DE102022201686A1

DE102022201686A1 - Verfahren, Recheneinheit und Computerprogramm zum Ermitteln einer Menge an Kohlenwasserstoffen in einem Abgas einer Magerbetriebs-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102022201686A1
Application number: DE102022201686.6A
Authority: DE
Inventors: Herbert Schoemig; Tobias Pfister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-24
Also published as: US11852088B2; CN116624252A; US20230265806A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Ermitteln einer Menge an Kohlenwasserstoffen in einem Abgas (10) stromab einer Magerbetriebs-Brennkraftmaschine (110), umfassend ein Beobachten eines ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (110) bei einer hohen Katalysator-Temperatur, wobei eine vorbestimmbare Kraftstoffmenge mit einem überwiegend nicht-verbrennenden Anteil in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine (110) eingebracht wird, ein Ermitteln einer tatsächlichen Temperaturänderung stromab eines Oxidationskatalysators (120) stromab der Brennkraftmaschine (110) während des ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus und ein Ermitteln der Menge an Kohlenwasserstoffen (cHC) in dem Abgas (10) stromauf des Oxidationskatalysators (120) auf Basis der tatsächlichen Temperaturänderung. Ferner werden eine Recheneinheit (140) und ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens (200) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Menge an Kohlenwasserstoffen in einem Abgas einer Magerbetriebs-Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkraftmaschine werden neben Stickstoff (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NO_x) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können typischerweise nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Die dazu eingesetzten Katalysatoren sorgen im betriebswarmen Zustand für eine nahezu vollständige Konvertierung dieser Schadstoffe. Im Katalysator laufen dabei chemische Reaktionen ab. So werden z.B. HC und CO oxidiert zu CO₂ und Wasser. NO_x wird reduziert zu N₂.
Damit diese katalytischen Reaktionen bestimmungsgemäß ablaufen, müssen die Temperaturen im Katalysator in der Regel die sogenannte Light-Off-Temperatur von typischerweise (im Falle eines Drei-Wege-Katalysators, engl.: Three-Way-Catalyst TWC) 300-400°C überschreiten. Bei Diesel-Oxidations-Katalysatoren (engl. Diesel oxidation catalyst DOC) liegt die Light-Off-Temperatur typischerweise in einem Bereich zwischen 140 und 300°C. Sobald diese erreicht bzw. überschritten ist, konvertiert der Katalysator die relevanten Schadstoffe nahezu vollständig. Im Zusammenhang mit Dieselmotoren können auch andere Katalysatortypen, z.B. SCR-Katalysatoren, zum Einsatz kommen, welche für eine effektive Abgasreinigung auch in einem jeweiligen Temperaturbereich betrieben werden müssen.
Um diesen Zustand schnellstmöglich zu erreichen, können sogenannte innermotorische Katalysator-Heizmaßnahmen angewandt werden. Dabei wird z.B. der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch späte Zündwinkel verschlechtert und so die Abgastemperatur und der Enthalpieeintrag in den Katalysator erhöht. Durch angepasste Einspritzstrategien (z. B. Mehrfacheinspritzungen) kann gleichzeitig die Verbrennungsstabilität sichergestellt werden.
Ferner ist es möglich, auch außerhalb der Brennkraftmaschine Wärme zu erzeugen. Beispielsweise kann unverbrannter Kraftstoff auf einer bereits (zumindest teilweise) katalysefähigen Katalysatoroberfläche in einer exothermen Reaktion oxidiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln einer Menge an Kohlenwasserstoffen in einem Abgas einer Magerbetriebs-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.
Im Einzelnen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Beobachtung bzw. Durchführung eines ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus der Brennkraftmaschine bei einer ersten Katalysator-Temperatur, wobei eine vorbestimmbare Kraftstoffmenge mit einem überwiegend nicht-verbrennenden Anteil in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingebracht wird, ein Ermitteln einer tatsächlichen Temperaturänderung stromab eines Oxidationskatalysators stromab der Brennkraftmaschine und ein Ermitteln der Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Abgas stromauf des Oxidationskatalysators auf Basis der tatsächlichen Temperaturänderung. Die Temperaturänderung stromab eines Oxidationskatalysators (auch als Exothermiehub bezeichnet) aufgrund exothermer Reaktion von unverbranntem Kraftstoff mit Sauerstoff auf dem Katalysatormaterial ist ein guter Indikator für den Gehalt an unverbranntem Kraftstoff in dem Abgas stromauf des Katalysators. Grundsätzlich kann bei hoher Umsatzfähigkeit des Katalysators für Kohlenwasserstoffe von einer direkten Proportionalität zwischen der Konzentration der Kohlenwasserstoff stromauf des Katalysators und dem Exothermiehub ausgegangen werden. Die erste Katalysatortemperatur während des ersten Katalysator-Heizmodus liegt daher vorteilhafterweise so hoch, dass eine hohe Katalysefähigkeit des Katalysators sicher angenommen werden kann, also deutlich über der typischen Light-Off-Temperatur des Katalysators.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner ein Berechnen einer erwarteten Temperaturänderung stromab des Oxidationskatalysators unter Berücksichtigung der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge, und ein Korrigieren des Berechnens der erwarteten Temperaturänderung auf Basis einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperaturänderung und der erwarteten Temperaturänderung. Da die Kraftstoffmenge grundsätzlich aus der Steuerung der Kraftstoffzumessung bekannt ist, kann mittels der erwarteten Temperaturänderung die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung überprüft werden und dementsprechend, bei Abweichung zwischen erwartetem und tatsächlichem Exothermiehub, korrigiert bzw. berücksichtigt werden. Insbesondere kann das Verfahren ferner ein Anpassen der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge auf Basis der tatsächlichen und/oder der erwarteten Temperaturänderung umfassen. So kann eine Kalibrierung der Kraftstoffzumessung bzw. der Berechnung des Exothermiehubs erfolgen. Dadurch kann die Steuerung des Abgassystems präzisiert und verbessert werden.
In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst das Verfahren die Beobachtung bzw. Durchführung eines zweiten Katalysator-Heizbetriebsmodus der Brennkraftmaschine bei einer zweiten Katalysator-Temperatur, die deutlich unterhalb der erwähnten ersten Katalysator-Temperatur liegt, unter Berücksichtigung der Korrektur der Berechnung der erwarteten Temperaturänderung und/oder unter Berücksichtigung der Anpassung der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge, ein Berechnen einer weiteren erwarteten Temperaturänderung stromab des Oxidationskatalysators während des zweiten Katalysator-Heizmodus, ein Ermitteln einer weiteren tatsächlichen Temperaturänderung stromab des Oxidationskatalysators während des zweiten Katalysator-Heizmodus, und ein Bewerten einer Katalysatoreffizienz auf Basis einer Differenz zwischen der weiteren erwarteten Temperaturänderung und der weiteren tatsächlichen Temperaturänderung in Betriebsphasen, in denen der Katalysator eine Temperatur (zweite Katalysatortemperatur) aufweist, die beispielsweise nur knapp oberhalb der üblichen Light-off-Temperatur liegt. So kann die Katalysefähigkeit bewertet werden und ein Defekt bzw. eine Alterung des Katalysators erkannt werden, bevor es zu einem emissionsrelevanten Totalausfall kommt.
Insbesondere wird die erwartete und/oder die weitere erwartete Temperaturänderung unter Verwendung einer ersten Rechenvorschrift, die die theoretische Temperatur stromab des Katalysators unter der Voraussetzung einer Normalbetriebsphase, in der kein Kraftstoff nach dem Arbeitstakt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird, berechnet und unter Verwendung einer zweiten Rechenvorschrift, die die theoretische Temperatur stromab des Katalysators unter Berücksichtigung des nicht verbrennenden Anteils der Kraftstoffmenge berechnet, ermittelt. Mit anderen Worten kann ein erstes Temperaturmodell, das die Temperatur im Normalbetriebsmodus berechnet, mit einem zweiten Temperaturmodell, das die Temperatur unter Berücksichtigung des Exothermiehubs berechnet, kombiniert werden. Das erste Temperaturmodell kann somit als Referenzmodell verwendet werden, während das zweite Temperaturmodell speziell das exotherme Verhalten des Katalysators abbildet. Dabei ist nur das zweite Temperaturmodell von der Kraftstoffmenge stromauf des Katalysators abhängig, so dass außerhalb des Katalysator-Heizbetriebsmodus das Referenztemperaturmodell kalibriert werden kann und während des Katalysator-Heizbetriebsmodus je nach Katalysatortemperatur die Kraftstoffmenge kalibriert werden kann (bei einer ersten Katalysatortemperatur, die sicher deutlich über der Light-Off-Temperatur liegt) oder die Katalysefähigkeit des Katalysators bewertet werden kann (bevorzugt nach bereits erfolgter Kalibration der Kraftstoffmenge und Katalysatortemperatur knapp über (z.B. 1, 2, 3, 4, 5 oder bis zu 10°C über) der Light-Off-Temperatur eines spezifikationsgerechten Katalysators).
Vorteilhafterweise wird der erste Katalysator-Heizbetriebsmodus mit hoher Katalysatortemperatur zur Regeneration eines Partikelfilters genutzt. Dies ist vorteilhaft, weil zur Partikelfilterregeneration ohnehin eine hohe Abgastemperatur erforderlich ist und der Katalysator daher sicher oberhalb der zur Konvertierung erforderlichen Mindesttemperatur ist.
Vorteilhafterweise wird ein Gewichtungsfaktor auf Basis eines Vertrauensfaktors der Ermittlung der Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Abgas und/oder einer zeitlichen Verzögerung zwischen einer Änderung der Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Abgas und einer Änderung der Temperatur stromab des Katalysators berechnet und bei der Berechnung der erwarteten Temperaturänderung berücksichtigt. Dadurch kann bei der Anpassung der Berechnung ein „Aufschaukeln“ verhindert werden.
Bevorzugt wird dabei der Gewichtungsfaktor als Quotient aus einer auf Basis der mit dem Vertrauensfaktor verrechneten Menge an Kohlenwasserstoffen errechneten Temperaturänderung und der ohne Berücksichtigung des Vertrauensfaktors erwarteten Temperaturänderung berechnet.
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. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. 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. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine Ausgestaltung eines Abgassystems, wie sie in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung zum Einsatz kommen kann.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in Form eines stark vereinfachten Blockdiagramms.
3 zeigt schematisch typische Signalverläufe bei Anwendung der Adaption im Vergleich zu einer Situation ohne Adaptionsfaktor.
4 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
5 zeigt eine Gewichtungsfunktion, wie sie im Rahmen der in 4 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung verwendet werden kann, in Form eines schematischen Blockdiagramms.
6 illustriert schematisch den zeitlichen Versatz zwischen verschiedenen Größen bei Anwendung einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in Form von Diagrammen über der Zeit.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines Dieselmotors 110 als Magerbetriebs-Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, wie in 1 schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet, erläutert. Das Abgassystem umfasst einen Oxidationskatalysator (engl. Diesel oxidation catalyst, DOC) 120 und einen nachfolgenden Partikelfilter 130 in DPF-Bauform (Diesel-Partikelfilter) oder in SCRF-Bauform (engl. Selective Catalytic Reaction on Filter). Typischerweise ist ein solches System 100 mit einem Abgastemperatur-Sensor 115 stromaufwärts des Katalysators 120 und einem Abgastemperatur-Sensor 125 stromabwärts des Katalysators 120 ausgestattet.
Der Partikelfilter 120 bedarf einer regelmäßigen Regenerationsphase zum Abbrand der angesammelten Rußmasse. Diese Regenerationsphase erfordert eine Aufheizung des Partikelfilters 120 auf eine Temperatur oberhalb von beispielsweise 600°C. Dazu kann neben dem innermotorischen Heizen zur Erhöhung der Motorauslasstemperatur, wie z.B. durch Androsselung des Motors 110 oder Aktivierung einer angelagerten Nacheinspritzung, auch das sog. „Katalysator-Heizen“ genutzt werden. Bei Letzterem werden die HC-Rohemissionen des Motors 110 gezielt durch Aktivierung später Nacheinspritzungen erhöht, was durch exotherme Oxidation der Kohlenwasserstoffe auf dem Katalysator 120 zu einer Erhöhung der Abgastemperatur stromabwärts des Katalysators 120 und damit auch zu einer Erhöhung der Partikelfilter-Temperatur führt.
In 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, beispielsweise eine Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in Form eines stark vereinfachten Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
Das Verfahren 200 beruht auf der Vermessung der HC-Konzentration während einer Regenerationsphase des Partikelfilters 130. Dies soll unter Zuhilfenahme zweier thermodynamischer Modelle des Katalysators 120 erfolgen. Ein erstes Modell 210 bildet das thermische Verhalten eines voll funktionstüchtigen Katalysators 120 nach und liefert einen Modellwert T5_Mdl für die Temperatur stromabwärts des Katalysators an der Position eines verbauten Temperatursensors 125. Ein zweites Modell 220 bildet das exothermiefreie Verhalten des Katalysators 120, d.h. ohne HC-Zufuhr, nach und liefert gleichfalls für die Position des Temperatursensors 125 einen Modellwert T5_MdlRef. Zu den Haupt-Eingangsgrößen des ersten Modells 210 für T5_Mdl zählen neben der Temperatur (T4 in 4) stromaufwärts des Katalysators 120, die beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Sensor 115 ermittelt werden kann, und dem Abgasmassenstrom dmEG insbesondere die HC-Konzentration stromaufwärts des Katalysators 120, d.h. die motorseitige HC-Rohemissions-Konzentration cHC. Typischerweise gibt es für die HC-Konzentration keine Sensorik, so dass hier ein HC-Modell (cHC_Mdl in 4) genutzt werden kann, dessen Einfluss auf das Temperaturmodell bzw. dessen Ausgabewert im Rahmen des Verfahrens 200 korrigiert wird. Dem Fachmann sind bereits Temperaturmodelle mit für die Erfindung hinreichender Güte (z.B. basierend auf physikalischer Wärmestrom-Bilanzierung im Katalysator mit datenbasiertem HC-Umsatz-Wirkungsgrad) bekannt, so dass eine detaillierte Beschreibung hier entfallen kann.
Die HC-Konzentration bewirkt bei betriebswarmem Katalysator 120 einen proportionalen Exothermie-Effekt auf dem Katalysator 120, d.h. der Exothermiehub TExo stromabwärts des Katalysators 120 ist ein direktes Maß für die HC-Konzentration in dem Abgas 10 stromauf des Katalysators. Der Exothermiehub kann dabei als Differenz der Temperatur T5_Mdl und der Referenz-Modell-Temperatur T5_MdlRef berechnet werden. $cHc \sim TExo \sim (T5_Mdl - T5_MdlRef) (= TExo_Mdl in Figur 4)$
Durch Verwendung einer Sensor-Temperatur T5_Meas, die mittels des Sensors 125 stromab des Katalysators 120 ermittelt wird, kann ein gemessener Exothermiehub TExo_Meas (nicht gezeigt) ermittelt werden, während bei Verwendung des Temperaturmodellwertes T5_Mdl ein modellierter Exothermiehub TExo_Mdl ermittelt werden kann, welcher einem Erwartungswert bei HC-Vollumsatz entspricht.
Kommt es aufgrund von Systemtoleranzen zu Abweichungen der realen HC-Konzentration von dem HC-Rohemissionsmodell, so wird die relative Genauigkeit rHC_Acc des HC-Modells unmittelbar durch das Verhältnis aus gemessenem und modelliertem Exothermiehub wiedergegeben. $rHC_Acc = TExo_Meas / TExo_Mdl$
Ein Wert von 0,9 für die relative Genauigkeit rHC_Acc bedeutet also, dass 90% des erwarteten bzw. modellierten Exothermie-Effekts tatsächlich gemessen wird, bzw. eine relative Abweichung rHC_Dvt von 10% vorliegt, die sich, wie in 2 dargestellt, aus den modellierten und gemessenen Temperaturen ermitteln lässt. $rHC_Dvt = (T5_Mdl - T5_Meas) / TExo_Mdl = TExo_Dvt / TExo_Mdl$
Neben der Partikelfilterregeneration wird die späte Nacheinspritzung bzw. die Katalysator-Heizmaßnahme zur Aufwärmung des Abgassystems nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 110 verwendet. In diesem Bereich gibt es im Vergleich zum Regenerationsbetrieb weitere Toleranzen, insbesondere die toleranzbehaftete Umsatzfähigkeit des Katalysators 120 bei den im Heizbetrieb vorherrschenden Temperaturen, die eine Bestimmung der Genauigkeit der Einspritzung bzw. des HC-Modell unmöglich machen. Des Weiteren wird in diesem Heizbetrieb die Katalysator-Diagnose durchgeführt, deren Merkmal ein reduzierter Umsatz ist, der in einer derartigen Situation nicht von einer reduzierten HC-Rohemission unterschieden werden kann.
Das Verfahren 200 sieht daher eine Adaption des HC-Rohemissionsmodells vor, welche während der Katalysator-Überwachung (im Heizbetrieb) mit einem - während der Partikelfilter-Regeneration ermittelten - Adaptionsfaktor rHC_Adapt entsprechend dem Genauigkeitsfaktor rHC_Acc wirken soll. In einer alternativen Ausgestaltung wird der tatsächliche Adaptionsfaktor aus dem oben genannten Genauigkeitsfaktor z.B. über eine Transferkennlinie abgeleitet. In einer weiteren Ausführung wirkt der Adaptionsfaktor auch bei der Steuerung und Regelung des Heizbetriebs selbst. $rHc_Adapt = rHc_Acc = (1 - rHc_Dvt)$
$cHc_MdlAdapt = cHc_Mdl * rHc_Adapt$
Für das gerade beschriebene Prinzip der HC-Modell-Adaption sollen im Folgenden zwei Ausführungsformen angeführt werden. In einer ersten Ausführungsform soll eine bereits etablierte Katalysator-Überwachungsfunktion, welche während einer Partikelfilter-Regeneration wirksam ist, genutzt werden, um den Adaptionsfaktor rHC_Adapt zu ermitteln. In einer zweiten Ausführungsform soll eine eigenständige Beobachter-Struktur genutzt werden, um den Adaptionsfaktor rHC_Adapt zu ermitteln.
Die Katalysator-Überwachung der erwähnten ersten Ausführung, die während einer Partikelfilter-Regeneration aktiv ist, bestimmt als Überwachungsgröße bereits eine Verhältniszahl rHC_Acc aus gemessener und modellierter Exothermie, wie oben beschrieben. Diese Größe wird dort als Maßzahl für die HC-Umsatzfähigkeit des Katalysators 120 genutzt. Je nach Applikation der Überwachungsfunktion werden pro Partikelfilter-Regeneration eine oder mehrere Werte für die Exothermie-Verhältniszahl rHC_Acc bestimmt. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels werden mehrere Werte der Exothermie-Verhältniszahl rHC_Acc von einer oder mehreren Partikelfilter-Regenerationen genutzt, um einen Adaptionsfaktor rHC_Adapt zu ermitteln. Dazu kann aus mehreren Einzelwerten ein gemittelter Adaptions-Wert bestimmt werden. Für den Mittelungs-Algorithmus kommen verschiedene Ausführungen in Frage. Als Beispiele seien hier ein SMA-Filter (Simple-Moving-Average) und ein EWMA-Filter (Exponentially-Weighted-Moving-Average) genannt.
In der erwähnten zweiten Ausführungsform soll für die Ermittlung des Adaptionsfaktors eine Beobachter-Struktur genutzt werden, welche während einer Partikelfilter-Regeneration aktiviert wird. Diese ist in 2 dargestellt und mit 230 bezeichnet. Hierzu wird die relative HC-Modell-Abweichung rHC_Dvt einem Beobachter zugeführt.
Der Beobachter-Ausgang rHC_Obsvr wird dann für eine Adaption des HC-Modell-Werts genutzt. Dieser adaptierte HC-Modellwert wird schließlich in die Berechnung des Temperatur-Modells T5_Mdl zurückgekoppelt, so dass die verbleibende Abweichung rHC_Dvt auf Dauer gegen Null strebt. Diese Funktionsweise ist beispielhaft in 3 dargestellt. Dort ist unter a) eine Situation ohne Adaption dargestellt, während unter b) die Entwicklung von Modell- und Messwerten unter Anwendung der auf der beobachteten Abweichung basierenden Adaption der HC-Konzentration stromauf des Katalysators 120 dargestellt ist. Dabei ist deutlich erkennbar, dass sich ohne Adaption eine zunächst ansteigende und dann stabilisierende Abweichung zwischen Modell und Realität ergibt, während diese Abweichung durch die Adaption ausgeglichen wird. Zum Ende der Adaption stimmen Modell- und Messwert der Temperatur stromab des Katalysators 120 im Wesentlichen überein.
4 zeigt eine detailliertere Illustration der beschriebenen Funktion. Der Beobachter 230 wird hier beispielhaft durch ein Integrator-Element realisiert. Die Zeitkonstante des Integrator-Elements soll abhängig von dem Kehrwert der charakteristischen Zeit für den Wärmedurchsatz durch den Katalysator 120 tauRecDOC applizierbar sein. Ein momentan hoher Wert von tauRecDOC bedeutet, dass der aktuell beobachteten Exothermie-Abweichung rHC_Dvt ein höheres Gewicht zukommt, da höhere Wärmeströme vorliegen, d.h. die Exothermie läuft schneller durch den Katalysator 120 bzw. die durch die exotherme Reaktion im Katalysator erzeugte Wärme kommt schneller stromab des Katalysators 120 an. Daher soll der Kehrwert der Wärmedurchsatz-Zeit tauRecDOC (skalierbar mit einem applizierbaren Faktor facIGovScale) als Integrator-Konstante genutzt werden. Der Wert tauRecDOC wird insbesondere aus dem Abgasmassenstrom dmEG und den Applikationsgrößen m_DOC (Masse des Katalysators 120), cp_DOC (spezifische Wärmekapazität des Katalysator-Substrats) und cp_EG (spezifische Wärmekapazität des Abgases) berechnet.
Die Berechnung des Adaptionsfaktors rHC_Adapt wird freigegeben über einen Freigabe-Status, der insbesondere nur während einer laufenden Partikelfilter-Regeneration gesetzt wird. Außerhalb einer Regeneration bleibt der Adaptionsfaktor rHC_Adapt eingefroren. Bei der nächsten Regeneration wird die Rechnung beginnend beim gespeicherten Wert des Adaptionsfaktors rHC_Adapt fortgesetzt. In dem gezeigten Beispiel wird von einem Initialwert für den Adaptionsfaktor rHC_Adapt von 1 ausgegangen.
Die zweite Ausführung beinhaltet eine optionale Berechnung 240 eines Gewichtungsfaktors facWghtExo. Damit soll die Möglichkeit eröffnet werden, den momentanen Eintrag der Exothermie in die Berechnung des Adaptionsfaktors abhängig von den Bedingungen des HC-Modells zu gewichten. Da der Adaptionsfaktor rHC_Adapt für die Katalysator-Überwachung während eines Motor-Kaltstarts oder eines Nachheizbetriebs genutzt werden soll, soll die Adaption solche Exothermie-Phasen besonders berücksichtigen, die HC-Modell-Bedingungen (z.B. Nacheinspritzmengen-Niveau, Lastpunkt-Kollektiv) aufweisen, welche typisch sind für die Phasen des Motor-Kaltstart-Heizens oder des Nachheizbetriebs. Dagegen sollen Adaptionsphasen, die eher atypische Bedingungen für das HC-Modell während Motor-Kaltstart-Heizen oder dem Nachheizbetrieb aufweisen, in der Adaption weniger stark gewichtet werden.
Eine beispielhafte Berechnung des Gewichtungsfaktors facWghtExo ist in 5 dargestellt. Sie beinhaltet eingangsseitig einige applizierbare Gewichtungsfaktoren, beispielsweise einen Faktor facPol1Wght abhängig von der Nacheinspritzmenge qPol1 und einen Faktor facEngPOpWght abhängig vom Motor-Lastpunkt (Drehzahl nEng und Drehmoment trqEng). Ein applizierter Wert von 1 bedeutet hier, dass der jeweilige Bereich vollends in die Adaption eingeht, während ein Wert von 0 eine gänzliche Ausblendung für die Adaption bedeutet.
Diese Gewichtungsfaktoren werden zu einem Vertrauensfaktor der cHC-Berechnung facWghtHC zusammengefasst und schließlich auf die HC-Modell-Konzentration cHC aufmultiplizert. Mittels eines Katalysator-Temperatur-Modells erhält man eine unter Berücksichtigung des Vertrauensfaktors modellierte Temperatur stromab des Katalysators und nach Subtraktion der Referenz-Modell-Temperatur T5_MdlRef einen unter Berücksichtigung des Vertrauensfaktors modellierten Exothermiehub, der anschließend mit dem (ohne Vertrauensfaktor) modellierten Exothermiehub gewichtet wird, um einen Gewichtungsfaktor auf Exothermie-Basis facWghtExo zu bestimmen. Durch diese Umrechnung wird der veränderlichen Verzugszeit zwischen HC-Konzentrations-Änderung und Temperatur-Änderung Rechnung getragen, da die Adaption selbst auf Exothermie-Basis erfolgt.
Der resultierende Gewichtungsfaktor facWghtExo wird schließlich auf den Integrator-Eingangswert rHC_Dvt aufmultipliziert, wie in 4 dargestellt.
6 stellt beispielhaft die Wirkung des Gewichtungsfaktors anhand von Diagrammen dar, die jeweils den zeitabhängigen (t) Verlauf relevanter Größen in Relation zueinander zeigen. Dabei wird der Zeitversatz zwischen den einzelnen dargestellten Größen deutlich.
In einer alternativen Ausgestaltung wird der Adaptionsfaktor rHC_Adapt bzw. dessen Änderung, also die Anpassung während der letzten Partikelfilterregeneration in den Freigabebedingungen (release) der Katalysator-Diagnose berücksichtigt. So kann sichergestellt werden, dass die Diagnose nur dann läuft, wenn der Adaptionsfaktor rHC_Adapt ausreichend genau eingelernt bzw. ermittelt wurde.

Claims

Verfahren (200) zum Ermitteln einer Menge an Kohlenwasserstoffen in einem Abgas (10) stromab einer Magerbetriebs-Brennkraftmaschine (110), umfassend Beobachten eines ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (110) bei einer ersten Katalysator-Temperatur, wobei eine vorbestimmbare Kraftstoffmenge mit einem überwiegend nicht-verbrennenden Anteil in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine (110) eingebracht wird, Ermitteln einer tatsächlichen Temperaturänderung stromab eines Oxidationskatalysators (120) stromab der Brennkraftmaschine (110) während des ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus und Ermitteln der Menge an Kohlenwasserstoffen (cHC) in dem Abgas (10) stromauf des Oxidationskatalysators (120) auf Basis der tatsächlichen Temperaturänderung.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, umfassend ein Berechnen einer erwarteten Temperaturänderung (TExo_Mdl) stromab des Oxidationskatalysators (120) unter Berücksichtigung der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge, und ein Korrigieren (rHC_Adapt) des Berechnens der erwarteten Temperaturänderung auf Basis einer Differenz (TExo_Dvt) zwischen der tatsächlichen Temperaturänderung und der erwarteten Temperaturänderung (TExo_Mdl).
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Anpassen der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge auf Basis der tatsächlichen und/oder der erwarteten Temperaturänderung.
Verfahren (200) nach Anspruch 2 oder 3, umfassend ein Durchführen eines zweiten Katalysator-Heizmodus der Brennkraftmaschine (110) unter Berücksichtigung der Korrektur (rHC_Adapt) der Berechnung der erwarteten Temperaturänderung (TExo_Mdl) und/oder unter Berücksichtigung der Anpassung der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge, Berechnen einer weiteren erwarteten Temperaturänderung stromab des Oxidationskatalysators (120) während der zweiten Fettbetriebsphase, Ermitteln einer weiteren tatsächlichen Temperaturänderung stromab des Oxidationskatalysators (120) während der zweiten Fettbetriebsphase, und Bewerten einer Katalysatoreffizienz auf Basis einer Differenz (TExo_Dvt) zwischen der weiteren erwarteten Temperaturänderung und der weiteren tatsächlichen Temperaturänderung, wobei der zweite Katalysator-Heizbetriebsmodus so durchgeführt wird, dass sich stromab der Brennkraftmaschine (110) eine im Vergleich zu dem ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus niedrigere Temperatur (T5_Meas) einstellt.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erwartete und/oder die weitere erwartete Temperaturänderung (TExo_Mdl) unter Verwendung einer ersten Rechenvorschrift (220), die die theoretische Temperatur (T5_MdlRef) stromab des Katalysators (120) unter der Voraussetzung einer Normalbetriebsphase, in der kein nicht-verbrennender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine (110) eingebracht wird, berechnet, und unter Verwendung einer zweiten Rechenvorschrift (210), die die theoretische Temperatur (T5_Mdl) stromab des Katalysators (120) unter Berücksichtigung des nicht verbrennenden Anteils der vorbestimmbaren Kraftstoffmenge berechnet, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein Gewichtungsfaktor (facWghtExo) auf Basis eines Vertrauensfaktors (facWghtHC) der Ermittlung der Menge an Kohlenwasserstoffen (cHC) in dem Abgas (10) und/oder einer zeitlichen Verzögerung zwischen einer Änderung der Menge an Kohlenwasserstoffen (cHC) in dem Abgas (10) und einer Änderung der Temperatur (T5_Mdl) stromab des Katalysators (120) berechnet (240) und bei der Berechnung der erwarteten Temperaturänderung (TExo_Mdl) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Gewichtungsfaktor (facWghtExo) als Quotient aus einer auf Basis der mit dem Vertrauensfaktor (facWghtHC) verrechneten Menge an Kohlenwasserstoffen (cHC) errechneten Temperaturänderung und der ohne Berücksichtigung des Vertrauensfaktors (facWghtHC) erwarteten Temperaturänderung (TExo_Mdl) berechnet wird.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei stromab des Katalysators (120) ein Partikelfilter (130) vorgesehen ist und wobei während des ersten Katalysator-Heizbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (110) der Partikelfilter (130) regeneriert wird.
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 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.