DE102020208852A1

DE102020208852A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020208852A1
Application number: DE102020208852.7A
Authority: DE
Inventors: Gautham T Sidharthan; Vivek Venkobarao; Anas Hanjaf; Sebastian Viehöver; Rene Stolpe
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: WO2022012839A1; DE102020208852B4

Abstract

Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) ist der Verbrennungsmotor mit einem Abgastrakt (10) verbunden, der einen Abgassensor (2) und einen Katalysator (3) aufweist. Der Abgassensor ist stromaufwärts des Katalysators im Abgastrakt angeordnet. Ein erstes Messsignal (MS1) des Abgassensors ist charakteristisch für den Restsauerstoffgehalt des an ihm vorbeiströmenden Abgases. Das Verfahren umfasst einen Schritt A), in dem ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ_wan) stromaufwärts des Katalysators eingestellt und ein Steuersignal (CS) erzeugt und ausgegeben wird, um einen Aktuator (5) entsprechend zu steuern. Das Verfahren umfasst einen Schritt B), in dem ein Sauerstoffspeicherzustand (ϕ) des Katalysators unter Verwendung eines nichtlinearen Katalysatormodells berechnet wird, das als Eingaben ein gemessenes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts (λup) des Katalysators, das aus dem ersten Messsignal gewonnen wird, und einen Luftmassenstrom (ṁa) durch den Katalysator verwendet. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt C), in dem die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses und das Steuersignal in Abhängigkeit vom berechneten Sauerstoffspeicherzustand angepasst werden.

Description

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors spezifiziert. Ferner werden eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium spezifiziert.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors zu spezifizieren, das es ermöglicht, das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis eines Verbrennungsmotors genauer zu steuern. Als weitere zu lösende Aufgaben sind eine Vorrichtung, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium zum Durchführen eines solchen Verfahrens zu spezifizieren.
Diese Gegenstände werden u. a. durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 7, 8, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der weiteren abhängigen Ansprüche und können ferner der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnommen werden.
Zunächst wird das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors spezifiziert. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Abgastrakt verbunden, der einen Abgassensor (auch Lambdasonde genannt) und einen Katalysator aufweist. Der Abgassensor ist stromaufwärts des Katalysators im Abgastrakt angeordnet. Ein erstes Messsignal des Abgassensors ist charakteristisch für den Restsauerstoffgehalt des an ihm vorbeiströmenden Abgases.
Das Verfahren umfasst einen Schritt A), in dem ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (auch Lambda genannt) stromaufwärts des Katalysators eingestellt und ein Steuersignal zum entsprechenden Steuern eines Aktuators erzeugt und ausgegeben wird, der zum Beeinflussen eines dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches ausgelegt ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt B), in dem ein Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators unter Verwendung eines nichtlinearen Katalysatormodells berechnet wird, wobei als Eingabe ein gemessenes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des Katalysators, das aus dem ersten Messsignal bestimmt oder gewonnen wird, und als weitere Eingabe ein Luftmassenstrom durch den Katalysator verwendet wird. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt C), in dem die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses und das Steuersignal in Abhängigkeit vom berechneten Sauerstoffspeicherzustand angepasst werden.
Die Schritte A) bis C) werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere wird der Schritt B) in einem ausreichenden zeitlichen Abstand zu Schritt A) durchgeführt, sodass die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses stromaufwärts des Katalysators aus Schritt A) in dem Messsignal widergespiegelt wird. Der Luftmassenstrom durch den Katalysator wird vorzugsweise auch aus einem oder mehreren Messsignalen, die beispielsweise durch einen Luftmassenstromsensor bereitgestellt werden, gewonnen oder bestimmt.
Die Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass Lambda-Regler (auch Steuergeräte genannt) das dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft-KraftstoffVerhältnis so regeln, dass das Abgas in einem Fenster um das stöchiometrische Lambda gehalten wird. Herkömmliche Lambda-Regler nutzen nicht die Katalysatordynamik, die durch das Phänomen der Sauerstoffspeicherung/- freisetzung dominiert wird, und daher ist die Emissionskontrolle nur möglich, wenn ein Durchbruch beobachtet wird. Für eine wirksame Emissionskontrolle ist ein exakter Restsauerstoffgehalt stromabwärts des Katalysators erforderlich. In der Regel ist jedoch ein Abgassensor stromabwärts des Katalysators zu langsam, als dass seine Messungen für die schnelle Regelung von Lambda durch den Lambda-Regler verwendet werden könnten.
Die vorliegende Erfindung macht sich die Idee zunutze, dass die Leistung des Lambda-Reglers verbessert werden kann, indem die Menge der Sauerstoffspeicherung im Katalysator als Variable für die Regelung berücksichtigt wird. In dieser Erfindung wird der Sauerstoffspeicherzustand mithilfe eines nichtlinearen Modells vorhergesagt. Der Lambda-Regler kann daher eine Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysatordurchbruch vornehmen. Der Katalysator kann in einem teilweise leeren/gefüllten Zustand gesteuert werden, wodurch die zukünftigen mageren/fetten Lambda-Abweichungen vor dem Katalysator kompensiert werden, was eine effektive Emissionsreduzierung über einen Zyklus fördert. In der Tat erfordert der RDE(Real Drive Emission)-Test mit zunehmender Komplexität der Abgasleitung mit mehreren Komponenten eine genaue stromabwärtige Lambda-Vorhersage zur Überwachung von Lambda an verschiedenen Knotenpunkten für eine bessere Emissionskontrolle.
Das hier beschriebene Verfahren ist besonders nützlich für einen Dreiwegekatalysator (TWC). Die Verfahrensschritte A) bis C) können insbesondere durch einen Computer durchgeführt werden. Das Verfahren ist somit insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren.
Bei der Durchführung des Verfahrens, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, wird ein Steuersignal erzeugt und ausgegeben. Das Steuersignal wird in Abhängigkeit von der Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses erzeugt. Nach Ausgabe des Steuersignals wird ein Aktuator, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse, mit diesem Steuersignal angesteuert. Anhand des Steuersignals beeinflusst der Aktuator das dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch, um die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses zu erfüllen. Gleichzeitig oder danach wird der Restsauerstoffgehalt des Abgases, das den Abgassensor stromaufwärts des Katalysators durchströmt, gemessen und ein entsprechendes Messsignal erzeugt. Dieses Messsignal wird dann zusammen mit Informationen über den Luftmassenstrom durch den Katalysator verwendet, um den Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators zu berechnen. Mit den Informationen über den berechneten Sauerstoffspeicherzustand werden die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses und das Steuersignal angepasst/korrigiert.
Das gewünschte Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis kann einer voreingestellten Zwangsanregung unterzogen werden, sodass der Verbrennungsmotor abwechselnd mit einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird der Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators anhand der Sauerstoffspeicherzustandsgleichung berechnet, die wie folgt lautet: $ϕ = \int_{T 1}^{T 2} 0.23 {\dot{m}}_{α} η (λ_{u p} - λ_{d o w n}) d t .$
In dieser Gleichung ist ϕ der Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators und T1 und T2 sind die Grenzen des Integrals. Diese Grenzen sind so gewählt, dass die endliche maximale und minimale Speicherkapazität des Katalysators berücksichtigt wird. Der Wert 0,23 ist der Massenanteil von Sauerstoff in Luft. ṁ_a ist der Luftmassenstrom durch den Katalysator. Dieser Wert kann aus Messungen gewonnen werden. η ist der Wirkungsgrad des Katalysators. λ_up ist das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des Katalysators. λ_down ist das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromabwärts des Katalysators.
In dieser Gleichung werden endliche Sauerstoffspeicher- und -freigabekapazitäten des Katalysators berücksichtigt, und somit beinhalten die Integralschritte den Effekt des im Katalysator verfügbaren Freiraums. Das begrenzte Integral basiert auf dem Prinzip des Massengleichgewichts von Sauerstoff im Abgas, das in den Katalysator eintritt und diesen wieder verlässt. Zur Lösung der Gleichung wird das aus dem Messsignal ermittelte λ_up als Eingabe verwendet.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird λ_down auf N(ϕ) + 1 gesetzt. N(ϕ) wird vorzugsweise als ungerades Polynom gesetzt. Somit hat M(ϕ) die folgende Formel: $N (ϕ) = α_{0} ϕ + α_{1} ϕ^{3} + α_{3} ϕ^{5} + α_{4} ϕ^{7} \dots,$
wobei a_i freie Parameter sind, die frei gewählt werden können.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird die Parametrierung des Polynoms in Abhängigkeit davon gewählt, ob der Verbrennungsmotor mit einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird. Daher werden die Parameter a_i für magere und fette Phasen unterschiedlich gewählt. Mit anderen Worten, die Asymmetrie des Phänomens der Sauerstoffspeicherung und -freisetzung wird durch Berücksichtigung eines unterschiedlichen Satzes von Parametern a_i und Kapazitäten für die Speicherung und Freisetzung während der mageren und fetten Phasen erklärt.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird die Sauerstoffspeichergleichung mithilfe des expliziten Euler-Integrationsverfahrens, auch explizites Euler-Verfahren genannt, gelöst. Da λ_down in der Regel auf N(ϕ) + 1 gesetzt wird, ist die Sauerstoffspeichergleichung in der Tat eine Differentialgleichung, die umgeschrieben werden kann zu: $ϕ (t_{n + 1}) = ϕ (t_{n}) + \int_{t_{n}}^{t_{n + 1}} 0.23 {\dot{m}}_{α} η (λ_{u p} - 1 - N (ϕ (t))) d t$
Das Euler-Integrationsverfahren berechnet: $ϕ_{n + 1} = ϕ_{n} + f (t_{n}, ϕ_{n}) Δ t,$
wobei der Integrand bei der Integration konstant ist.
Der Integralschritt bei der Berechnung des Sauerstoffspeicherzustands stellt die Menge des im Katalysator gespeicherten oder aus ihm freigesetzten Sauerstoffs während des Probenahmezeitschritts Δt dar. Der Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators wird geschätzt, indem der Integralschritt zum vorherigen Wert des Zustands in der Zeitfolge addiert wird.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird der Katalysator zum Berechnen des Sauerstoffspeicherzustands in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei die Abschnitte entlang der Strömungsrichtung des Gasstroms hintereinander angeordnet sind. Der Sauerstoffspeicherzustand wird aus der Sauerstoffspeicherzustandsgleichung für jeden Abschnitt separat berechnet, und aus dem erhaltenen Sauerstoffspeicherzustand wird ein Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromabwärts des Abschnitts berechnet. Insbesondere wird das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromabwärts eines Abschnitts auf N(ϕ) + 1 gesetzt, wobei ϕ der Sauerstoffspeicherzustand dieses Abschnitts ist.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird das berechnete Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromabwärts eines Abschnitts als das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des nächsten Abschnitts zum Berechnen des Sauerstoffspeicherzustands des nächsten Abschnitts verwendet. Mit anderen Worten wird die Ausgabe der Berechnung für einen Abschnitt als Eingabe für den nächsten Abschnitt verwendet. Für den ersten Abschnitt, der an der stromaufwärtigsten Stelle liegt, wird das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des Katalysators verwendet, das aus dem Messsignal des Abgassensors gewonnen wird. Die Ausgabe der Berechnung für den letzten Abschnitt ist der endgültige vorhergesagte Sauerstoffspeicherzustand und das endgültige vorhergesagte Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis des gesamten Katalysators.
Mit anderen Worten wird der Sauerstoffspeicherzustand ϕ_i eines Abschnitts i, wobei i ≥ 1, wie folgt bestimmt: $ϕ_{i} = \int_{T 1, i}^{T 2, i} 0.23 {\dot{m}}_{α} η (λ_{d o w n, i - 1} - λ_{d o w n, i}) d t,$
wobei λ_down,0 = λ_up und λ_up das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des Katalysators ist, das aus dem Messsignal des Abgassensors gewonnen wird.
Der Katalysator wird zum Beispiel in zwei oder mehr, vorzugsweise in drei oder mehr, Abschnitte unterteilt. Durch diese Unterteilung wird die Inhomogenität und die räumliche Verteilung des Sauerstoffs im Katalysator berücksichtigt, was die Berechnung realistischer macht und somit einen noch effizienteren Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Für jeden Abschnitt wird die Gleichung vorzugsweise, wie oben erwähnt, mit dem expliziten Euler-Integrationsverfahren mit Rückkopplungseinstellung von λ_down,i gelöst.
Als Nächstes wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors spezifiziert. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, das Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors durchzuführen. Die Vorrichtung kann einen Prozessor zum Einstellen des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses, zum Berechnen des Sauerstoffspeicherzustands und zum entsprechenden Erzeugen des Steuersignals umfassen. Die Vorrichtung kann außerdem Schnittstellen zum Ausgeben und Empfangen von Signalen umfassen. Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit, auch Lambda-Regler genannt, sein.
Als Nächstes wird das Kraftfahrzeug spezifiziert. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Vorrichtung wie hier beschrieben. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Abgastrakt mit einem Abgassensor und einen stromabwärts des Abgassensors angeordneten Katalysator. Der Abgastrakt ist mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Das Kraftfahrzeug umfasst ferner einen Aktuator, der zum Beeinflussen eines dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches ausgelegt ist. Das Kraftfahrzeug ist dazu ausgelegt, das hier beschriebene Verfahren durchzuführen.
Als Nächstes wird das Computerprogramm spezifiziert. Das Computerprogramm umfasst Anweisungen, um die Vorrichtung zu veranlassen, die Schritte des hier spezifizierten Verfahrens auszuführen.
Als Nächstes wird das computerlesbare Medium spezifiziert. Auf dem computerlesbaren Medium ist das hier spezifizierte Computerprogramm gespeichert.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen des Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der Vorrichtung, des Kraftfahrzeugs, des Computerprogramms und des computerlesbaren Mediums ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen. Gleiche oder ähnliche Elemente sowie Elemente mit gleicher Funktion werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figuren und die Proportionen der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zwecks besserer Darstellung und/oder besserem Verständnis in ihrer Größe übertrieben dargestellt sein.
In den Figuren:

zeigt 1 ein Beispiel für eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs und in einer vergrößerten Ansicht den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs,
zeigt 2 ein Flussdiagramm eines Beispiels für eine Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors,
zeigen die 3 und 4 Blockdiagramme des nichtlinearen Katalysatormodells, das für das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors verwendet wird,
zeigen die 5 bis 7 Diagramme, in denen die Modellvorhersagen mit gemessenen Werten verglichen werden.

In 1 ist ein Beispiel für eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Kraftfahrzeug ist ein PKW. In einer vergrößerten Ansicht ist der Verbrennungsmotor 1 des Kraftfahrzeugs dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Luftversorgungstrakt 11 und einem Kraftstoffversorgungstrakt 12 verbunden, über die beim Betrieb des Kraftfahrzeugs Luft und Kraftstoff dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt werden. Im Innern des Luftzufuhrtrakts 11 befindet sich ein Luftmassenstromsensor 6. Die Menge des in den Verbrennungsmotor 1 eingespritzten Kraftstoffs wird durch einen Aktuator 4 in Form einer Kraftstoffeinspritzdüse beeinflusst und gesteuert.
Der Verbrennungsmotor 1 ist ferner mit einem Abgastrakt 10 verbunden, über den das Abgas abgeleitet wird. Der Abgastrakt 10 umfasst einen Katalysator 3, einen Abgassensor 2 stromaufwärts des Katalysators 3 und einen weiteren Abgassensor 21 stromabwärts des Katalysators 3. Die Abgassensoren 2, 21 sind signaltechnisch mit einer Vorrichtung 4 verbunden, die eine Steuereinheit oder ein Lambda-Regler ist. Die Abgassensoren 2, 21 messen den Restsauerstoffgehalt des an ihnen vorbeiströmenden Abgases. Anschließend erzeugen sie entsprechende Messsignale MS1, MS3 und senden sie an die Vorrichtung 4.
Die Vorrichtung 4 ist ebenfalls signaltechnisch mit dem Luftmassenstromsensor 6 verbunden und empfängt beim Betrieb aus dem Luftmassenstromsensor 6 ein Messsignal MS2, das charakteristisch für den mithilfe des Luftmassenstromsensors 6 gemessenen Luftmassenstrom ist.
Ferner ist die Vorrichtung 4 signaltechnisch mit dem Aktuator 5 verbunden. Beim Betrieb erzeugt die Vorrichtung 4 Steuersignale CS und gibt diese Steuersignale CS an den Aktuator 5 aus. Anhand dieser Steuersignale CS beeinflusst der Aktuator 5 das dem Verbrennungsmotor 1 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung 4 dazu ausgelegt, basierend auf einer Einstellung eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses λ_wan stromaufwärts des Katalysators 3 das Steuersignal CS zu erzeugen und auszugeben. Ferner ist die Vorrichtung 4 dazu ausgelegt, einen Sauerstoffspeicherzustand ϕ des Katalysators 3 unter Verwendung eines nichtlinearen Katalysatormodells zu berechnen. Eingaben für dieses Modell sind das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_up stromaufwärts des Katalysators 3, das aus dem Messsignal MS1 des Abgassensors 2 stromaufwärts des Katalysators 3 bestimmt wird, und der Luftmassenstrom ṁ_a durch den Katalysator 3, der in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform aus dem Messsignal MS3 des Luftmassenstromsensors 6 gewonnen wird. Abhängig vom berechneten Sauerstoffspeicherzustand ϕ passt die Vorrichtung 4 die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses λ_wan an oder korrigiert es und passt entsprechend das Steuersignal CS an oder korrigiert es.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels für eine Ausführungsform des Verfahrens. In einem ersten Schritt A) wird ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_wan stromaufwärts des Katalysators eingestellt und ein Steuersignal CS erzeugt und ausgegeben, um entsprechend einen Aktuator 5 zu steuern, der dazu ausgelegt ist, ein dem Verbrennungsmotor 1 zugeführtes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu beeinflussen. In einem Schritt B) wird ein Sauerstoffspeicherzustand ϕ des Katalysators 3 unter Verwendung eines nichtlinearen Katalysatormodells berechnet, wobei als Eingaben ein aus dem Messsignal MS1 gewonnenes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_up stromaufwärts des Katalysators 3 und der Luftmassenstrom ṁ_a durch den Katalysator 3 verwendet werden. Anschließend wird in einem Schritt C) in Abhängigkeit vom berechneten Sauerstoffspeicherzustand ϕ die Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses λ_wan angepasst und entsprechend das Steuersignal CS angepasst.
3 zeigt ein grundlegendes Blockdiagramm des nichtlinearen Katalysatormodells. In diesem Katalysatormodell wird der Sauerstoffspeicherzustand ϕ mit der folgenden Sauerstoffspeicherzustandsgleichung berechnet: $ϕ = \int_{T 1}^{T 2} 0.23 {\dot{m}}_{α} η (λ_{u p} - λ_{d o w n}) d t$
Die Formel wird mit dem expliziten Euler-Integrationsverfahren gelöst. Das Blockdiagramm zeigt, dass die Eingabewerte zur Lösung der Sauerstoffspeicherzustandsgleichung das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_up, auch Lambda-Wert genannt, stromaufwärts des Katalysators 3 sind. Dieser Wert wird aus dem Messsignal MS1 gewonnen. Ferner ist ein Eingabewert zur Lösung der Gleichung der Luftmassenstrom ṁ_a durch den Katalysator, der zum Beispiel aus dem Messsignal MS2 gewonnen wird. Der Schritt zur Berechnung von ϕ wird durch den ersten Block auf der linken Seite von 3 dargestellt.
Im nächsten Schritt wird das durch den mittleren Block in 3 dargestellte nichtlineare Katalysatormodell N(ϕ) berechnet. N(ϕ) ist als Polynom gesetzt.
Schließlich wird in einem dritten Schritt, dargestellt durch den rechten Block, λ_down als N(ϕ) + 1 berechnet. Dieser Wert wird dann als Eingabe verwendet, um die Berechnung von ϕ für den nächsten Zeitschritt zu starten.
4 zeigt ein weiteres Blockdiagramm des nichtlinearen Katalysatormodells. Dieses Modell basiert auf dem Modell von 3. Bei diesem Modell ist der Katalysator 3 jedoch in drei Abschnitte 31, 32, 33 unterteilt. Für jeden Abschnitt 31, 32, 33 wird der Sauerstoffstartzustand ϕ separat unter Verwendung der oben genannten Gleichung für den Sauerstoffspeicherzustand berechnet. Für den ersten Abschnitt 31 wird der Wert von λ_up,31 aus dem Messsignal MS1 gewonnen. λ_down,31 wird als λ_down,31 vom vorherigen Zeitschritt eingestellt (Rückkopplung). Die Ausgabe des ersten Abschnitts 31 ist das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_down,31 stromabwärts des ersten Abschnitts 31. Dieser Wert wird als Eingabewert für λ_up,32 für den zweiten Abschnitt 32 verwendet. Der Ausgabewert λ_down,32 wird dann als Wert für λ_up,33 für den dritten Abschnitt 33 verwendet. Der Ausgabewert λ_down,33 des dritten Abschnitts 33 ist das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_down des Katalysators 3.
Durch Unterteilen des Katalysators 3 in drei Abschnitte 31, 32, 33 wird die räumliche Verteilung des Sauerstoffs innerhalb des Katalysators 3 berücksichtigt, sodass die Vorhersage des Modells genauer ist.
Wie ferner im oberen Teil von 4 zu sehen ist, weist das Blockdiagramm eine Verzweigung auf. In dieser Verzweigung wird unterschieden, ob der Verbrennungsmotor 1 in einer fetten oder mageren Phase betrieben wird. Je nachdem, ob der Verbrennungsmotor in einer fetten oder mageren Phase betrieben wird, wird das Polynom N(ϕ) + 1 unterschiedlich gewählt. Auf diese Weise wird die Asymmetrie in der Sauerstoffspeicherung und -freigabe erfasst.
In 5 werden der vorhergesagte Sauerstoffspeicherzustand ϕ und die durch einen Abgassensor stromabwärts des Katalysators (siehe Abgassensor 21 in 1) gemessene Spannung verglichen. Auf der X-Achse wird die Zeit in Sekunden angezeigt, während auf der Y-Achse beliebige Einheiten dargestellt werden.
Die gestrichelte Kurve mit dem Bezugszeichen K1 zeigt den aus dem Messsignal MS1 des Abgassensors 2 stromaufwärts des Katalysators 3 gewonnenen Wert von λ_up - 1. Aus der gestrichelten Kurve ist ersichtlich, dass das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ_up stromaufwärts des Katalysators 3 einer vorgegebenen Zwangsanregung unterworfen wird, sodass der Verbrennungsmotor 1 abwechselnd in einer fetten und einer mageren Phase betrieben wird. Die Kurven mit den Bezugszeichen K31, K32 und K33 zeigen den vorhergesagten Sauerstoffspeicherzustand ϕ, der sich aus dem oben beschriebenen nichtlinearen Katalysatormodell ergibt. Die Linie mit dem Bezugszeichen K31 zeigt den Vorhersagewert von ϕ für den ersten Abschnitt 31 des Katalysators 3, die Kurve mit dem Bezugszeichen K32 zeigt den Vorhersagewert von ϕ für den zweiten Abschnitt 32 und die Kurve mit dem Bezugszeichen K33 zeigt den Vorhersagewert von ϕ für den letzten Abschnitt 33. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Vorhersage von ϕ des letzten Abschnitts 33 in guter Übereinstimmung mit der Kurve mit dem Bezugszeichen K0 steht, die die Spannung des Abgassensors stromabwärts des Katalysators 3 darstellt.
In 6 werden die mit dem Modell erhaltenen Vorhersagewerte für λ_down mit den Spannungswerten des Abgassensors stromabwärts des Katalysators verglichen. Die gestrichelte Kurve mit dem Bezugszeichen S1 ist λ_up, gewonnen aus dem Messsignal MS1. Die Kurven mit den Bezugszeichen S31, S32, S33 sind die Vorhersagewerte für λ_{down,31,32,33} für jeden Abschnitt 31, 32, 33. Die Kurve mit dem Bezugszeichen SO ist die gemessene Spannung des Abgassensors stromabwärts des Katalysators 3. Auf der X-Achse wird wiederum die Zeit in Sekunden angezeigt, während auf der Y-Achse beliebige Einheiten dargestellt werden.
7 zeigt die durch das nichtlineare Modell vorhergesagten Werte für λ_down (Kurve gekennzeichnet durch die Bezugszeichen A31, A32) im Vergleich zu den aus dem Messsignal des Abgassensors stromaufwärts des Katalysators bestimmten Werten für λ_up (Kurve gekennzeichnet durch das Bezugszeichen A1) und dem mit einem Abgassensor stromabwärts des Katalysators gemessenen Messwert von λ_down (Kurve gekennzeichnet durch das Bezugszeichen AO). In diesem Fall wurde der Katalysator 3 nur in zwei Abschnitte unterteilt, wobei das Ergebnis von λ_down,31 des weiter stromaufwärts gelegenen ersten Abschnitts 31 mit der Kurve mit dem Bezugszeichen A31 und das Ergebnis von λ_down,32 des weiter stromabwärts gelegenen zweiten Abschnitts mit der Kurve mit dem Bezugszeichen A32 angezeigt wird. Es ist zu erkennen, dass die Modellvorhersage für den Katalysator (Kurve mit dem Bezugszeichen A32) im Allgemeinen gut mit der Kurve für das gemessene λ_down (Kurve mit dem Bezugszeichen A0) übereinstimmt. Der große Einbruch in der Kurve A0, der in den fetten Phasen auftritt, hat mit einem Fehler in der Messung des Abgassensors stromabwärts des Katalysators 3 zu tun. Das nichtlineare Modell berücksichtigt diesen Fehler nicht und ist auch nicht dafür vorgesehen, diesen Fehler zu berücksichtigen.
Die Erfindung ist nicht auf die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen begrenzt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Merkmalskombination, insbesondere jede Merkmalskombination der Ansprüche, auch wenn das Merkmal oder die Merkmalskombination selbst nicht ausdrücklich in den Ansprüchen oder beispielhaften Ausführungsformen angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), wobei - der Verbrennungsmotor (1) mit einem Abgastrakt (10), der einen Abgassensor (2) und einen Katalysator (3) aufweist, verbunden ist, - der Abgassensor (2) stromaufwärts des Katalysators (3) im Abgastrakt (10) angeordnet ist, - ein Messsignal (MS1) des Abgassensors (2) charakteristisch für den Restsauerstoffgehalt des an ihm vorbeiströmenden Abgases ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A) Einstellen eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses (λ_wan) stromaufwärts des Katalysators (3) und Erzeugen und Ausgeben eines Steuersignals (CS) zum entsprechenden Steuern eines Aktuators (5), der dazu ausgelegt ist, ein dem Verbrennungsmotor (1) zugeführtes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu beeinflussen, B) Berechnen eines Sauerstoffspeicherzustands (ϕ) des Katalysators (3) unter Verwendung eines nichtlinearen Katalysatormodells, wobei als Eingabe ein aus dem Messsignal (MS1) bestimmtes Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ_up) stromaufwärts des Katalysators (3) und als weitere Eingabe der Luftmassenstrom (ṁ_a) durch den Katalysator (3) verwendet werden, C) Anpassen der Einstellung des gewünschten Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnisses (A_wan) und Anpassen des Steuersignals (CS) in Abhängigkeit vom berechneten Sauerstoffspeicherzustand (ϕ).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei - der Sauerstoffspeicherzustand (ϕ) des Katalysators (3) anhand der Sauerstoffspeicherzustandsgleichung berechnet wird als $ϕ = \int_{T 1}^{T 2} 0.23 {\dot{m}}_{α} η (λ_{u p} - λ_{d o w n}) d t,$
- ϕ der Sauerstoffspeicherzustand ist, - T1 und T2 die Grenzen des Integrals sind, - 0,23 der Massenanteil von Sauerstoff in Luft ist, - ṁ_a der Luftmassenstrom durch den Katalysator ist, - η der Wirkungsgrad des Katalysators (3) ist, - λ_up das gemessene Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromaufwärts des Katalysators (3) ist, - λ_down das Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis stromabwärts des Katalysators (3) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei - λ_down auf N(ϕ) + 1 gesetzt wird, - N(ϕ) als ungerades Polynom gesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Parametrierung des Polynoms in Abhängigkeit davon gewählt wird, ob der Verbrennungsmotor (1) mit einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Sauerstoffspeicherzustandsgleichung durch Verwendung des Euler-Integrationsverfahrens gelöst wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei - zur Berechnung des Sauerstoffspeicherzustands (ϕ) der Katalysator (3) in mehrere Abschnitte (31, 32, 33) unterteilt wird, wobei die Abschnitte (31, 32, 33) entlang der Strömungsrichtung des Gasstroms hintereinander angeordnet werden, - der Sauerstoffspeicherzustand (ϕ) aus der Sauerstoffspeicherzustandsgleichung separat für jeden Abschnitt (31, 32, 33) berechnet wird und aus dem erhaltenen Sauerstoffspeicherzustand (ϕ) ein Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ_{down,31,32,33}) stromabwärts des Abschnitts (31, 32, 33) berechnet wird, - das berechnete Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ_down,31,32) stromabwärts eines Abschnitts (31, 32) als Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (λ_up,32,33) stromaufwärts des nächsten Abschnitts (32, 33) zum Berechnen des Sauerstoffspeicherzustands (ϕ) dieses nächsten Abschnitts (32, 33) verwendet wird.
Vorrichtung (4) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug, umfassend: - eine Vorrichtung (4) gemäß Anspruch 7, - einen Verbrennungsmotor (1), - einen Abgastrakt (10) mit einem Abgassensor (2) und einem stromabwärts des Abgassensors (2) angeordneten Katalysator (3), wobei der Abgastrakt (10) mit dem Verbrennungsmotor (1) verbunden ist, - einen Aktuator (5), der dazu ausgelegt ist, ein dem Verbrennungsmotor (1) zugeführtes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu beeinflussen, wobei - das Kraftfahrzeug dazu ausgelegt ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Computerprogramm, umfassend Anweisungen, um die Vorrichtung (4) gemäß Anspruch 7 zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerlesbares Medium mit dem darauf gespeicherten Computerprogramm gemäß Anspruch 9.