DE102022210290A1 - Verfahren zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem mit einem Katalysatormodell (102) ein Ist-Sauerstoff-Füllstand (θmod) des Katalysators (26) modelliert wird,wobei ein Zustand für den Verbrennungsmotor (10) erkannt wird, bei dem eine kurze magere Verbrennung, insbesondere von wenigen Millisekunden, auftritt,dass während eines vorgebbaren ersten Zeitintervalls (Δt12) der Ist-Sauerstoff-Füllstand (θmod) des Katalysators (26) ermittelt wird,wobei wenn der Ist-Sauerstoff-Füllstand (θmod) innerhalb des ersten Zeitintervalls (Δt12) einen vorgebbaren (Sauerstofffüllstands)schwellenwert (c) überschreitet, am Ende des ersten Zeitintervalls (Δt12) der ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand (θmod) gespeichert wird und ein zweites Zeitintervall (Δt23) gestartet wird,wobei startend mit dem zweiten Zeitintervall (Δt23) kontinuierlich ein zweites Signal stromabwärts des Katalysators (26) ermittelt wird, wobei mittels des zweiten Signals auf einen Sauerstoffdurchbruch im Zusammenhang mit dem im ersten Zeitintervalls (Δt12) ermittelten Sauerstoffeintrag geschlossen werden kann,wobei mindestens ein Gradient (λGrad) aus dem Signal des zweiten Sensors in dem zweiten Zeitintervall (Δt23) ermittelt wird,wobei wenn der mindestens eine Gradient (λGrad) einen vorgebbaren Gradientenschwellenwert (SGrad) überschreitet ein Ausräumvorgang für den Katalysators (26) gestartet wird, wobei der am Ende des ersten Zeitintervalls (Δt12) gespeicherte Ist-Sauerstoff-Füllstand (θmod) als Ist-Wert für eine Vorsteuerung oder Regelung eines Kraftstoffgemischs eingestellt wird wobei eine Anfettung des Krafstoffgemischs durchgeführt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotor werden neben Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Durch die Verwendung eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten konvertiert werden.
    Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NOx wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten Konvertierungsfenster, erreicht.
  • Bei sehr kurzen Magerphasen, die z.B. bei Gangwechseln oder Zylinderausblendungen auftreten, besteht das Problem, dass ein Abgassensor hinter dem Katalysator unmittelbar nach der Magerphase aufgrund der Gaslaufzeit vom Brennraum des Motors bis zu diesem Sensor noch nicht auf die Magerphase reagieren konnte und somit immer noch fettes Abgas anzeigt, wenn er dies schon vor der Magerphase getan hat.
  • Die DE 10 2016 222 418 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Füllung eines Abgaskomponentenspeichers eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem mit einem ersten Katalysatormodell (100) ein Ist-Füllstand (Θ) des Abgaskomponentenspeichers ermittelt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lambda-Sollwert (λ) gebildet wird, wobei ein vorbestimmter Soll-Füllstand (θ) durch ein zu dem ersten Katalysatormodell (100) inverses zweites Streckenmodell (104) in einen Basis-Lambda-Sollwert umgerechnet wird, wobei eine Abweichung des Ist-Füllstandes (θ) von dem vorbestimmten Soll-Füllstand (θ) ermittelt und durch eine Füllstandsregelung (124) zu einem Lambda-Sollwert-Korrekturwert verarbeitet wird, eine Summe aus dem Basis-Lambda-Sollwert und dem Lambda-Sollwert-Korrekturwert gebildet wird und die Summe zur Bildung eines Korrekturwertes verwendet wird, mit dem eine Kraftstoffzumessung zu wenigstens einem Brennraum (20) des Verbrennungsmotors (10) beeinflusst wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verbesserung des Katalysatorausräumens nach kurzen Magerphasen zu ermöglichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors nach den unabhängigen Ansprüchen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, eines der Verfahren durchzuführen.
  • In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors offenbart, bei dem mit einem Katalysatormodell ein Ist-Sauerstoff-Füllstand des Katalysators modelliert wird, wobei ein Zustand für den Verbrennungsmotor erkannt wird, bei dem eine kurze magere Verbrennung, insbesondere von wenigen Millisekunden, auftritt, dass während eines vorgebbaren ersten Zeitintervalls der Ist-Sauerstoff-Füllstand des Katalysators ermittelt wird, wobei wenn der Ist-Sauerstoff-Füllstand innerhalb des ersten Zeitintervalls einen vorgebbaren Sauerstoff-Füllstandsschwellenwert überschreitet, am Ende des ersten Zeitintervalls der ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand gespeichert wird und ein zweites Zeitintervall gestartet wird, wobei startend mit dem zweiten Zeitintervall kontinuierlich ein zweites Signal stromabwärts des Katalysators ermittelt wird, wobei mittels des zweiten Signals auf einen Sauerstoffdurchbruch im Zusammenhang mit dem im ersten Zeitintervalls ermittelten Sauerstoffeintrag geschlossen werden kann, wobei mindestens ein Gradient aus dem Signal des zweiten Sensors in dem zweiten Zeitintervall ermittelt wird, wobei wenn der mindestens eine Gradient einen vorgebbaren Gradientenschwellenwert überschreitet ein Ausräumvorgang für den Katalysators gestartet wird, wobei der am Ende des ersten Zeitintervalls gespeicherte Ist-Sauerstoff-Füllstand als Ist-Wert für eine Vorsteuerung oder Regelung eines Kraftstoffgemischs eingestellt wird wobei eine Anfettung des Kraftstoffgemischs durchgeführt wird.
    Das Verfahren hat dabei den besonderen Vorteil, den Ist-Sauerstoff-Füllstand des Katalysators während eines ersten Zeitintervalls modellbasiert zu erfassen und am Ende des ersten Zeitintervalls zu speichern und anschließend eine Reaktion auf den Magereintrag in den Katalysator in einem zweiten Zeitintervall durch einen Abgassensor stromabwärts des Katalysators zu überwachen. In Abhängigkeit der Überwachung kann auf einen möglichen Sauerstoffdurchbruch aufgrund des Sauerstoffeintrags während des ersten Zeitintervalls schnell und bedarfsgerecht reagiert werden und Abhilfemaßnahmen können durchgeführt werden, z.B. durch ein Katalysatorausräumen, d.h. durch eine Anfettung der Verbrennung.
    Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass unnötiges Katalysatorausräumen nach kurzen Magerphasen durch diese Überwachung vermieden werden kann. Dadurch entstehen geringere CO-, HC- und NH3-Emissionen und der Kraftstoffverbrauch ist geringer als beim generellen Ausräumen einer Mindestmenge. Zum anderen hat das Verfahren gegenüber einem direkten Abbruch des Katalysatorausräumens nach einer kurzen Magerphase den Vorteil, dass der Katalysator ausgehend von dem gespeicherten Sauerstoff-Füllstand vorgesteuert schneller und genauer ins sein Katalysatorfenster zurückgebracht werden kann, als es allein mit der Führungsregelung möglich wäre, wenn der Katalysator tatsächlich ausgeräumt werden muss.
    Das Katalysatorausräumen nach kurzen Magerphasen kann so zielgerichteter erfolgen und die Robustheit das Katalysatorausräumens wird erhöht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird das erste vorgebbare Zeitintervall, startend mit einem ersten vorgebbaren Zeitpunkt und endend mit einem vorgebbaren zweiten Zeitpunkt, durchgeführt, wobei der erste vorgebbare Zeitpunkt in Abhängigkeit einer gestarteten Zylinderabschaltung oder eines gestarteten Gangwechsels und der vorgebbare zweite Zeitpunkt einem Ende der Zylinderabschaltung oder dem Ende des Gangwechsels entspricht.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass somit kurze magere Verbrennungen robust zeitlich eingegrenzt werden können.
  • In einer besonderen Ausgestaltung wird das zweite vorgebbare Zeitintervall startend mit dem vorgebbaren zweiten Zeitpunkt und endend mit einem dritten vorgebbaren Zeitpunkt, durchgeführt, wobei der dritte vorgebbare Zeitpunkt in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit gewählt wird, wobei die Gaslaufzeit einer Zeit entspricht, die das Abgas zwischen dem Brennraum des Motors durch den Katalysator bis zum zweiten Abgassensor zurücklegt oder in Abhängigkeit des aktuellen Abgasmassenstrom und/oder eines Alterungsfaktors des Katalysators gewählt wird.
    Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Zeitraum eines möglichen Sauerstoffdurchbruchs als Reaktion auf die vorhergehende kurze Magerphase eingegrenzt werden kann und somit lässt sich die Robustheit des Verfahrens erhöhen.
  • Ferner kann das erste Katalysatormodell insbesondere ein reaktionskinetisches Modell oder ein Integrationsmodell sein, wobei der Ist-Sauerstoff-Füllstand mithilfe des Katalysatormodells in Abhängigkeit eines ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stromaufwärts des Katalysators und/oder eines Alterungsfaktors des Katalysators und/oder einer Katalysatortemperatur ermittelt wird.
  • In einer besonderen Ausgestaltung kann der zweite Abgassensor eine zweite Lambdasonde sein, wobei die zweite Lambdasonde ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein Spannungssignal stromabwärts des Katalysators ermittelt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann der zweite Abgassensor als ein NOx-Konzentrationssensor ausgebildet sein, wobei der NOx-Konzentrationssensor eine NOx-Konzentration, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein Spannungssignal stromabwärts des Katalysators ermittelt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zustand für den Verbrennungsmotor, in dem eine kurze magere Verbrennung stattfindet, während eines Gangwechsel oder einer aktivierten Zylinderausblendung detektiert, wobei eine kurze magere Verbrennung vorzugsweise zwischen 10 bis 1000 Millisekunden andauert.
  • In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer
    Form:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem als technisches Umfeld der Erfindung;
    • 2 eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells; und
    • 3 eine Funktionsblockdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Dreiwegekatalysators und für Sauerstoff als zu speichernde Abgaskomponente beschrieben. Die Erfindung ist aber sinngemäß auch auf andere Katalysatortypen und Abgaskomponenten wie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe übertragbar. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen von einer Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator ausgegangen. Die Erfindung ist sinngemäß auch auf Abgasanlagen mit mehreren Katalysatoren übertragbar. Die nachfolgend beschriebenen vorderen und hinteren Zonen können sich in diesem Fall über mehrere Katalysatoren erstrecken bzw. in unterschiedlichen Katalysatoren liegen.
  • Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 eines Fahrzeugs mit einem Luftzufuhrsystem 12, einem Abgassystem 14 und einem Steuergerät 16. Im Luftzufuhrsystem 12 befindet sich ein Luftmassenmesser 18 und eine stromabwärts des Luftmassenmessers 18 angeordnete Drosselklappe einer Drosselklappeneinheit 19. Die über das Luftzufuhrsystem 12 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luft wird in Brennräumen 20 des Verbrennungsmotors 10 mit Benzin gemischt, das über Einspritzventile 22 direkt in die Brennräume 20 eingespritzt wird. Die resultierenden Brennraumfüllungen werden mit Zündvorrichtungen 24, beispielsweise Zündkerzen, gezündet und verbrannt. Ein Drehwinkelsensor 25 erfasst den Drehwinkel einer Welle des Verbrennungsmotors 10 und erlaubt dem Steuergerät 16 dadurch eine Auslösung der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch das Abgassystem 14 abgeleitet.
  • Das Abgassystem 14 weist einen Katalysator 26 auf. Der Katalysator 26 ist zum Beispiel ein Dreiwegekatalysator, der bekanntlich auf drei Reaktionswegen die drei Abgasbestandteile Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid konvertiert und eine Sauerstoff speichernde Wirkung besitzt. Der Dreiwegekatalysator 26 weist im dargestellten Beispiel eine erste Zone 26.1 und eine zweite Zone 26.2 auf. Beide Zonen werden vom Abgas 28 durchströmt. Die erste, vordere Zone 26.1 erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen vorderen Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Die zweite, hintere Zone 26.2 erstreckt sich stromabwärts der ersten Zone 26.1 über einen hinteren Bereich des Dreiwegekatalysators 26. Selbstverständlich können vor der vorderen Zone 26.1 und hinter der hinteren Zone 26.2 sowie zwischen den beiden Zonen weitere Zonen liegen, für die ggf. ebenfalls der jeweilige Füllstand modelliert wird.
  • Stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist ein dem Abgas 28 ausgesetzter vorderer Abgassensor 32 unmittelbar vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Stromabwärts des Dreiwegekatalysators 26 ist ein ebenfalls dem Abgas 28 ausgesetzter hinterer Abgassensor 34 unmittelbar hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Der erste Abgassensor 32 ist bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, die eine Messung eines ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ1 über einen breiten Luftzahlbereich hinweg erlaubt.
    Der erste Abgassensor 32 ist stromabwärts des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 26 angeordnet.
    Der zweite Abgassensor 34, also stromabwärts des Dreiwegekatalysators 26, ist bevorzugt eine sogenannte Sprung-Lambdasonde, mit der die Luftzahl λ = 1 besonders genau gemessen werden kann, weil sich das Signal dieses Abgassensors 34 dort sprungartig ändert. Vgl. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524.
    Der zweite Abgassensor 34 ermittelt ein zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann der zweite Abgassensor 34 auch als ein NOx-Sensor ausgebildet sein, welcher eine NOx-Konzentration NOx2, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 oder ein Spannungssignal λU2 stromabwärts des Katalysators 26 ermittelt.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein dem Abgas 28 ausgesetzter Temperatursensor 36 in thermischem Kontakt mit dem Abgas 28 am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet sein, der die Temperatur Tcat des Dreiwegekatalysators 26 erfasst.
  • Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, des ersten Abgassensors 32, des zweiten Abgassensors 34 und des optionalen Temperatursensors 36 und bildet daraus Ansteuersignale zur Einstellung der Winkelposition der Drosselklappe, zur Auslösung von Zündungen durch die Zündvorrichtung 24 und zum Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzventile 22. Alternativ oder ergänzend verarbeitet das Steuergerät 16 auch Signale anderer oder weiterer Sensoren zur Ansteuerung der dargestellten Stellglieder oder auch weiterer oder anderer Stellglieder, zum Beispiel das Signal eines Fahrerwunschgebers 40, der eine Fahrpedalstellung erfasst. Ein Schiebebetrieb mit Abschalten der Kraftstoffzufuhr wird zum Beispiel durch Loslassen des Fahrpedals ausgelöst. Diese und die weiter unten noch erläuterten Funktionen werden durch ein im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 im Steuergerät 16 ablaufendes Motorsteuerungsprogramm 16.1 ausgeführt. Weiterhin ist eine Regelung zur Kraftstoffeinspritzung bzw. Gemischaufbereitung sowie eine Steuerung zur Zylinderabschaltung auf dem Steuergerät 16 gespeichert. Eine aktivierte Zylinderabschaltung wird im Steuergerät 16 mit einem Statusbit hinterlegt. Weiterhin wird im Steuergerät 16 auch hinterlegt, wenn ein Gangwechsel für das Fahrzeug durchgeführt wird.
    Bei der Zylinderabschaltung sowie auch bei Gangwechseln kommt es zu kurzen Magerphasen der Verbrennung, so dass Sauerstoff in den Abgasstrang eingetragen wird. Dabei handelt es sich um verhältnismäßig sehr kurze Magerphasen mit einer Dauer von wenigen Millisekunden, insbesondere 10 ms bis mehrere 100 Millisekunden. In diesen kurzen Magerphasen wird Sauerstoff in den Katalysator 26 einbracht.
    In dieser Anmeldung wird ein Streckenmodell 100, ein Katalysatormodell 102 (reaktionskinetisches Modell) zur Modellierung des Sauerstoff-Füllstands des Katalysators 26 verwendet.
    Alternativ kann anstelle des reaktionskinetischen Modells auch ein Integratormodell verwendet werden.
  • 2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Streckenmodells 100. Das Streckenmodell 100 besteht aus dem Katalysatormodell 102. Das Katalysatormodell 102 weist ein Eingangsemissionsmodell 108 und ein Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 auf. Darüber hinaus weist das Katalysatormodell 102 einen Algorithmus 112 zur Berechnung eines mittleren Sauerstoff-Füllstands θ mod des Katalysators 26 auf. Die Modelle sind jeweils Algorithmen, die im Steuergerät 16 ausgeführt werden und die Eingangsgrößen, die auch auf den mit dem Rechenmodell nachgebildeten realen Gegenstand einwirken, so zu Ausgangsgrößen verknüpfen, dass die berechneten Ausgangsgrößen den Ausgangsgrößen des realen Gegenstands möglichst genau entsprechen.
  • Das Eingangsemissionsmodell 108 ist dazu eingerichtet, als Eingangsgröße das Signal λin,meas des vor dem Dreiwegekatalysator 26 angeordneten ersten Abgassensors 32 in für das nachfolgende Füllstandsmodell 110 benötigte Eingangsgrößen win,mod zu konvertieren. Beispielsweise ist eine Umrechnung von Lambda in die Konzentrationen von O2, CO, H2 und HC vor dem Dreiwegekatalysator 26 mit Hilfe des Eingangsemissionsmodells 108 vorteilhaft.
  • Mit den durch das Eingangsemissionsmodell 108 berechneten Größen win,mod und gegebenenfalls zusätzlichen Eingangsgrößen (z.B. Abgas- oder Katalysatortemperaturen Tcat, Abgasmassenstrom ṁexh und aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators 26 werden im Füllstands- und Ausgangsemissionsmodell 110 ein Füllstand θmod des Dreiwegekatalysators 26 modelliert.
  • Um Füll- und Entleerungsvorgänge realistischer abbilden zu können, wird der Dreiwegekatalysator 26 vorzugsweise durch den Algorithmus gedanklich in mehrere in Strömungsrichtung der Abgase 28 hintereinander liegende Zonen oder Teilvolumina 26.1, 26.2 unterteilt, und es werden mit Hilfe der Reaktionskinetik für jede dieser Zonen 26.1, 26.2 die Konzentrationen der einzelnen Abgasbestandteile ermittelt. Diese Konzentrationen können wiederum jeweils in einen Füllstand der einzelnen Zonen 26.1, 26.2 umgerechnet werden, vorzugsweise in den auf die aktuelle maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit normierten Sauerstoff-Füllstand.
  • Die Füllstände einzelner oder aller Zonen 26.1, 26.2 können mittels einer geeigneten Wichtung zu einem Gesamtfüllstand zusammengefasst werden, der den Zustand des Dreiwegekatalysators 26 widerspiegelt. Zum Beispiel können die Füllstände aller Zonen 26.1, 26.2 im einfachsten Fall alle gleich gewichtet und damit ein mittlerer Füllstand ermittelt werden. Mit einer geeigneten Wichtung kann aber auch berücksichtigt werden, dass für die momentane Abgaszusammensetzung hinter dem Dreiwegekatalysator 26 der Füllstand in einer kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 entscheidend ist, während für die Entwicklung des Füllstands in dieser kleinen Zone 26.2 am Ausgang des Dreiwegekatalysators 26 der Füllstand in der davor liegenden Zone 26.1 und dessen Entwicklung entscheidend ist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden ein mittlerer Sauerstofffüllstand angenommen.
  • Das Streckenmodell 100 dient damit zum einen zur Modellierung mindestens eines mittleren Sauerstoff-Füllstands θ mod des Katalysators 26, der auf einen Soll-Füllstand eingeregelt wird, bei dem der Katalysator 26 sich sicher innerhalb des Katalysatorfensters befindet.
  • Die 3 zeigt einen beispielhaften Ablauf für das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Füllung eines Katalysators in einer Abgasanlage.
  • In einem ersten Schritt 200 wird eine Freigabebedingung für das Verfahren im Steuergerät 16 überwacht. Das Verfahren wird freigegeben, wenn das Steuergerät 16 einen Zustand für die Verbrennung feststellt, bei dem eine kurze magere Verbrennung durchgeführt sind. Kurze magere Verbrennungen liegen in einem Zeitbereich zwischen 10 Millisekunden bis mehrere 100 Millisekunden. Dabei führen die kurzen mageren Verbrennungen dazu, dass ein geringer Sauerstoffeintrag in den Abgasstrang und somit in den Katalysator 26 eingeführt wird. Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Verbesserung des Katalysatorausräumens nach kurzen Magerphasen sowie eine verbesserte Beurteilung der dabei einzustellenden Stärke des Ausräumens des Katalysators zu ermöglichen.
  • Vorliegend liegt ein kurzer magerer Verbrennungsvorgang für den Verbrennungsmotor 10 vor, wenn z. B. eine Zylinderabschaltung für den Verbrennungsmotor 10 angefordert bzw. aktiviert wird. Der Start der Zylinderabschaltung wird vorzugsweise durch ein im Steuergerät 16 hinterlegtes Statusbit angezeigt. Das Statusbit kann dabei die Zustände 0 und 1 annehmen. Im Zustand 0 ist keine Zylinderabschaltung aktiv und im Zustand 1 ist die Zylinderabschaltung aktiv und es wird folglich ein kurzer magerer Verbrennungsvorgang durchgeführt. Wechselt das Statusbit wieder auf den Zustand 0 ist die Zylinderabschaltung beendet und es liegt keine kurze magere Verbrennung mehr vor.
    Das Steuergerät 16 überwacht nun kontinuierlich das Statusbit und wenn eine Zylinderabschaltung durchgeführt wird, also das Statusbit auf den Zustand 1 wechselt, wird das Verfahren freigegeben und das Verfahren im Schritt 210 fortgesetzt.
    In einer alternativen Ausgestaltung wird die kurze magere Verbrennung in Abhängigkeit eines Gangwechsels erkannt. Hierbei wird ebenfalls ein Statusbit im Steuergerät 16 für die Erkennung verwendet. Bei einem Zustand 0 für das Statusbit ist ein Gang eingelegt und bei einem Zustand 1 ist derzeit kein Gang eingelegt, es wird also ein Gangwechsel durchgeführt, und es liegt eine kurze magere Verbrennung während des Gangwechsels vor.
    Wird ein Wechsel des Statusbits vom Zustand 0 in den Zustand 1 durch das Steuergerät 16 ermittelt, so wird die Freigabe für das Verfahren erteilt und das Verfahren in einem Schritt 210 fortgesetzt.
  • In einem Schritt 210 wird ein erstes Zeitintervall Δt12 zum Zeitpunkt t1 gestartet und kontinuierlich der Ist-Sauerstoff-Füllstand θmod des Katalysators 26 ermittelt. Hierzu wird das in der 2 beschriebene Katalysatormodell 102 mit dem Algorithmus 112 verwendet, um den Ist-Sauerstoff-Füllstand θmod zu modellieren.
    Der erste Zeitpunkt t1 entspricht dabei dem Zeitpunkt der Freigabe aus dem Schritt 200.
  • Das Steuergerät 16 überwacht nun kontinuierlich den Zustand des Statusbits. Ändert sich der Zustand des Statusbits vom Zustand 1 zurück auf den Zustand 0, ist die kurze magere Verbrennung beendet. Dieser Zeitpunkt wird im Steuergerät 16 als Zeitpunkt t2 gespeichert und zusätzlich wird der ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand θ mod gespeichert.
    Anschließend wird der Ist-Sauerstoff-Füllstand θmod gegen einen vorgebbaren Sauerstoff-Füllstandsschwellenwert S1 durch das Steuergerät 16 verglichen. Überschreitet der ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand θmod den vorgebbaren Sauerstoff-Füllstandsschwellenwert S1 wird das Verfahren in einem Schritt 220 fortgesetzt.
    Wird der vorgebbare Sauerstoff-Füllstandsschwellenwert S1 nicht durch den ermittelten Ist-Sauerstoff-Füllstand θmod überschritten, wird das Verfahren wieder im Schritt 200 von vorne begonnen.
  • In einem Schritt 220 startet nun ein zweites Zeitintervall Δt23. Dieses beginnt mit dem zweiten Zeitpunkt t2 und endet zu einem dritten Zeitpunkt t3.
    Startend mit dem Zeitpunkt t2 wird nun kontinuerlich das Signal des zweiten Abgasensors 34 ermittelt und zusätzlich der aktuelle Abgasmassenstrom ṁexh aufintegriert.
    In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Signal des zweiten Abgassensors 34 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2.
    Alternativ kann das Signal des zweiten Abgassensors 34 ein Spannungssignal λU2 und/oder eine NOx-Konzentration NOx2 sein.
  • Das zweite Zeitintervall Δt23 ist dabei derart auszulegen, dass innerhalb dieses Zeitintervalls eine Reaktion des zweiten Abgassensors 34 stromabwärts des Katalysator 26 auf den in den Katalysator 26 eingetragenen Sauerstoff möglich ist, wenn der Katalysator 26 nicht in der Lage sein sollte, den Sauerstoff komplett zu speichern.
    Dabei ist vorgesehen, die ermittelte Dauer, also den dritten Zeitpunkt t3 in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit zu ermitteln.
    Die Gaslaufzeit ist dabei die Zeit, die das Abgas zwischen dem Brennraum des Verbrennungsmotors 10 durch den Katalysator 26 bis zum zweiten Abgassensor 34 zurücklegt. Typische Gaslaufzeiten zwischen dem Brennraum des Verbrennungsmotor 10 und dem zweiten Abgassensor 34 stromabwärts des Katalysators 34 betragen einige 10 bis wenige 100 ms.
  • Die Gaslaufzeit hängt maßgeblich von den Eigenschaften des verwendeten Katalysators 26 ab, wie z. B. der Länge und dem Volumen des Katalysators 26, den verwendeten Materialien für den Katalysator 26, der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 26, der Alterung des Katalysators 26 und dem Abgaslayout zwischen Verbrennungsmotor 10, dem Katalysator 26 und dem zweiten Abgassensor 34 stromabwärts des Katalysators 26 ab.
    Unter dem Abgaslayout sind vorzugsweise die Abstände zwischen diesen genannten Komponenten gemeint.
    Auf dem Steuergerät 16 wird daher in einer Applikationsphase die Gaslaufzeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Abgasmassenströmen ermittelt und in einem Kennfeld K1 gespeichert.
    Überschreitet der zum Zeitpunkt t2 kontinuierlich aufintegrierte Abgasmassenstrom ṁexh den Abgasmassenstromschwellenwert Sṁexh , dann ist der dritte Zeitpunkt t3 bestimmt.
  • Gleichzeitig wird mit dem Start des zweiten Zeitintervalls Δt23 mindestens ein Gradient λGrad aus dem Signal des zweiten Abgassensors 34 ermittelt und gegen einen vorgebbaren Gradientenschwellenwert SGrad verglichen.
    Der mindestens eine Gradient ̇λGrad wird aus dem Signal des zweiten Abgassensors 34 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt. Insbesondere können die Messwerte zum zweiten Zeitpunkt t2 und zum dritten Zeitpunkt t3 verwendet werden.
    In einer besonderen Ausgestaltung können auch mehrere Gradienten aus den Messwerten des Signal des zweiten Abgassensors 34 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt werden, und anschließend zu einem Mittelwert zusammengefasst werden.
  • Folgend wird das Verfahren beispielhaft für das Signal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 als Signal des zweiten Abgassensors 34 beschrieben.
    Hierbei wird das Signal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls Δt23 ermittelt und daraus der mindestens eine Gradient ̇λGrad ermittelt.
    Überschreitet der mindestens eine Gradient ̇λGrad den vorgebbaren Gradientenschwellenwert SGrad, dann liegt ein Sauerstoffdurchbruch durch den Katalysator 26 aufgrund des kurzen mageren Verbrennungsvorgangs vor.
  • Der Gradientenschwellenwert SGrad wird dabei so gewählt, dass er eine Detektion eines Sauerstoffdurchbruchs durch den Katalysator 26, als Reaktion auf die kurze magere Verbrennung im ersten Zeitintervall t12, zulässt. Vorzugsweise wird der Gradientenschwellenwert SGrad in einer Applikationsphase für den entsprechenden zweiten Abgassensor 34 ermittelt, wobei der Gradientenschwellenwert SGrad so gewählt wird, dass robust Sauerstoff im Abgas bzw. eine Änderung des Sauerstoffanteils ermittelt werden kann.
    Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 230 fortgesetzt. Überschreitet der mindestens eine Gradient ̇λGrad den vorgebbaren Gradientenschwellenwert SGrad nicht, kann das Verfahren von vorne im Schritt 200 begonnen oder beendet werden.
  • In einem Schritt 230 wird nun der zum Zeitpunkt t2 ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand θ mod als Ist-Wert für eine Vorsteuerung oder Regelung zur Kraftstoffeinspritzung bzw. Gemischaufbereitung eingestellt. Die Abweichung des Ist-Sauerstoff-Füllstands θ mod von einem vorgebbaren Soll-Sauerstoff-Füllstand θ soll für den Katalysator 26 wird von der Vorsteuerung oder Regelung kompensiert und führt zu einem Ausräumvorgang für den Katalysator 26, d.h. es wird eine fette Verbrennung für den Verbrennungsmotor 10 angefordert werden. Anschließend kann das Verfahren von vorne im Schritt 200 begonnen oder beendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016222418 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands eines Katalysators (26) im Abgas eines Verbrennungsmotors (10), bei dem mit einem Katalysatormodell (102) ein Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) des Katalysators (26) modelliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand für den Verbrennungsmotor (10) erkannt wird, bei dem eine kurze magere Verbrennung, insbesondere von wenigen Millisekunden, auftritt, dass während eines vorgebbaren ersten Zeitintervalls (Δt12) der Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) des Katalysators (26) ermittelt wird, wobei wenn der Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) innerhalb des ersten Zeitintervalls (Δt12) einen vorgebbaren (Sauerstofffüllstands)schwellenwert (c) überschreitet, am Ende des ersten Zeitintervalls (Δt12) der ermittelte Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) gespeichert wird und ein zweites Zeitintervall (Δt23) gestartet wird, wobei startend mit dem zweiten Zeitintervall (Δt23) kontinuierlich ein zweites Signal stromabwärts des Katalysators (26) ermittelt wird, wobei mittels des zweiten Signals auf einen Sauerstoffdurchbruch im Zusammenhang mit dem im ersten Zeitintervalls (Δt12) ermittelten Sauerstoffeintrag geschlossen werden kann, wobei mindestens ein Gradient (λGrad) aus dem Signal des zweiten Sensors in dem zweiten Zeitintervall (Δt23) ermittelt wird, wobei wenn der mindestens eine Gradient (λGrad) einen vorgebbaren Gradientenschwellenwert (SGrad) überschreitet ein Ausräumvorgang für den Katalysators (26) gestartet wird, wobei der am Ende des ersten Zeitintervalls (Δt12) gespeicherte Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) als Ist-Wert für eine Vorsteuerung oder Regelung eines Kraftstoffgemischs eingestellt wird wobei eine Anfettung des Krafstoffgemischs durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste vorgebbare Zeitintervall (Δt12), startend mit einem ersten vorgebbaren Zeitpunkt (t1) und endend mit einem vorgebbaren zweiten Zeitpunkt (t2), durchgeführt wird, wobei der erste vorgebbare Zeitpunkt (t1) in Abhängigkeit einer gestarteten Zylinderabschaltung oder eines gestarteten Gangwechsels gewählt wird und der vorgebbare zweite Zeitpunkt (t2) einem Ende der Zylinderabschaltung oder dem Ende des Gangwechsels entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zeitintervall (Δt23) startend mit dem vorgebbaren zweiten Zeitpunkt (t2) und endend mit einem dritten vorgebbaren Zeitpunkt (t3), durchgeführt wird, wobei der dritte vorgebbare Zeitpunkt (t3) in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit gewählt wird, wobei die Gaslaufzeit einer Zeit entspricht, die das Abgas zwischen dem Brennraum des Motors durch den Katalysator (26) bis zum zweiten Abgassensor zurücklegt, oder in Abhängigkeit des aktuellen Abgasmassenstrom (ṁexh) und/oder eines Alterungsfaktors des Katalysators (26) gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormodell (102) ein reaktionskinetisches Modell oder ein Integrationsmodell ist, wobei der Ist-Sauerstoff-Füllstand (θ mod) des Katalysators (26) in Abhängigkeit eines ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λin,meas) stromaufwärts des Katalysators (26) und/oder eines Alterungsfaktors des Katalysators (26) und/oder einer Katalysatortemperatur (Tcat) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgassensor eine zweite Lambdasonde (34) ist, wobei die zweite Lambdasonde (34) ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ2) oder ein Spannungssignal (λU2) stromabwärts des Katalysators (26) ermittelt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgassensor (34) ein NOx-Konzentrationssensor ist, wobei der NOx-Konzentrationssensor eine NOx-Konzentration (NOx2) und/oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ2) und/oder ein Spannungssignal (λU2) stromabwärts des Katalysators (26) ermittelt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand für den Verbrennungsmotor (10), in dem eine kurze magere Verbrennung stattfindet, der Dauer eines Gangwechsels oder einer aktivierten Zylinderausblendung entspricht, wobei eine kurze magere Verbrennung vorzugsweise zwischen 10 bis 1000 Millisekunden andauert.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
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