bewertung herangezogen werden, wobei das (Rechen-/Vergleichs-)Mittel 8 das modellierte Signal der stromab eines Katalysators angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) aus dem (Rechen-)Mittel 4 sowie das gemessene Signal der stromab eines Katalysators tatsächlich angeordneten Lambdasonde (Bezugszeichen 9, siehe Beschreibung unten) empfängt. Der Vollständigkeit halber ist in 1 auch die stromab eines Katalysators tatsächlich angeordneten Lambdasonde mit einem Bezugszeichen versehen, nämlich dem nunmehr vielfach schon erwähnten Bezugszeichen 9.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und die insbesondere einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergerichteten Computer mit einer CPU und einem maschinenlesbaren Speichermedium umfasst, also beispielsweise ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine/eines Fahrzeugs, wobei auf dem Speichermedium ein Computerprogramm gespeichert ist, das alle Merkmale bzw. Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, wobei das Computerprogramm mittels der CPU ausgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt Bestandteil einer Brennkraftmaschine und/oder eines Fahrzeugs.
