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Stand der Technik
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Die
DE 10 2016 219 689 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Sauerstoffbeladung eines Dreiwegekatalysators in einem Abgas führenden Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Dreiwegekatalysator mit einer ersten Sprung-Lambdasonde bestimmt wird, wobei Toleranz- und Alterungseffekte, die zu einer Verschiebung einer tatsächlichen Sondenkennlinie gegenüber einer Referenz-Sondenkennlinie führen, berücksichtigt und korrigiert werden und wobei die Sauerstoffbeladung des Dreiwegekatalysators modelliert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus dem korrigierten Ausgangssignal der ersten Sprung-Lambdasonde ein Sauerstoff-Eintrag in den Dreiwegekatalysator und/oder ein Sauerstoff-Austrag aus dem Dreiwegekatalysator bestimmt werden und dass daraus die Sauerstoff-Beladung des Dreiwegekatalysators modelliert wird. Durch die Modellierung der Beladung des Dreiwege-Katalysators kann dessen Füllstand so geregelt werden, dass er aufgrund seiner Sauerstoff-Speicherfähigkeit auch bei dyamisch auftretenden Mager- oder Fett-Phasen im Bereich seiner optimalen Konvertierungsfähigkeit betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer modellierten Sauerstoff-Beladung eines Dreiwegekatalysators in einem Abgas führenden Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, wobei ein stöchiometrischer Betrieb für den Verbrennungsmotor vorliegt,
wobei ein modellierter Sauerstoff-Füllstand für den Dreiwegekatalysator ermittelt wird, wobei eine aktuelle NOx-Konzentration mittels eines NOx-Sensors und eine modellierten NOx-Konzentration ermittelt werden,
wobei wenn ein Vergleich zwischen der aktuellen NOx-Konzentration und der modellierten NOx-Konzentration einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, ein varrierter Sauerstoff-Füllstand auf Basis des modellierten Sauerstoff-Füllstands varriert wird, bis die mit dem varrierten Sauerstoff-Füllstand modellierte NOx-Konzentration mit dem tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand übereinstimmt.
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Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass statt über den modellierten Sauerstoff-Füllstand auf einen zu hohen Sauerstofffüllstand zu schließen der die NOx-Konverierung behindert, wird mittels des NOx-Sensors ein NOx-Schlupf die Regelung des Sauerstoff-Füllstands für den Dreiwegekatalysator durchgeführt. Somit kann eine hohe Konvertierungsrate erreicht werden, da sich die Messung an der krischen Eigenschaft „NOx-Konverierung“ orientiert. Gleichzeitig wird die Schwelle detektiert, bei der der Sauerstoff-Füllstand derart hoch ist, dass keine vollständige NOx-Konvertierung mehr erfolgen kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung wird die modellierte NOx-Konzentration mittels eines NOx-Modells in Abhängigkeit der aktuellen Temperatur des Dreiwegekatalysators und/oder des modellierten Sauerstoff-Füllstands und/oder eines Abgasmassenstroms, einem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder einem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis ermittelt.
Dies ist besonders vorteilhaft, da der modellierte Sauerstoff-Füllstand einen dominanten Einfluss auf die Ermittlungs der modellierten NOx-Konzentration hat.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der modellierte Sauerstoff-Füllstand mittels eines Katalysatormodells, insbesondere einem reaktionskinetischen Modell, ermittelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht ein stöchiometrischer Betrieb für den Verbrennungsmotor einem Betrieb bei einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 1, insbesondere zwischen 1,001 und 0,997.
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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.
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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 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Motorsystem mit einem Dreiwegekatalysator.
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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 und Detektion der Zündungen in vorbestimmten Winkelpositionen der Welle. Das aus den Verbrennungen resultierende Abgas wird durch das Abgassystem 14 abgeleitet.
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In einer besonderen Ausgestaltung kann die Abgasanlage auch eine Hochdruck- und/oder ein Niederdruckabgasrückführung aufweisen, über die Abgas über das Luftzufuhrsystem zurück in den Brennraum geleitet werden kann. Das Steuergerät 16 kann dabei eine hochdurckseitige Abgasrückführungsrate rexh,HD und eine niederdruckseitige Abgasrückführungsrate rexh,HD ermitteln.
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Das Abgassystem 14 weist mindestens einen Dreiwegekatalysator 26 auf. Der Dreiwegekatalysator 26 konvertiert insbesondere die drei Abgasbestandteile Stickoxid, Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid und hat weiterhin eine Sauerstoff speichernde Wirkung.
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Stromaufwärts des mindestens einen 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 32, die eine Messung eines ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ1,sens 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 ein NOx-Sensor 34, welcher eine NOx-Konzentration NOx2,sens und ein zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2,sens stromabwärts des Dreiwegekatalysator 26 ermittelt.
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Der eingesetzte NOx-Sensor 34 setzt sich aus mehreren Zellen zusammen. In der ersten Zelle, die mit einer Diffusionsbarriere dem Abgas 28 ausgesetzt ist, wird mit einem elektrisch getrieben Sauerstoffpumpstrom ein konstantes Gemisch eingestellt. Aus dem dazu notwendigen Pumpstrom kann auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2,sens im Abgas 28 geschlossen werden. Über eine zweite Diffusionsbarriere tritt Stickoxid (NOx) von der ersten in eine zweite Zelle über und wird dort als zweiter Pumpstrom gemessen. Die Signale des Abgaslambdas λ2,sens und der NOx-Konzentration NOx2,sens werden vom NOx-Sensor 34 an das Motorsteuergerät 16 übertragen.
Weiterhin kann mittels eines Temperaturmodells oder mittels eines am Dreiwegekatalysator 26 verbauten Temperatursensors eine Temperatur Tcat des Dreiwegekatalysators 26 ermittelt werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine dem Abgas 28 ausgesetzte Sprung-Lambda-Sonde 36 (LSF) in Kontakt mit dem Abgas 28 am Dreiwegekatalysator 26 angeordnet sein. Die Sprung-Lambda-Sonde 36 misst dabei ein zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2,sens mit hoher Genauigkeit bei stöchiometrischem Abgas.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Dreiwegekatalysator 26 auch als mehrere in Reihe geschaltene Dreiwegekatalysatoren ausgestaltet sein. Dabei ist der erste Abgassensor 32 vor dem ersten Dreiwegekatalysator als Breitband-Lambdasonde 32 angeordnet und der zweite Abgassensor 34, als der NOx-Sensor 34, ist am Ende, hinter dem letzten Katalysator angeordnet.
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Das Steuergerät 16 verarbeitet die Signale des Luftmassenmessers 18, des Drehwinkelsensors 25, des ersten Abgassensors 32, inbesondere einer Breitband-Lambdasonde, des NOx-Sensors 34 und der Sprung-Lambda-Sonde 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.
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Des Weiteren steht dem Steugerät 16 noch ein Abgasmassenstrom ṁexh, eine Motordrehzahl neng, eine Kühlmitteltemperatur Tcoolant und eine aktuelle Zündwinkelinformation ZWIst zur Verfügung.
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Weiterhin ist eine Regelung zur Kraftstoffeinspritzung bzw. Gemischaufbereitung sowie eine Steuerung zur Zylinderabschaltung auf dem Steuergerät 16 gespeichert.
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Weiterhin ist auf dem Steuergerät 16 ein bekanntes Katalysatormodell, insbesondere ein reaktionskinetisches Modell, zur Modellierung des modellierten Sauerstoff-Füllstands O2Cat des Dreiwegekatalysators 26 gespeichert. Dieses Katalysatormodell regelt den Sauerstoff-Füllstand des Dreiwegekatalysators 26. Insbesondere ist eine Bilanzierung des Sauerstoff-Ein- und Austrags vorgesehen, um den Sauerstoff-Füllstand O2Cat zu modellieren und auf einen Soll-Sauerstoff-Füllstand O2Cat,Soll einzuregeln. Es ist vorteilhaft, die Reaktionskinetik der durch das Emissionsmodell berechneten Abgasbestandteile bei der Modellierung zu berücksichtigen.
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Die Regelung erfolgt über eine Soll-Ist-Regelung, wobei der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat einem Soll-Sauerstoff-Füllstand O2Soll nachgeführt wird indem das Gemisch vor dem Dreiwegekatalysator 26 abgemagert oder angefettet wird.
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Mittels eines NOx-Modell, welches auf dem Steuergerät 16 berechnet wird, kann in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ, dem modellierten Sauerstoff-Füllstands O2Cat des Dreiwegekatalysators 26 und des Zündwinkels ZW eine modellierte NOx-Kozentration NOx2,mod am Ort des NOx-Sensors 34, also stromabwärts des Dreiwegekatalysator 26, ermittelt werden.
Wenn vorhanden können optional eine hochdruckseitige Abgasrückführungsrate rexh,HD und/oder eine niederdruckseitige Abgasrückführungsrate rexh,HD als Eingangsgrößen für das NOx-Modell einfließen.
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Die 2 zeigt einen beispielhaften Ablauf für die erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur einer Katalysatorregelung eines Verbrennungsmotors.
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In einem ersten Schritt 200 wird eine Freigabebedingung für das Verfahren im Steuergerät 16 überwacht. Das Verfahren wird freigegeben, wenn das Steuergerät 16 eine Mindesttemperatur Tlightoff für den Dreiwegekatalysator 26 ermittelt und wenn der NOx-Sensor 34 betriebsbereit für die Messung der NOx-Konzentration NOx2,sens ist.
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Weiterhin wird durch das Steuergerät 16 geprüft, ob ein stöchiometrische Betrieb mit einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λsoll von 1, insbesondere zwischen 1,001 bis 0,997, vorliegt.
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Alternativ kann die Freigabe auch erteilt werden, wenn ein Betriebskoordinator des Verbrennungsmotors 10 einen Wechsel von einem nicht-stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zu einem stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ vornimmt. In diesen Fällen kann das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λSoll des ersten Regelkreises mit der Sonde 32 auch weiter von λ gleich 1 abweichen. Nach einem Schuberereignis kann das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λSoll beispielsweise bis auf Lambda-Werte von 0,8 agesenkt werden.
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Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ wird vorzugsweise über den ersten Abgassensor 32 ermittelt, insbesondere über das erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1,sens mittels der Breitband-Lambdasonde 32.
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Wird die Freigabe für das Verfahren durch das Steuegerät 16 erteilt, dann wird das Verfahren in einem Schritt 210 fortgesetzt.
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In einem Schritt 210 wird mittels des Katalysatorsmodells der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat des Drei-Wege-Katalysators 26 ermittelt. Anschließend wird die aktuelle NOx-Konzentration NOx2,sens des NOx-Sensors 34 ermittelt und weiterhin in Abhängigkeit des NOx-Modells mittels der aktuellen Temperatur TCat des Dreiwegekatalysators 26, modellierten Sauerstoff-Füllstand O2Cat, des Abgasmassenstroms ṁexh, dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ1,sens und/oder dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ2,sens eine modellierte NOx-Konzentration NOx2,mod ermittelt.
Anschließend wird das Verfahren wird in einem Schritt 220 fortgesetzt.
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In einem Schritt 220 wird eine betragliche Differenz D1 zwischen der aktuellen NOx-Konzentration NOx2,sens und der modellierten NOx-Konzentration NOx2,mod durch das Steuergerät 16 ermittelt.
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Überschreitet die betragliche Differenz D1 einen vorgebbaren NOx-Schwellenwert SNox so wird das Verfahren in einem Schritt 230 fortgesetzt.
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Aufgrund der zu hohen Abweichung zwischen der aktuellen NOx-Konzentration NOx2,sens und der modellierten NOx-Konzentration NOx2,mod ist davon auszugehen, dass der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat nicht korrekt ist, da das NOx-Modell dominant vom modellierten Sauerstoff-Füllstand O2Cat abhängig ist. Somit kann aus der aktuellen NOx-Konzentration NOx2,sens ein Rückschluss auf den tatsächlichen Sauerstoff-Füllstand des Dreiwegekatalysators 26 gemacht werden.
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Wenn die Differenz D1 klein ist wird davon ausgegangen, dass die Modellparamter, insbesondere der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat nicht modifiziert werden müssen. Der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat entspricht für in diesem Fall einem realistischen Sauerstoff-Füllstands für den Dreiwegekatalysator 26.
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Anschließend kann das Verfahren beendet oder im Schritt 210 fortgesetzt werden.
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In einem Schritt 230 wird der modellierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat derart varriert, d.h. erhöht oder erniedrigt, dass mit dem varrierten Sauerstoff-Füllstand O2Cat,Var mittels des NOx-Modells eine modellierte NOx-Konzentration NOx2,mod als Ausgangswert berechnet wird, die der aktuellen NOx-Konzentration NOx2,sens entspricht.
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Beispielsweise könnte hierzu ein invertierbares NOx-Modell verwendet werden. Dazu wird in einer Applikationsphase eine Kennlinie K in das Steuergerät 16 gespeichert, die die Konvertierung in Abhängigkeit des Sauerstoff-Füllstands des Dreiwegekatalysators 26 beschreibt.
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Als Eingangswert für das Kennfeld K wird die aktuelle NOx-Konvertierung NOxconv verwendet und man erhält als Ausgangswert den varrierten Sauerstoff-Füllstands O2Cat,var.
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Die NOx-Konvertierung NOx
conv entspricht dabei folgender Formel:
mit der NOx-Rohemission NOx
raw und der aktuellen NOx-Konzentration NOx
2,sens.
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Der modellelierte Sauerstoff-Füllstand O2Cat wird also in einer Weise angepasst, dass das NOx-Modell mit dem varrierten Sauerstoff-Füllstands O2Cat,var die im Moment gemessenen Emissionen berechnet. Dies ist möglich, da der Sauerstoff-Füllstand für den Dreiwegekatalysator 26 einen dominanten Einfluss auf die modellierte NOx-Konzentration NOx2,mod hat.
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Anschließend kann das Verfahren im Schritt 210 fortgesetzt oder beendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016219689 A1 [0001]
