DE102022201647B3

DE102022201647B3 - Verfahren, Recheneinheit und Computerprogramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102022201647B3
Application number: DE102022201647.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Fey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2042-02-18
Also published as: CN116608053A; US11879406B2; US20230258140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (120) mit einem Abgaskatalysator (130), einem ersten Abgassensor (145) stromauf des Abgaskatalysators (130) und einem zweiten Abgassensor (147) stromab des Abgaskatalysators (130), umfassend ein Bestimmen (220) eines Füllstands einer in dem Abgaskatalysator (130) speicherbaren Abgaskomponente unter Verwendung eines theoretischen Katalysatormodells, in das als Eingangsgröße zumindest ein Signal des ersten Abgassensors (145) als ein erstes Signal eingeht, ein Erfassen (230) eines Signals des zweiten Abgassensors (147) als ein zweites Signal, ein Ermitteln (240) einer Abweichung des zweiten Signals von einem Sollsignal, wobei das Sollsignal dem Signal entspricht, das bei dem bestimmten Füllstand in dem Abgaskatalysator (130) zu erwarten wäre, ein Reinitialisieren (260) des Katalysatormodells, wenn die Abweichung des zweiten Signals von dem Sollsignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, so, dass der bestimmte Füllstand nach dem Reinitialisieren (260) ein Sollsignal bewirkt, das dem erfassten zweiten Signal entspricht, ein Regeln (270) des Füllstands durch Einstellen eines der Brennkraftmaschine (120) zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs gemäß einem Sollfüllstand auf Basis des bestimmten Füllstands, ein Ermitteln (280) einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal nach dem Reinitialisieren (260) des Katalysatormodells und nach dem Regeln (270) des Füllstands auf den Sollfüllstand, ein Ermitteln (290) eines momentanen Sollwerts für das zweite Signal als ersten Sollwert, ein Einstellen (290) eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs so, dass das zweite Signal einen Lambdawert von Eins anzeigt, durch Verändern des Sollwerts für das zweite Signal auf einen zweiten Sollwert, und ein Ermitteln (290) einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
Hintergrund der Erfindung
In Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Dieselmotoren, Ottomotoren oder Drehkolbenmotoren, werden bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs neben Stickstoff (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen zumindest Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (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 beispielsweise eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten zu relativ unschädlichen Abgaskomponenten, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser, 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 „Katalysatorfenster“, erreicht. Typischerweise wird zum Betrieb des Katalysators im Katalysatorfenster eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator basiert. Für die Regelung des Lambdawerts vor dem Katalysator wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator mit der Lambdasonde gemessen. Abhängig von diesem Messwert korrigiert die Regelung die Kraftstoffmenge, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Für eine genauere Regelung wird zusätzlich das Abgas hinter dem Katalysator mit einer weiteren Lambdasonde analysiert. Dieses Signal wird für eine Führungsregelung verwendet, die der Lambdaregelung vor dem Katalysator überlagert ist. Als Lambdasonde hinter dem Katalysator wird in der Regel eine Sprung-Lambdasonde verwendet, die bei Lambda = 1 eine sehr steile Kennlinie besitzt und deshalb Lambda = 1 sehr genau anzeigen kann.
Neben der Führungsregelung, die im Allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, gibt es in aktuellen Motorsteuerungssystemen in der Regel eine Funktionalität, die nach großen Abweichungen von Lambda = 1 in Form einer Lambda-Vorsteuerung dafür sorgt, dass das Katalysatorfenster schnell wieder erreicht wird.
Viele aktuelle Regelungskonzepte haben den Nachteil, dass sie ein Verlassen des Katalysatorfensters anhand der Spannung der Sprung-Lambdasonde hinter dem Katalysator erst spät erkennen.
Eine Alternative zur Regelung des Dreiwegekatalysators auf Basis des Signals einer Lambdasonde hinter dem Katalysator ist eine Regelung des mittleren Sauerstoff-Füllstands des Katalysators. Da dieser mittlere Füllstand nicht messbar ist, kann er nur mithilfe eines Streckenmodells modelliert werden. Eine solche Art der Regelung kann frühzeitig drohende Durchbrüche erkennen und darauf reagieren, bevor es tatsächlich dazu kommt. Eine entsprechende modellbasierte Regelung des Füllstands eines Dreiwegekatalysators auf Basis der Kinetik der wichtigsten im Katalysator ablaufenden Reaktionen und der Sauerstoff-Speicherfähigkeit ist in der DE 10 2016 222 418 A1 beschrieben. In eine derartige modellbasierte Katalysatorregelung können auch abgespeicherte Sätze von Modellparametern einfließen. Auch eine vom aktuellen Betriebspunkt abhängige Adaption der Speicherfähigkeit des Katalysators ist möglich. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der DE 10 2018 216 980 A1 und der DE 10 2018 251 720 A1 bekannt.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2019 201 293 A1 ein Verfahren zur Regelung eines Füllstands eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird ein Verfahren zur Unterscheidung zwischen Modellungenauigkeiten und Lambdaoffsets für eine modellgestützte Regelung des Füllstands eines Katalysators beschrieben. Der Katalysator ist Teil eines Abgasnachbehandlungssystems, welches vor dem Katalysator und nach dem Katalysator jeweils einen Abgassensor aufweist. Aus einem Signal des ersten Abgassensors wird mittels eines Modells der Sauerstoff-Füllstand des Katalysators bestimmt und für Regelungszwecke verwendet. Das Signal des zweiten Abgassensors wird mit einem modellierten Signal verglichen und selektiv eine Reinitialisierung des Füllstandsmodells durchgeführt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung adressiert insbesondere Situationen, in denen im Abgassystem ein Offset zwischen dem Lambda vor dem Katalysator und dem Lambda hinter dem Katalysator zumindest unter stationären Motorbetriebsbedingungen nicht korrekt angezeigt wird. Beispielsweise haben Messungen mit verschiedenen Sprung- und Breitband-Lambdasonden hinter einem Katalysator gezeigt, dass solche meist als Referenzsensor hinter einem Katalysator eingesetzte Lambdasonden in der Praxis insbesondere betragsmäßig größere Offsets häufig nicht korrekt anzeigen. Oft wird der Offset unterschätzt. Als mögliche Ursachen für eine solche „Fehlsichtigkeit“ kommen zum Beispiel Querempfindlichkeiten für bestimmte Abgaskomponenten wie z.B. Wasserstoff oder Temperaturabhängigkeiten oder Abhängigkeiten vom Motorbetriebspunkt, die in der Sondenkennlinie nicht ausreichend berücksichtigt sind, oder die üblicherweise flache Charakteristik der Spannungs-Lambda-Kennlinie abseits von Lambda = 1 in Frage.
Im Rahmen der Erfindung wird daher eine weiter verbesserte modellbasierte Regelung eines Katalysators vorgestellt, mit der ein Verlassen des Katalysatorfensters frühzeitig erkannt und verhindert wird. Dies wird durch eine Adaption von betragsmäßig verhältnismäßig großen Offsets zwischen dem Lambda vor dem Katalysator und dem Lambda hinter dem Katalysator erfüllt, die auch bei einer Fehlsichtigkeit des Referenzsensors schnell und robust den tatsächlich vorhandenen Offset kompensieren kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Abgaskatalysator und zumindest zwei Abgassensoren aufweist, wobei zumindest ein erster Abgassensor stromauf des Abgaskatalysators und zumindest ein zweiter Abgassensor stromab des Abgaskatalysators angeordnet ist, umfasst ein Bestimmen eines Füllstands zumindest einer in dem Katalysator speicherbaren Abgaskomponente in dem Abgaskatalysator unter Verwendung eines theoretischen Katalysatormodells, in das als Eingangsgröße zumindest ein Signal des ersten Abgassensors als ein erstes Signal eingeht, ein Erfassen eines Signals des zweiten Abgassensors stromab des Abgaskatalysators als ein zweites Signal, ein Ermitteln einer Abweichung des zweiten Signals von einem Sollsignal, wobei das Sollsignal dem Signal entspricht, das bei dem bestimmten Füllstand zu erwarten wäre, ein Reinitialisieren des Katalysatormodells, wenn die Abweichung des zweiten Signals von dem Sollsignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, so, dass der bestimmte Füllstand nach dem Reinitialisieren ein Sollsignal bewirken sollte, das dem erfassten zweiten Signal entspricht, ein Regeln des Füllstands durch Einstellen eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs gemäß einem Sollfüllstand, insbesondere einem Füllstand, der zu Lambda = 1 hinter dem Katalysator führt, auf Basis des bestimmten Füllstands, ein Ermitteln einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal nach dem Reinitialisieren des Katalysatormodells und nach dem Regeln des Füllstands auf den Sollfüllstand, ein Ermitteln eines momentanen Sollwerts für das zweite Signal als ersten Sollwert, ein Einstellen eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs so, dass das zweite Signal einen Lambdawert von Eins anzeigt, durch Verändern des Sollwerts für das zweite Signal auf einen zweiten Sollwert, und ein Ermitteln einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert.
Der Sollwert für das zweite Signal (=Lambdasignal hinter dem Katalysator) wird üblicherweise als Kennfeld abhängig von den Motorbetriebsbedingungen (Drehzahl und relative Last) appliziert.
Vorteilhaft umfasst die Erfindung auch ein Korrigieren des ersten Signals („Offsetkorrektur“) mittels eines Korrekturwerts, der in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert ermittelt wird, so dass die Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal reduziert wird. Es wird so eine effektive Korrektur des Lambdasignals vor dem Katalysator ermöglicht. Der „Offset“ des Vorkat-Lambdasignals kann bei Vorliegen entsprechender Einschaltbedingungen näherungsweise als unabhängig vom Abgaslambda an der Sondenposition und von anderen Einflussgrößen wie zum Beispiel den Motorbetriebsbedingungen angesehen werden. Eine Korrektur ist deshalb mit einem einzelnen Wert möglich.
Das erfindungsgemäße Regelungskonzept hat den grundsätzlichen Vorteil, dass es ein Verlassen des Katalysatorfensters anhand des modellierten Füllstands frühzeitig erkennen kann und damit insgesamt zu geringeren Schadstoffemissionen bzw. einer effektiveren Abgasreinigung beiträgt.
Unter einer Reinitialisierung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahrensschritt verstanden, in dem ein gemessener Wert (insbesondere das zweite Signal) dazu verwendet wird, Parameter der Rechenvorschrift (des theoretischen Katalysatormodells) so zu verändern, dass sich bei der Verarbeitung der Eingangsgröße(n) in der Rechenvorschrift der Katalysatorfüllstand so ergibt, dass das gemessene Signal zu dem modellierten Füllstand passt.
Vorteilhafterweise ist dabei der erste Abgassensor eine Breitband-Lambdasonde und/oder der zweite Abgassensor eine Sprung-Lambdasonde, und/oder umfassen das erste und/oder das zweite Signal Lambdawerte des Abgases der Brennkraftmaschine. Eine Breitbandlambdasonde ist in besonderem Maße zur Verwendung stromauf des Abgaskatalysators geeignet, da an dieser Stelle während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein breiter Wertebereich durchschritten werden kann, während stromab des Katalysators die hohe Präzision einer Sprung-Lambdasonde in einem engen Wertebereich zur sicheren Überwachung der Abgasreinigung beiträgt. Dadurch werden Unsicherheiten in dem Katalysatormodell verringert, indem auf Basis eines besonders zuverlässigen Signals (der Sprung-Lambdasonde, die eine besonders steile Kennlinie im Bereich von Lambda = 1 aufweist) ein mit größerer Unsicherheit behaftetes Signal (der Breitband-Lambdasonde, die eine deutlich flachere Kennlinie und damit einhergehend eine grö-ßere Messungenauigkeit aufweist) adaptiert wird. Es sind jedoch auch andere Abgassensoren in Verbindung mit der Erfindung nutzbar, insbesondere solche, die eine Konzentration einer Abgaskomponente messen bzw. bestimmen, beispielsweise Stickstoffoxidsensoren.
Die zumindest eine Abgaskomponente umfasst insbesondere Sauerstoff. Dieser ist besonders relevant für die Funktionsfähigkeit, insbesondere das Konvertierungsvermögen des Abgaskatalysators.
Der Korrekturwert wird bevorzugt als Produkt der Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert mit einem Abschwächungsfaktor, der insbesondere aus einem Wertebereich zwischen Null und Eins ausgewählt ist, berechnet. Dadurch kann eine Überkompensation und damit ein „Aufschwingen“ der Korrektur vermieden werden.
Dabei wird der Abschwächungsfaktor bevorzugt umso kleiner gewählt, je größer ein Abstand zwischen dem zweiten Signal und dem Sollsignal ist. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Lambdasonde hinter dem Katalysator bei einem Lambdawert um Eins (also in der Nähe des Sollsignals in einem Normalbetriebsmodus) besonders zuverlässige Werte liefert, während mit steigender Entfernung des Lambdawerts von Eins (also weiter entfernt von einem regulären Sollsignal) die gemessenen Werte weniger belastbar sind.
Das Korrigieren des ersten Signals erfolgt bevorzugt durch Addition des Korrekturwerts zu dem ersten Signal. Dies ergibt sich insbesondere dann als besonders rechenökonomische Korrektur, wenn beide Signale bereits einen Lambdawert umfassen bzw. eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Signal und dem zugehörigen Lambdawert besteht.
Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators beschrieben. Die Ausführungen sind sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen übertragbar und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines Dreiwegekatalysators beschränkt. Prinzipiell können alle denkbaren Typen von Abgaskatalysatoren verwendet werden, die zur Speicherung zumindest einer Abgaskomponente in der Lage sind.
Kern der Erfindung ist es, die modellierten Füllstände des Katalysators zunächst durch eine auf dem Signal einer Lambdasonde hinter dem Katalysator basierende Reinitialisierung in einen definierten Zustand zu bringen, in dem die Füllstände des realen Katalysators und die modellierten Füllstände zumindest näherungsweise übereinstimmen. Im Anschluss an diese Reinitialisierung wird der Füllstand eingeregelt, bei dem man minimale Emissionen und Lambda = 1 hinter dem Katalysator erwartet. Nachdem dieser Füllstand eingeregelt ist, wird die Abweichung des mit Hilfe der Lambdasonde tatsächlich hinter dem Katalysator gemessenen Lambdas von 1 erfasst. Diese Abweichung entspricht - bei idealem Sensor - dem vorhandenen Offset zwischen dem Lambda vor und hinter dem Katalysator.
Eine Fehlsichtigkeit des Referenzsensors kann allerdings dazu führen, dass der angezeigte „mutmaßliche“ Lambdaoffset nicht dem tatsächlichen entspricht. Deshalb sieht die Erfindung vor, unmittelbar nach der Erfassung des mutmaßlichen Offsets das Luft-Kraftstoff-Gemisch über eine Änderung des Soll-Lambdas hinter dem Katalysator solange zu verstellen, bis der Referenzsensor hinter dem Katalysator Lambda = 1 anzeigt. Die Änderung des Soll-Lambdas hinter dem Katalysator, bis der Referenzsensor hinter dem Katalysator Lambda = 1 anzeigt, entspricht dem tatsächlichen Lambdaoffset. Dabei wird ausgenützt, dass der Referenzsensor im Bereich um Lambda = 1 in der Regel eine sehr hohe Genauigkeit aufweist, anders als abseits von Lambda = 1. Darüber hinaus wird über den zeitlichen Verlauf der Änderung des Soll-Lambdas berücksichtigt, dass die endliche Streckendynamik eine verzögerte Reaktion des Referenzsensors hinter dem Katalysator auf eine Verstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zur Folge hat.
Diese unmittelbare Plausibilisierung des mutmaßlichen Offsets führt zu einer höheren Robustheit und einer höheren Geschwindigkeit der Adaption, weil der Offset auch bei einer Fehlsichtigkeit des Referenzsensors nicht mehr über- oder unterschätz wird, sondern durch die damit einhergehende Verstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs auch unmittelbar zu einer Kompensation der Lambda-Abweichung hinter dem Katalysator von Lambda = 1 und damit schneller zu geringeren Emissionen.
Schwankungen des Lambdas hinter dem Katalysator im dynamischen Fahrbetrieb und Toleranzen der Lambdasonde hinter dem Katalysator werden durch eine Tiefpass-Filterung des Sondensignals und einen Abschwächungsfaktor berücksichtigt, der bewirkt, dass der ermittelte Offset nur anteilig übernommen bzw. adaptiert wird. Die Robustheit des Verfahrens wird dadurch gesteigert und eine Überkompensation des Offsets vermieden. Das Verfahren kann mehrmals direkt hintereinander durchgeführt werden bis die Abweichung des tatsächlich hinter dem Katalysator gemessenen Lambdawerts von 1 ausreichend klein ist. So kann ein vorhandener Offset innerhalb kurzer Zeit schrittweise vollständig adaptiert werden. Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Laufhäufigkeit von On-Board-Diagnosen, die von dem ermittelten Lambdaoffset abhängen, können besser erfüllt werden.
Eine modellbasierte Regelung eines Katalysators hat den Vorteil, dass ein bevorstehendes Verlassen des Katalysatorfensters früher als bei einer Führungsregelung auf Basis des Signals eines Abgassensors hinter dem Katalysator erkannt werden kann, sodass dem Verlassen des Katalysatorfensters durch eine frühzeitige gezielte Korrektur des Luft-Kraftstoff-Gemischs entgegengewirkt werden kann, bevor es tatsächlich dazu kommt. Durch die Erweiterung einer Kompensation von Mess- und Modellunsicherheiten um die erfindungsgemäße schnelle Lambdaoffset-Adaption lässt sich die Robustheit der modellbasierten Regelung weiter verbessern. Insbesondere können betragsmäßig größere Lambdaoffsets gleichzeitig schneller und robuster adaptiert werden. Die Emissionen im realen Fahrbetrieb können dadurch weiter reduziert werden. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Katalysator erfüllt werden.
Die Erfindung wird hier am Beispiel einer Abgasanlage, die in Strömungsrichtung hintereinander eine Breitband-Lambdasonde, einen Dreiwege-Katalysator und eine Sprung-Lambdasonde umfasst, beschrieben. Es können jedoch auch weitere bzw. andere Katalysatoren, Sensoren und zusätzliche Komponenten, beispielsweise Partikelfilter, vorgesehen sein, die eine Anwendung des Verfahrens zumindest nicht negativ beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung geht von einem adaptiven Katalysatormodell aus. Beispielsweise kann dabei ein Katalysatormodell vorgesehen sein, das eine mehrstufige Adaption verwirklicht, mit der Unsicherheiten von Mess- oder Modellgrö-ßen, die in das dem Modell zugrundeliegende Streckenmodell eingehen, und Unsicherheiten des Streckenmodells kompensiert werden.
Eine solche mehrstufige Adaption kombiniert beispielsweise eine kontinuierlich arbeitende, sehr genaue Adaption von kleineren Abweichungen und eine diskontinuierliche schnelle Korrektur von größeren Abweichungen.
Die kontinuierliche Adaption und die diskontinuierliche Korrektur können dabei auf Signalwerten aus verschiedenen Signalwertbereichen eines Sensors, insbesondere einer im Abgasstrom stromabwärts des Katalysators und damit ausgangsseitig angeordneten Lambdasonde, basieren, wobei aber zwei grundlegend verschiedene Informationen aus diesen Signalwerten abgeleitet werden. Ein solches Modell erlaubt eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Aussagekraft der Signalwerte aus den verschiedenen Signalwertbereichen in Bezug auf die Abgaszusammensetzung und in Bezug auf den Füllstand der zumindest einen Abgaskomponente in dem Katalysator.
Darüber hinaus können mehrere Signalwertbereiche vorgesehen sein, in denen die kontinuierliche Adaption alleine, die diskontinuierliche Korrektur alleine oder beide zusammen aktiv sind.
Bei der diskontinuierlichen Korrektur wird ein modellierter Füllstand beispielsweise dann, wenn die Spannung einer ausgangsseitigen Lambdasonde einen Durchbruch von fettem oder magerem Abgas hinter dem Katalysator und damit einen zu niedrigen bzw. einen zu hohen tatsächlichen (Sauerstoff-)Füllstand anzeigt, dem tatsächlichen Füllstand entsprechend korrigiert. Diese Korrektur erfolgt diskontinuierlich, um die Reaktion der Spannung der Lambdasonde hinter dem Katalysator bewerten zu können. Da diese Reaktion aufgrund der Streckentotzeit und des Speicherverhaltens des Katalysators verzögert erfolgt, kann das adaptive Katalysatormodell insbesondere vorsehen, die Korrektur zunächst einmalig dann durchzuführen, wenn der Lambdawert des Signals der stromab des Katalysators angeordneten Lambdasonde einen Rückschluss auf den tatsächlichen (Sauerstoff-)Füllstand in dem Katalysator erlaubt.
Die Erfindung baut auf dieser diskontinuierlichen Korrektur auf und ergänzt diese um eine Lambda-Offset-Adaption, da erkannt wurde, dass gerade in einem Zustand nach einer derartigen Korrektur des modellierten Füllstands ein besonders gut definierter Zustand vorliegt, der eine möglichst präzise Ermittlung des Offsets der Lambdasonde stromauf des Katalysators anhand des Signals der Lambdasonde stromab des Katalysators ermöglicht.
Bei der erwähnten kontinuierlichen Adaption wird beispielsweise das Lambdasignal einer Sprung-Lambdasonde hinter dem Katalysator mit einem modellierten Lambdasignal hinter dem Katalysator verglichen. Aus diesem Vergleich lässt sich ein Lambdaoffset zwischen dem Lambdawert vor dem Katalysator und dem Lambdawert hinter dem Katalysator ableiten. Mit dem Lambdaoffset wird zum Beispiel ein durch eine Vorsteuerung gebildeter Lambdasollwert korrigiert. Diese kontinuierliche Adaption arbeitet jedoch bedeutend langsamer als die soeben beschriebene diskontinuierliche Korrektur und ist daher nicht zur Behebung großer Offsets geeignet, da ein Erreichen des Katalysatorfensters dadurch stark verzögert würde. Die vorliegende Erfindung schließt auf besonders vorteilhafte Weise genau diese Lücke in Fällen großer Offsets der Lambdasonde stromauf des Katalysators.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Anwendung kommen kann.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Fahrzeug 100, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Anwendung kommen kann, schematisch als Blockdiagramm dargestellt. Das Fahrzeug 100 ist vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens 200 gemäß 2 eingerichtet und weist einen Verbrennungsmotor 120, beispielsweise einen Ottomotor, einen Katalysator 130 sowie eine Recheneinheit 140 auf. Ferner kann das Fahrzeug 100 eine Kraftstoff-Aufbereitungsvorrichtung 110, beispielsweise in Form von Einspritzpumpe(n), Turbolader(n) usw. oder Kombinationen daraus, umfassen.
Ferner weist ein solches Fahrzeug (Abgas-)Sensoren 145, 147, insbesondere Lambdasonden, die stromauf und stromab des Katalysators 130 in einem Abgassystem des Fahrzeugs 100 angeordnet sind, auf.
Die Recheneinheit steuert unter anderem den Betrieb des Verbrennungsmotors 120, beispielsweise durch Steuern von Zündzeitpunkten, Ventilöffnungszeiten sowie Zusammensetzung, Menge und/oder Druck des von der Kraftstoff-Aufbereitungsvorrichtung 110 bereitgestellten Kraftstoff-Luft-Gemischs.
Die Recheneinheit 140 ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, ferner das in 2 veranschaulichte Verfahren 200 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchzuführen.
Bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine 120 entstehendes Abgas wird dem Katalysator 130 zugeführt. Stromauf des Katalysators 130 wird in einem ersten Schritt 210 des Verfahrens 200 mittels einer ersten Lambdasonde 145 die Luftzahl Lambda des Abgases gemessen und dieser erste Lambdawert an die Recheneinheit 140 übermittelt.
In einem Schritt 220 wird abhängig von dem in Schritt 210 ermittelten Lambdawert stromauf des Katalysators 130 ein Füllstand zumindest einer Abgaskomponente in dem Katalysator 130 berechnet. Dies betrifft beispielsweise einen Sauerstoff-Füllstand, jedoch kann auch für andere Abgas-Komponenten, beispielsweise Stickstoffoxide, ein entsprechender Füllstand in dem Katalysator 130 ermittelt werden.
Durch den Katalysator werden Reaktionen von Abgasbestandteilen untereinander beschleunigt bzw. erst ermöglicht, so dass schädliche Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxide und nicht vollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, in relativ unschädliche Produkte wie Wasserdampf, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden. Stromab des Katalysators 130 wird in einem Schritt 230 ein zweiter Lambdawert durch eine zweite Lambdasonde 147 ermittelt und an die Recheneinheit 140 übermittelt.
Der erste und der zweite Lambdawert können zeitweise oder dauerhaft voneinander abweichen, da durch die Reaktionen in dem Katalysator 130 die Zusammensetzungen des Abgases stromauf und stromab des Katalysators 130 voneinander abweichen. Zudem benötigt das Abgas eine gewisse Zeit, um den Katalysator 130 zu durchströmen (sog. Totzeit). Diese Totzeit ist insbesondere abhängig von einem aktuellen Volumenstrom des Abgases, also von einem aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 120. Beispielsweise wird bei Betrieb der Brennkraftmaschine 120 unter Volllast eine höhere Abgasmenge pro Zeiteinheit produziert als bei einem Leerlaufbetrieb. Dadurch ändert sich die jeweilige Totzeit in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 120, da das Volumen des Katalysators 130 konstant ist.
Vereinfachend wird in diesen Erläuterungen jeweils beispielhaft von einem Emissions-Minimum bei einem Lambdawert von Eins ausgegangen. Die Erfindung ist jedoch ebenso anwendbar, wenn der Sollfüllstand zur Erzielung minimaler Emissionen einem von Lambda = 1 abweichenden Lambdasollwert entspricht.
Wie erwähnt, basiert die vorliegende Erfindung auf dem Signal des Abgassensors 147 stromab des Katalysators 130. Sie macht sich dabei insbesondere zunutze, dass, wenn die Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 eindeutig eine hohe oder eine niedrige Spannung anzeigt, das Spannungssignal mit dem aktuellen (Sauerstoff-)Füllstand in dem Katalysator 130 korreliert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Sondenspannung nicht einem Lambda im Bereich von 1 entspricht. In diesem Fall ist der Katalysator 130 so weit von Sauerstoff befreit bzw. so weit mit Sauerstoff gefüllt, dass fettes bzw. mageres Abgas durchbricht. Das wird ausgenützt, um einen oder mehrere modellierte Füllstände zu reinitialisieren, z.B. die modellierten Sauerstoff-Füllstände in mehreren axialen Bereichen des Katalysators 130, wenn eine eindeutig hohe oder niedrige Spannung der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 auftritt.
Dementsprechend wird in einem Schritt 240 eine Abweichung zwischen dem in Schritt 230 ermittelten Sondensignal der Lambdasonde 147 stromab des Katalysators 130 von einem Sollsignal, das einem aufgrund des in Schritt 220 ermittelten Katalysator-Füllstands zu erwartenden Signal entspricht, ermittelt. Das Sollsignal kann in einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine 120, also einem Betriebszustand mit konstanter Lastanforderung, insbesondere einem Lambdawert von eins bzw. einem Lambdawert in der Nähe von eins entsprechen.
In einem Schritt 250 wird die in Schritt 240 ermittelte Abweichung des tatsächlichen Lambdawerts stromab des Katalysators 130 von dem erwarteten Wert mit einem Schwellwert verglichen. Ist die Abweichung kleiner als der Schwellwert, so kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 210 zurück. Erreicht die Abweichung dagegen den Schwellwert bzw. übersteigt sie diesen, so fährt das Verfahren 200 mit einem Schritt 260 fort, in dem das Katalysatormodell auf Basis des stromab des Katalysators 130 ermittelten Sondensignals reinitialisiert wird. Durch diese Reinitialisierung 260 werden die modellierten Füllstände des Katalysators 130 in einen definierten Zustand gebracht, in dem sie mit den entsprechenden Füllständen des realen Katalysators 130 zumindest näherungsweise gut übereinstimmen.
Eine solche diskontinuierliche Korrektur bzw. Reinitialisierung 260 der modellierten Füllstände führt zu einer Abweichung des mittleren modellierten Füllstands von einem vorgegebenen Sollwert. Diese Abweichung wird nachfolgend in einem Schritt 270 ausgeregelt. Sie führt zu einer Verstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung des Sollwerts der Füllstandsregelung und bringt den Katalysator 130 sehr schnell in Richtung des Katalysatorfensters. Sie führt also unmittelbar zu einer Emissionsverbesserung und bringt den Katalysator 130 gleichzeitig in einen definierten Zustand, in dem sich hinter dem Katalysator 130 erwartungsgemäß Lambda = 1 (bzw. ein nahe an eins liegender Lambdawert) einstellen sollte. Das Katalysatorfenster wird aber nur dann tatsächlich erreicht und Lambda = 1 wird sich hinter dem Katalysator 130 nur dann tatsächlich einstellen, wenn das Signal der Lambdasonde 145 vor dem Katalysator 130, auf dem die Modellierung des eingeregelten Sauerstoff-Füllstands basiert, keinen Offset aufweist. Ist das doch der Fall, dann stellt sich hinter dem Katalysator 130 nicht Lambda = 1 ein, sondern ein um diesen Offset von Lambda = 1 abweichender Lambdawert.
Sobald der Sauerstoff-Füllstand nach der Reinitialisierung (in Schritt 260) eingeregelt ist, wird in einem Schritt 280 die Abweichung des tatsächlichen Lambdawerts (Istwert) hinter dem Katalysator 130 von Lambda = 1 (bzw. von dem Lambdasollwert) mit Hilfe der hinter dem Katalysator 130 angeordneten Lambdasonde 147 erfasst. Jedoch kann auch die Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 eine Messungenauigkeit aufweisen, d.h. diese Abweichung kann auch durch die Lambdasonde 147 verursacht sein.
Um den tatsächlichen Lambdaoffset ohne Beeinflussung durch eine Messungenauigkeit der Lambdasonde 147 bestimmen zu können, wird in einem Schritt 290 daher der Lambdasollwert hinter dem Katalysator so verändert, dass sich hinter dem Katalysator 130 tatsächlich Lambda = 1 einstellt. Diese Veränderung des Lambdasollwerts entspricht dann dem tatsächlichen Lambdaoffset. Dabei wird ausgenützt, dass die Lambdasonde 147 im Bereich um Lambda = 1 in der Regel eine sehr hohe Genauigkeit aufweist. Darüber hinaus wird über den zeitlichen Verlauf der Änderung des Lambdasollwerts berücksichtigt, dass die endliche Streckendynamik eine verzögerte Reaktion der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator auf eine Verstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zur Folge hat.
Auf Basis dieser Veränderung des Lambdasollwerts wird ein Korrekturwert 285 ermittelt, der nachfolgend bei der Ermittlung des Lambdawerts stromauf des Katalysators 130 berücksichtigt wird. Insbesondere ist dieser Korrekturwert 285 eine Zahl, die zu dem in Schritt 210 gemessenen Lambdawert stromauf des Katalysators 130 addiert wird. Es versteht sich von selbst, dass die Erfassung der Abweichung nur sinnvoll ist, wenn das Signal der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 vertrauenswürdig und diese Sonde 147 insbesondere betriebsbereit ist. Optional kann auch eine Wartezeit bzw. eine Mindestabgasmenge vorgesehen werden, die abgewartet bzw. durchgesetzt werden muss, bevor die Abweichung erfasst wird. Dadurch kann insbesondere der bereits erwähnten Totzeit Rechnung getragen werden.
Nach dem Schritt 280 kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 210 zurück, wobei in dem neuerlichen Schritt 210 der ermittelte Korrekturwert 285 bei der Ermittlung des Lambdawerts stromauf des Katalysators 130 berücksichtigt wird.
Da im dynamischen Fahrbetrieb davon auszugehen ist, dass der Lambdawert hinter dem Katalysator 130 nicht konstant ist, sondern um einen Mittelwert schwanken kann, wird das Signal der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 vorzugsweise tiefpass-gefiltert.
Da die Lambdawertgenauigkeit des Signals einer Sprung-Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 abseits von Lambda = 1 durch Temperatureffekte, Querempfindlichkeiten und die flache Charakteristik der Spannungs-Lambda-Kennlinie eingeschränkt sein kann, ist außerdem vorgesehen, den ermittelten Offset mit Hilfe eines Abschwächungsfaktors nur anteilig als Korrekturwert 285 zu übernehmen, z.B. nur zu 50%. Vorzugsweise wird die Abschwächung weiter von Lambda = 1 entfernt verstärkt und umso mehr reduziert, je dichter das gemessene Sondensignal bei Lambda = 1 ist, weil dort die Lambdagenauigkeit am höchsten ist. Die Robustheit der Offset-Korrektur wird durch die anteilige Übernahme gesteigert, weil dadurch eine Überkompensation des Offsets, die zu einem Aufschwingen der Offsetadaption und erhöhten Emissionen führen könnte, sicher vermieden wird.
Der so ermittelte Korrekturwert 285 wird vorzugsweise zur Adaption bzw. Korrektur des Signals der Lambdasonde 145 vor dem Katalysator 130 verwendet. Bei einem angenommenen Abschwächungsfaktor von 50% ist der nach einem ersten Adaptionsschritt noch vorhandene Offset zwischen dem Lambdawert vor dem Katalysator 130 und dem Lambdawert hinter dem Katalysator 130 nur noch halb so groß wie ursprünglich.
Wenn die Spannung der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 erneut eine eindeutig hohe oder niedrige Spannung anzeigt, wird das Verfahren 200 wiederholt, gegebenenfalls mehrfach. Optional kann das Verfahren 200 auch dann schon wiederholt werden, wenn das Signal der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 in eine Richtung läuft, die nicht der infolge der Reinitialisierung erwarteten entspricht, z.B., wenn die Sondenspannung nach einer Reinitialisierung bei niedriger Sondenspannung zunächst in Richtung einer höheren Sondenspannung, dann aber wieder in Richtung einer niedrigen Sondenspannung läuft. Da der Abschwächungsfaktor umso stärker reduziert wird je dichter das gemessene Signal der Lambdasonde 147 hinter dem Katalysator 130 bei Lambda = 1 ist, wird mit jedem Schritt anteilig mehr von dem Offset adaptiert. Auf diese Weise kann auch ein betragsmäßig großer Lambdaoffset durch mehrere aufeinander folgende Reinitialisierungs- und Adaptionsschritte schnell und robust vollständig adaptiert werden.

Claims

Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (120) mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Abgaskatalysator (130) und zumindest zwei Abgassensoren (145, 147) aufweist, wobei zumindest ein erster Abgassensor (145) stromauf des Abgaskatalysators (130) und zumindest ein zweiter Abgassensor (147) stromab des Abgaskatalysators (130) angeordnet ist, umfassend: Bestimmen (220) eines Füllstands zumindest einer in dem Abgaskatalysator (130) speicherbaren Abgaskomponente in dem Abgaskatalysator (130) unter Verwendung eines theoretischen Katalysatormodells, in das als Eingangsgröße zumindest ein Signal des ersten Abgassensors (145) als ein erstes Signal eingeht, Erfassen (230) eines Signals des zweiten Abgassensors (147) als ein zweites Signal, Ermitteln (240) einer Abweichung des zweiten Signals von einem Sollsignal, wobei das Sollsignal dem Signal entspricht, das bei dem bestimmten Füllstand in dem Abgaskatalysator (130) zu erwarten wäre, Reinitialisieren (260) des Katalysatormodells, wenn die Abweichung des zweiten Signals von dem Sollsignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, so, dass der bestimmte Füllstand nach dem Reinitialisieren (260) ein Sollsignal bewirken sollte, das dem erfassten zweiten Signal entspricht, Regeln (270) des Füllstands in dem Abgaskatalysator (130) durch Einstellen eines der Brennkraftmaschine (120) zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs gemäß einem Sollfüllstand auf Basis des bestimmten Füllstands, Ermitteln (280) einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal nach dem Reinitialisieren (260) des Katalysatormodells und nach dem Regeln (270) des Füllstands auf den Sollfüllstand, Ermitteln (290) eines momentanen Sollwerts für das zweite Signal als ersten Sollwert, Einstellen (290) eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs so, dass das zweite Signal einen Lambdawert von Eins anzeigt, durch Verändern des Sollwerts für das zweite Signal auf einen zweiten Sollwert, und Ermitteln (290) einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der erste Abgassensor (145) eine Breitband-Lambdasonde ist und/oder der zweite Abgassensor (147) eine Sprung-Lambdasonde ist und/oder das erste und/oder das zweite Signal Lambdawerte umfassen.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Abgaskomponente Sauerstoff umfasst.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: Korrigieren des ersten Signals mittels eines Korrekturwerts (285), der in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Sollwert ermittelt wird, so dass die Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal reduziert wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 4, wobei der Korrekturwert (285) als Produkt der Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal mit einem Abschwächungsfaktor, der insbesondere aus einem Wertebereich zwischen Null und Eins ausgewählt ist, berechnet wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 5, wobei der Abschwächungsfaktor umso kleiner gewählt wird, je größer ein Abstand zwischen dem zweiten Signal von dem Sollsignal ist.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Korrigieren des ersten Signals durch Addition des Korrekturwerts (285) zu dem ersten Signal erfolgt.
Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.