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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm ein Steuer- und/oder Regelgerät sowie eine Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 100 43 690 A1 , welche wiederum auf die
DE 197 39 848 A1 Bezug nimmt, ist ein Verfahren zur Bestimmung des Stickoxid-Massenstroms am Eingang eines Speicherkatalysators bekannt. Darüber hinaus ist aus der
DE 100 36 453 A1 ein Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines Nox-Speicherkatalysators bekannt. Das bekannte Verfahren wird vor allem bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung verwendet. Bei diesen entstehen vor allem im Schichtbetrieb Stickoxide, welche in einem herkömmlichen Drei-Wege-Katalysator nicht unschädlich gemacht werden können.
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Daher wird bei solchen Brennkraftmaschinen ein NOx-Speicherkatalysator eingesetzt, in dem die Stickoxide zwischengespeichert werden. Kurz bevor die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators erschöpft ist, wird die Brennkraftmaschine für einen gewissen Zeitraum mit einem fetten homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben. Durch den hierdurch entstehenden Sauerstoffmangel im Abgas können dann die von dem NOx-Speicherkatalysator wieder abgegebenen Stickoxide von einem Oxidationskatalysator reduziert werden.
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Es ist daher sehr wichtig, dass der NOx-Speicherkatalysator rechtzeitig entladen wird. Die
DE 197 39 848 A1 schlägt daher vor, während des Schichtbetriebs der Brennkraftmaschine die Masse der dem NOx-Speicherkatalysator zufließenden Stickoxide zu ermitteln und hieraus den Speicherzustand des Katalysators zu bestimmen. Hierzu wird die dem NOx-Speicherkatalysator zugeführte Stickoxidmenge auf integriert. Das tatsächliche Speicherverhalten des NOx-Speicherkatalysators wird bei dem in der
DE 197 39 848 A1 beschriebenen Verfahren jedoch nicht berücksichtigt.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Möglichkeiten eines NOx-Speicherkatalysators möglichst optimal ausgenutzt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der aktuelle Speicherzustand des Speicherkatalysators unter Verwendung eines Populationsmodells abgeschätzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Es wurde herausgefunden, dass bekannte Populationsmodelle (bzw. Wachstumsmodelle) das Speicherverhalten eines Stickoxid-Speicherkatalysators besonders gut nachbilden. Derartige Populationsmodelle sind aus der Beschreibung allgemeiner Wachstumsprozesse von Populationen sowie aus der Modellierung der Enzymkinetik bekannt. Bei derartigen Populationsmodellen handelt es sich um mathematische Gleichungen, welche einfach aufgebaut und parametrisierbar sind und nur wenige die Funktion festlegende Parameter aufweisen.
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Durch die Verwendung eines Populationsmodells kann die im Allgemeinen S-förmige Kennlinie, welche das Einspeicherverhalten eines Speicherkatalysators wiedergibt, mit hoher Präzision angenähert werden, ohne dass Kenntnisse über die komplizierten, inneren Vorgänge im Katalysator erforderlich sind. Dies erlaubt eine optimale Steuerung des NOx-Speicherkatalysators im Hinblick auf Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch.
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Unter Umständen ist sogar denkbar, dass dann, wenn durch die Verwendung eines Populationsmodells der Speicherzustand eines NOx-Speicherkatalysators mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden kann, auf die bisher in bestimmten Systemen bzw. Fahrzeugen verwendeten NOx-Sensoren verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn Alterungseffekte und Störeinflüsse, wie beispielsweise die Verschwefelung des Katalysators, durch geeignete Messungen identifiziert werden.
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Grundsätzlich gilt natürlich, dass auch andere Funktionen mit S-förmigem Verlauf verwendet werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung werden zwei bekannte Populationsmodelle vorgeschlagen, nämlich die Logistische Funktion oder die Hill-Funktion. Mit diesen kann das Speicherverhalten eines Speicherkatalysators sehr gut angenähert werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Parameter des Populationsmodells vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängen. Zwar könnte zur Bestimmung des Speicherzustands auch von einem ”durchschnittlichen” Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgegangen werden, die Genauigkeit der Bestimmung des aktuellen Speicherzustands ist aber erheblich höher, wenn das Populationsmodell immer wieder an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst wird.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die aktuellen Parameter des Populationsmodells mittels Kennlinien und/oder Kennfeldern aus vom Betriebszustand abhängigen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl und der anliegenden Last, ermittelt werden. Die anliegende Last und die Drehzahl werden bei allen bekannten Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung ohnehin ermittelt, so dass hierdurch kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Darüber hinaus handelt es sich bei ihnen um jene Betriebsparameter, welche den größten Einfluss auf das Speicherverhalten eines Stickoxidkatalysators haben. Durch dieses Verfahren wird also die Genauigkeit bei der Ermittlung des Speicherzustands des Speicherkatalysators nochmals verbessert.
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Dabei wird auch vorgeschlagen, dass die Abschätzung des Speicherzustands des Speicherkatalysators in einem bestimmten Rechenraster wiederholt wird, wobei bei einer Abschätzung als Anfangswert für den Speicherzustand der Endwert der vorhergehenden Abschätzung verwendet wird, und wobei innerhalb eines Intervalls des Rechenrasters von einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgegangen wird, auf dessen Basis die für das jeweilige Intervall gültigen Parameter des Populationsmodells ermittelt werden.
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Als Rechenraster kommt ein kurbelwinkelsynchrones oder ein zeitsynchrones Rechenraster in Frage. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die Historie, also jene Betriebsverhältnisse, die in der Vergangenheit vorgelegen haben, bei der Ermittlung des Speicherzustands des Speicherkatalysators berücksichtigt. Dies erhöht nochmals wesentlich die Genauigkeit bei der Ermittlung des aktuellen Speicherzustands des Katalysators. Dabei wird innerhalb eines Intervalls von stationären Betriebsbedingungen ausgegangen, so dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Populationsmodelle ohne komplexe Integrationsverfahren verwendet werden können. Es ist auch vorstellbar, dass dann, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine sich von einem Intervall des Rechenrasters zum nachfolgenden Intervall nicht geändert hat, die Verwendung des einen Populationsmodells einfach fortgeführt und nicht wiederholt wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch angeführt, dass aus den aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die zum Speicherkatalysator gelangende Stickoxid-Konzentration ermittelt wird, mittels des Populationsmodells die Stickoxidkonzentration abgeschätzt wird, welche den Speicherkatalysator verlässt, und die im Speicherkatalysator abgespeicherte Stickoxidmenge aus der Differenz zwischen der zum Speicherkatalysator gelangenden und der den Speicherkatalysator verlassenden Stickoxidmenge ermittelt wird. Auch dies ist programmtechnisch beispielsweise durch entsprechende Differenzenverfahren leicht zu realisieren.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
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Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei einem solchen Steuer- und/oder Regelgerät ist es besonders vorteilhaft, wenn es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, über welche der Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Eine solche Brennkraftmaschine arbeitet besonders emissions- und verbrauchsoptimal, wenn sie ein Steuer- und/oder Regelgerät der obigen Art umfasst.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator;
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2: ein Diagramm, in dem allgemein die Kennlinien aufgetragen sind, welche mittels einer Logistischen Funktion bei unterschiedlichen Parametern erhalten werden;
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3: ein Diagramm, in dem eine mittels einer Logistischen Funktion erhaltene Kennlinie aufgetragen ist, die. die am Ausgang des Stickoxid-Katalysators von 1 vorhandene Stickoxidkonzentration mit einer abgelaufenen Zeit bei stationären Betriebsbedingungen verknüpft;
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4: ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bestimmung des Speicherzustands des Stickoxid-Katalysators von 1 beschreibt; und
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5: ein Blockschaltbild des Verfahrens von 4.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Brennräume, von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist. Frischluft gelangt in den Brennraum 12 über ein Ansaugrohr 14 und ein Einlassventil 16. Die Abgase werden aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 18 und ein Abgasrohr 20 einem Stickoxid-Speicherkatalysator 22 (”NOx-Speicherkatalysator”) zugeführt.
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Kraftstoff gelangt in den Brennraum 12 durch einen dem Brennraum 12 direkt zugeordneten Injektor 24, dem der Kraftstoff wiederum von einem Kraftstoffsystem 26 unter hohem Druck stehend bereitgestellt wird. Das im Brennraum 12 vorhandene Kraftstoff/Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 28 entflammt. Ein nicht dargestellter Kolben setzt eine Kurbelwelle 30 in Bewegung. Deren Drehzahl wird von einem Drehzahlsensor 32 abgegriffen.
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Die vom Ansaugrohr 14 in den Brennraum 12 gelangende Frischluftmenge kann durch eine Drosselklappe 34 eingestellt werden, welche von einem Stellmotor 36 bewegt wird. Die durch das Ansaugrohr 14 strömende Luftmenge wird von einem Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM-Sensor) erfasst, welcher das Bezugszeichen 38 trägt. Die Stickoxidkonzentration am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 22 wird von einem Stickoxidsensor 40 erfasst. Ferner ist am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 22 eine Lambdasonde 42 vorhanden.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 44 gesteuert bzw. geregelt. Dieses ist eingangsseitig insbesondere mit dem HFM-Sensor 38, dem Drehzahlsensor 32, der Lambdasonde 42 und dem Stickoxidsensor 40 verbunden. Ausgangsseitig steuert das Steuer- und Regelgerät 44 vor allem den Stellmotor 36, die Zündkerze 28 und den Injektor 24 an. Das Steuer- und Regelgerät 44 umfasst einen Speicher, auf dem verschiedene Computerprogramme abgespeichert sind, die zur Ausführung der für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 erforderlichen Verfahren geeignet sind.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 kann in einem ”Schichtbetrieb” betrieben werden. In diesem verbrennt der Kraftstoff unter Sauerstoffüberschuss. Die dabei entstehenden Stickoxide werden in dem NOx-Speicherkatalysator 22 zwischengespeichert. Wenn die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 22 erschöpft ist, muss dieser regeneriert werden. Hierzu müssen die im NOx-Speicherkatalysator 22 abgespeicherten Stickoxide aus diesem entfernt werden.
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Um die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 22 rechtzeitig einleiten zu können und um die Regeneration, bei der im Brennraum 12 ein vergleichsweise fettes Gemisch verbrannt wird, in der für den Speicher NOx-Speicherkatalysator 22 optimalen Art und Weise ablaufen zu lassen, ist eine möglichst genaue Kenntnis des Speicherzustands des NOx-Speicherkatalysators 22 erforderlich. Das Speicherverhalten eines NOx-Speicherkatalysators kann sehr gut durch ein Populationsmodell beschrieben werden. Ein solches Populationsmodell wird beispielsweise durch die sogenannte ”Logistische Funktion” oder die sogenannte ”Hilfe-Funktion” zum Ausdruck gebracht.
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Nachfolgend wird die Ermittlung des Speicherzustands des NOx-Speicherkatalysators
22 unter Verwendung der Logistischen Funktion im Detail erläutert. Die Logistische Funktion wird allgemein durch die Formel
zum Ausdruck gebracht. Die entsprechenden Kennlinien sind in
2 dargestellt. Wenn man y durch die am Ausgang des NOx-Speicherkatalysators
22 im Abgas vorhandene Stickoxidkonzentration Kout, A durch die am Eingang des NOx-Speicherkatalysators
22 im Abgas vorhandene Stickoxidkonzentration Kin ersetzt und T sowie t
50 entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
10 wählt, kann das Speicherverhalten des NOx-Speicherkatalysators
22 mit hoher Genauigkeit und unter Verwendung der Logistischen Funktion angenähert werden.
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Eine entsprechende Kennlinie für einen stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 ist in 3 aufgetragen. Die im NOx-Speicherkatalysator 22 gespeicherte Stickoxidmenge msp zum Zeitpunkt t ergibt sich dabei aus der Differenz zwischen der insgesamt dem Eingang des NOx-Speicherkatalysators 22 zugeführten Stickoxidmenge und der am Ausgang des NOx-Speicherkatalysators 22 aus diesem abgeführten Stickoxidmenge. Die die logistische Funktion prägenden Parameter Kin, t50 und T hängen, wie bereits gesagt, von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 ab. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die in 3 gezeigte Darstellung nur für einen bestimmten Betriebszustand, bei dem diese Parameter konstant sind, gilt.
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Um den Speicherzustand des NOx-Speicherkatalysators
22 auch unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Brennkraftmaschine
10 mit hoher Präzision darstellen zu können, erfolgt vorliegend die Ermittlung des Speicherzustands des NOx-Speicherkatalysators
22 wiederholt und in einem bestimmten Zeitraster von typischerweise 50 ms, wobei für die einzelnen Intervalle des Zeitrasters jeweils aktuelle und konstante beziehungsweise stationäre Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
10 angenommen werden. Als Anfangswert für den Speicherzustand eines Intervalls wird der Endwert des Speicherzustands des vorhergehenden Intervalls verwendet. Dies wird nun für ein Intervall i unter Bezugnahme auf die
4 im Detail erläutert: Nach einem Startblock
46 wird in einem Block
48 geprüft, ob sich die Brennkraftmaschine
10 überhaupt im Betrieb befindet. Ist die Antwort im Block
48 ”ja”, wird im Block
50 der Betriebszustand der Brennkraftmaschine
10 im aktuellen Zeitintervall i definiert. Hierzu wird zum einen die vom Drehzahlsensor
32 bereitgestellte Drehzahl n der Kurbelwelle
30 der Brennkraftmaschine
10 verwendet, und zum anderen wird die Last der Brennkraftmaschine
10 aus der relativen Luftfüllung rl bestimmt, welche wiederum aus dem Signal des HFM-Sensors
38 gewonnen wird. Gegebenenfalls können auch noch andere Parameter, wie beispielsweise eine Temperatur der Brennkraftmaschine
10, verwendet werden. Mittels dieser Parameter werden in einem Block
52 unter Zuhilfenahme von Kennlinien oder Kennfeldern die Parameter T und t
50 der Logistischen Funktion ermittelt. Die Logistische Funktion lautet nun:
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Wenn man diese Formel diskretisiert, erhält man:
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Bei Kout
i handelt es sich um die Stickoxidkonzentration am Ausgang des NOx-Speicherkatalysators
22 während des Intervalls i und pro Zeiteinheit Δt (beispielsweise 50 ms), bei Kin handelt es sich um die als konstant angenommene Stickoxidkonzentration am Eingang des NOx-Speicherkatalysators
22 während des Intervalls i und pro Zeiteinheit. Diese Formel gilt insoweit also nur für einen als stationär angenommenen Betriebszustand. Sie wird für den dynamischen Fall für das Zeitintervall i durch folgende Formel angenähert:
wobei:
mspi-1 = mspi-2 + fpm·(Kin – Kouti-1)·Δt -
Bei fpm handelt es sich um einen Umrechnungsfaktor, durch den aus einer Stickoxidkonzentration eine Stickoxidmasse ermittelt wird. mspi-1 repräsentiert die eingespeicherte Stickoxidmasse am Ende des vorhergehenden Intervalls i – 1. Der entsprechende Wert wird aus einem Stapelspeicher 53 abgerufen. Die oben genannte Funktion ist in 4 durch den Block 54 schematisch dargestellt. Das Ergebnis des Blocks 54 ist die während des Zeitintervalls i am Ausgang des NOx-Speicherkatalysators 22 vorliegende Stickoxidkonzentration Kouti (Block 55). Durch Subtraktion mit der am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 22 vorliegenden Stickoxidkonzentration Kin wird im Block 56 die Differenz ΔKi bestimmt.
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Im Block 58 wird die am Ende des Zeitintervalls i im NOx-Speicherkatalysator 22 abgespeicherte Stickoxidmasse mspi ermittelt. Diese entspricht der Summe aus der am Ende des vorhergehenden Zeitintervalls i – 1 im NOx-Speicherkatalysator 22 abgespeicherten Stickoxidmasse mspi-1 und der während des Zeitintervalls i neu hinzugekommenen Stickoxidmasse. Letztere entspricht dem Produkt aus dem Umrechnungsfaktor fpm, der Differenz ΔKi der Stickoxidkonzentrationen pro Zeiteinheit und der Dauer Δt des Zeitintervalls i. Die im NOx-Speicherkatalysator 22 am Ende des Zeitintervalls i insgesamt vorhandene gespeicherte Stickoxidmasse mspi wird ebenfalls in den Stapelspeicher 53 eingespeichert. Sie bei dem darauf folgenden Rechenschritt im Zeitintervall i + 1 verwendet werden.
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Im Block 60 wird nochmals geprüft, ob die Brennkraftmaschine 10 weiterhin im Betrieb ist. Wenn die Antwort ”ja” ist, erfolgt ein Rücksprung zum Block 50 und eine Wiederholung der oben beschriebenen Verfahrensschritte für ein nachfolgendes Zeitintervall i + 1. Andernfalls endet das Programm im Endblock 62. Programmtechnisch kann das oben beschriebene Verfahren wie in 6 dargestellt realisiert werden.
