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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Berechnung der Temperatur eines Katalysators im Abgas eines
Verbrennungsmotors mit den Schritten:
- – Bilden
eines Basiswertes für
die Temperatur des Katalysators,
- – Berechnen
einer Korrekturgröße delta
T, die den Wärmeeintrag
in den Katalysator aufgrund von exothermen Reaktionen im Katalysator
berücksichtigt
und die vom Verhältnis
der im Verbrennungsmotor gleichzeitig mit einer Luftmasse verbrannten
ersten Kraftstoffmasse und von der Abgastemperatur abhängig ist,
- – Filtern
eines Katalysatortemperatur-korrelierten Wertes mit einer Tiefpass-Filterung
und Bilden eines neuen Wertes für
die Temperatur des Katalysators unter Berücksichtigung des Basiswertes und
des Ergebnisses der Tiefpass-Filterung.
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Die Erfindung richtet sich ferner
auf eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung der Temperatur eines
Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors, die die vorstehend
genannten Schritte ausführt.
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Ein solches Verfahren und eine solche
Berechnungsvorrichtung sind aus der
US
4,656,829 bekannt. Nach dieser Schrift wird die Temperatur
eines Katalysators im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors auf der
Basis der Luftmasse, die von dem Verbrennungsmotor angesaugt wird,
und des Kraftstoff/Luftverhältnisses
des im Verbrennungsmotor verbrannten Gemisches berechnet. Dabei
werden Temperaturbeiträge
verwendet, die für
stationäre
Zustände
des Verbrennungsmotorbetriebs empirisch bei bestimmten Werten des
Luftmassendurchsatzes und des Kraftstoff/Luftverhältnisses
bestimmt worden sind. Die für
stationäre
Zustände
bestimmten Werte werden einer Verzögerungszeit-Filterung erster
Ordnung unterworfen, die auf dem Luftmassenstrom durch den Verbrennungsmotor
basiert, und die die Antwort der Katalysatortemperatur auf Übergangsbetriebszustände des
Verbrennungsmotors darstellt.
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Bei heute favorisierten Konzepten
für Abgasnachbehandlungssysteme
von Verbrennungsmotoren werden Katalysatoren verwendet, die nach
dem Speicherprinzip und/oder Regenerationsprinzip arbeiten. So werden
beispielsweise bei Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung
NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors
mit Luftüberschuss
entstehen vergleichsweise hohe NOx-Emissionen. Ein Großteil der Stickoxidemissionen
kann durch einen N0x-Speicherkatalysator absorbiert werden. Allerdings
ist die Absorptionsfähigkeit
von Speicherkatalysatoren beschränkt,
so dass diese Speicherkatalysatoren regelmäßig regeneriert werden müssen, um
wieder für
Stickoxide aufnahmefähig
zu werden. Eine solche Regeneration kann beispielsweise durch Erzeugen
von Kraftstoffüberschuss
im Abgas des Verbrennungsmotors in bestimmten Bereichen der Katalysatortemperatur
erfolgen.
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In Verbindung mit dem Betrieb von
Diesel-Verbrennungsmotoren
ist es darüber
hinaus bekannt, Partikelfilter im Abgas einzusetzen, um die Emission
solcher Partikel zu verringern. Auch diese Partikelfilter besitzen
nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit
und müssen
ebenfalls regelmäßig regeneriert
werden. Auch dies kann durch Erzeugen von Kraftstoff-Überschuss
im Abgas vor dem Partikelfilter in Verbindung mit dem Einhalten
bestimmter Bedingungen für
die Partikelfiltertemperatur erfolgen.
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Da die Regeneration sowohl von NOx-Speicherkatalysatoren
als auch von Partikelfiltern nur beim Vorliegen bestimmter Bedingungen
für die
Abgastemperatur zufriedenstellend erfolgt, ist eine möglichst
genaue Kenntnis der aktuellen Abgastemperatur und der Temperatur
abgasführender
Bauteile von großer
Bedeutung für
die Steuerung des Verbrennungsmotors und die Steuerung der oben
genannten Regenerationsprozesse in Verbindung mit dem Betrieb des
Verbrennungsmotors. Diese Temperaturen müssen daher gemessen oder modelliert werden.
Es ist weiter bekannt, zur Abgasreinigung Oxidationskatalysatoren
zu verwenden. Oxidationskatalysatoren werden entweder durch mageren
Motorbetrieb oder durch zusätzliche
Lufteinblasung mit Luftüberschuss
betrieben, um CO und HC zu oxidieren. In Oxidationskatalysatoren
laufen in nahezu jedem Betriebspunkt exotherme Reaktionen durch
Oxidation von unverbranntem HC, NO, etc. ab.
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Im Allgemeinen erfordern Abgasnachbehandlungssysteme
in bestimmten Betriebspunkten, beispielsweise beim Betrieb mit geringem
Luftmassendurchsatz und damit vergleichsweise geringer Abgaswärmeerzeugung,
zusätzliche
Maßnahmen, um
die Abgastemperatur anzuheben. Moderne Einspritzsysteme ermöglichen
eine Kraftstoffeinspritzung, die spät erfolgt. Unter einer späten Einspritzung
versteht man eine Einspritzung, die, relativ zum Beginn der Verbrennung,
so spät
erfolgt, dass große Teile
der eingespritzten Kraftstoffmenge nicht im Brennraum verbrannt
werden. Die unverbrannten Teile der eingespritzten Kraftstoffmenge
werden mit dem Abgas in den Oxidationskatalysator transportiert und
werden dort katalytisch oxidiert, was zu einer deutlichen Temperaturerhöhung führen kann,
wenn insbesondere die Temperaturbedingungen für ein Einsetzen der katalytischen
Reaktion erfüllt
sind.
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Für
ein Einsetzen der katalytischen Reaktion muss insbesondere eine
Mindesttemperatur überschritten
worden sein. Auf der anderen Seite können durch exotherme Reaktionen
im Katalysator Wärmemengen
freigesetzt werden, die zu einer Überhitzung des Katalysators
führen
könnten.
Es ist daher wünschenswert,
die Temperatur von Katalysatoren im Allgemeinen, und NOx-Speicherkatalysatoren,
Partikelfiltern und Oxidationskatalysatoren im Besonderen, nicht
nur in stationären
Betriebszuständen
und bei Übergängen von
einem ersten stationären
Betriebszustand zu einem zweiten stationären Betriebszustand zu kennen,
sondern auch bei einer Regeneration eines Katalysators mit Hilfe
von gesteuert ausgelösten
exothermen Reaktionen im Katalysator eine Kenntnis über die
sich dabei einstellende Katalysatortemperatur zu besitzen.
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Vor diesem Hintergrund besteht die
Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Berechnung der Katalysatortemperatur anzugeben, die jeweils
eine Berechnung der Katalysatortemperatur im Normalbetrieb ohne
exotherm erfolgende Regeneration als auch im Betrieb mit exotherm
erfolgender Regeneration des Katalysators ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass für die Berechnung von delta_T
eine erste Korrekturgröße delta
T1 und eine zweite Korrekturgröße delta
T2 gebildet wird, wobei delta_T1 abhängig vom Verhältnis der
im Verbrennungsmotor gleichzeitig mit einer Luftmasse verbrannten
ersten Kraftstoffmasse und einem Basiswert für die Abgastemperatur gebildet
wird und delta_T2 abhängig
von dem Basiswert für
die Abgastemperatur und einem Wärmeeintrag
in das Abgas gebildet wird, der aus einer exothermen Reaktion von
wenigstens einem Teil einer zweiten Kraftstoffmasse resultiert,
die zur Regeneration des Katalysators zusätzlich zum Kraftstoffanteil
des im Verbrennungsmotor verbrannten Kraftstoff/Luft-Gemisches dosiert
wurde.
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Diese Aufgabe wird ferner durch eine
Berechnungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die
die vorstehend genannten Schritte bei der Bildung der ersten Korrekturgröße delta_T1
und zweiten Korrekturgröße delta
T2 ausführt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die Erfindung erlaubt vorteilhafterweise
eine Berücksichtigung
der Katalysator- oder Partikelfiltertemperatur bei der Steuerung
des Verbrennungsmotors in Verbindung mit einer Regeneration des
Katalysators oder Partikelfilters. Dadurch kann insbesondere verhindert
werden, dass der Verbrennungsmotor beispielsweise bei nicht ausreichender
Abgastemperatur mit Kraftstoffüberschuss
betrieben wird, um eine Regeneration auszulösen. Bei zu niedriger Abgastemperatur
würde der
Kraftstoffüberschuss
zumindest nicht vollständig
in dem Katalysator oder dem Partikelfilter reagieren, so dass die
gewünschte Temperatursteigerung
und Regeneration nicht erfolgt. Außerdem würden dadurch auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe
in die Umwelt emittiert.
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Wird dagegen bei einer exotherm verlaufenden
Regeneration ein erlaubter Maximalwert für die Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems überschritten,
können
Gegenmaßnahmen
ausgelöst werden.
Beispielsweise kann die exotherm verlaufende Regeneration ganz abgebrochen
werden oder sie kann unterbrochen werden, um nach dem Unterschreiten
einer kritischen Temperatur erneut ausgelöst zu werden.
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Im Ergebnis können damit sowohl unerwünschte HC-Emissionen
als auch unerwünschte hohe
thermische Belastungen des Abgasnachbehandlungssystems vermieden
werden. Diese Vorteile werden im Rahmen der hier vorgestellten Erfindung durch
eine Berechnung auf der Basis von Betriebsparametern erzielt, die
in einem Steuergerät
ohnehin vorliegen. Daher kann auf einen teuren Temperatursensor,
der so anzuordnen wäre,
dass er die Temperatur am Ort einer möglichen exothermen Reaktion, also
im Katalysator selbst, erfasst, verzichtet werden.
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Es ist bevorzugt, dass die erste
Korrekturgröße delta_T1
aus einem Kennfeld ermittelt wird, in dem Einflüsse der temperaturabhängigen spezifischen
Wärmekapazität des Abgases
berücksichtigt sind.
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Die erste Korrekturgröße delta_T1
stellt ein Maß für Temperaturbeiträge dar,
die unabhängig
von Regenerationsmaßnehmen
durch chemische Reaktionen im Abgasnachbehandlungssystem auftreten. Maßgeblich
für diese
Beiträge
ist die Abgastemperatur und Sauerstoffkonzentration im Abgas. Es
ist daher möglich,
direkt in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur vor dem Abgasnachbehandlungssystem und der
dort herrschenden Sauerstoffkonzentration eine Temperaturerhöhung delta_T1
aus einem Kennfeld zu ermitteln, da diese Erhöhung der Abgastemperatur vom
Abgasmassenstrom unabhängig
ist. Die Einflüsse
der abgastemperaturabhängigen
spezifischen Wärmekapazität des Abgases
können
direkt im Kennfeld berücksichtigt
werden. Die Abgastemperatur vor dem Abgasnachbehandlungssystem kann entweder
gemessen oder modelliert werden. Sowohl Messungen als auch Modellierungen
werden als bekannt vorausgesetzt. Zur Unterscheidung von diesen als
bekannt vorausgesetzten Modellierungen sei nochmals angemerkt, dass
es im Rahmen der Erfindung darum geht, den Einfluss exotherm verlaufender
Reaktionen im Abgasnachbehandlungssystem auf die Abgastemperatur
bzw. auf das Abgasnachbehandlungssystem zu berechnen.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die
zweite Korrekturgröße delta_T2
in Abhängigkeit
von einem Wert gebildet wird, der in Abhängigkeit von dem Basiswert
für die
Abgastemperatur aus einem Kennfeld für die Katalsyatoraktivität ausgelesen
wird.
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Diese Ausgestaltung berücksichtigt
vorteilhafterweise, dass die Katalysatoraktivität und damit das Ausmaß der bei
einer katalytisch ausgelösten exotherm
verlaufenden Reaktion im Katalysator erzeugten Wärme von der Temperatur des
Katalysators bzw. des Abgasnachbehandlungssystems abhängig ist.
Im Ergebnis wird durch das Berücksichtigen
dieses Einflusses die Genauigkeit der Modellierung der Temperatur gesteigert.
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Es ist weiter bevorzugt, dass als
Katalysatortemperaturkorrelierter Wert die Summe aus dem Basiswert
für die
Temperatur des Katalysators, der ersten Korrekturgröße delta
T1 und der zweiten Korrekturgröße delta_T2
gebildet wird.
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Es hat sich gezeigt, dass gerade
die Tiefpass-Filterung dieser Summe den tatsächlichen Temperaturverlauf
im Katalysator bei einer exothermen Reaktion gut beschreibt.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Wärmeeintrag
in das Abgas, der aus einer exothermen Reaktion von wengistens einem
Teil der zweiten Kraftstoffmasse resultiert, durch Multiplikation
dieses Teils der zweiten Kraftstoffmasse mit dem spezifischen Heizwert
des verwendeten Kraftstoffes gebildet wird.
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Auch hier hat sich gezeigt, dass
gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Wärmeeintrag in das Abgas auf
die beschriebene Weise gebildet wird.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Teil der zweiten Kraftstoffmasse durch eine Minimalauswahl zwischen
dem Wert der zweiten Kraftstoffmasse und dem Ergebnis einer Maximalauswahl
zwischen dem Wert Null und dem Wert einer Differenz einer Kraftstoffmasse,
die mit der im Verbrennungsmotor zur Verbrennung eingeschlossenen
Luftmasse stöchiometrisch
verbrannt werden kann, und der an der Verbrennung tatsächlich beteiligten
ersten Kraftstoffmasse ermittelt wird.
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Diese Ausgestaltung berücksichtigt
vorteilhafterweise, dass die bei einer exothermen Reaktion im Katalysator
frei werdende Wärme
nicht nur von der für
eine solche exotherme Reaktion zur Verfügung stehenden Kraftstoffmenge,
sondern auch von der zur Verfügung
stehenden Sauerstoffmenge im Abgas abhängig ist. Darüber hinaus
gibt diese Ausgestaltung an, wie die zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge
aus im Steuergerät
des Verbrennungsmotors ohnehin vorliegenden Betriebsparametern gebildet
werden kann. Auf diese Weise wird die bei einer exothermen Reaktion
frei werdende Wärme und
die damit verbundene Temperatursteigerung auch dann genau bestimmt,
wenn die für
die Reaktion zur Verfügung
stehende Luftmenge nicht ausreicht, um die gesamte für die Reaktion
zur Verfügung
stehende zweite Kraftstoffmasse auszunutzen. Das Steuergerät kann in
diesem Fall beispielsweise und über
die bereits beschriebenen Vorteile hinaus dafür sorgen, dass die zweite Kraftstoffmasse
bei nachfolgenden Einspritzungen verkleinert wird, um eine Freisetzung
von HC-Emissionen in die Umwelt zu verhindern oder zumindest zu
verringern.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die
Tiefpass-Filterung eine PT1-Filterung ist, deren Zeitkonstante von
Betriebskenngrößen des
Verbrennungsmotors abhängig
ist.
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Es hat sich gezeigt, dass mit einer
solchen, von Betriebskenngrößen des
Verbrennungsmotors abhängigen
Zeitkonstante besonders gute, d.h. den tatsächlichen Gegebenheiten entsprechende
Ergebnisse bei der Modellierung der Abgastemperatur und/oder Temperatur
des Abgasnachbehandlungssystems erzielt werden können.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die
Zeitkonstante der PT1-Filterung
vom Abgasmassenstrom abhängig
ist.
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Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass
die Zeitkonstante vom Kehrwert des Abgasmassenstroms und dem Quotienten
aus spezifischen Wärmekapazitäten des
Katalysators und des Abgases abhängig
ist.
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Es hat sich gezeigt, dass gerade
diese Größen einen
Verlauf der Zeitkonstante ergeben, der bei der PT1-Filterung zu
guten Ergebnissen der Temperaturmodellierung führt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
der Beschreibung und den beigefügten
Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 das
technische Umfeld, in dem die Erfindung ihre Wirkung entfaltet,
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2 eine
Verknüpfung
von in einer Berechnungsvorrichtung vorliegenden Daten und an die
Berechnungsvorrichtung gelieferten Sensorsignalen zu Eingangsgrößen für die Berechnung
der Temperatur des Katalysators,
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3 eine
Verknüpfung
solcher Eingangsgrößen zur
Berechnung der Temperatur des Katalysators.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Ziffer 10 in der 1 bezeichnet einen Verbrennungsmotor
mit einem Brennraum 12, in dem ein Gemisch aus Kraftstoff
und Luft verbrannt wird. Dem Brennraum 12 wird Luft über eine
Saugluftführung 14 zugeführt, wobei
die Luftzufuhr durch wenigstens ein Einlassventil 16 gesteuert
wird. Die Masse der vom Verbrennungsmotor 10 angesaugten
Luft wird von einem Luftmassenmesser 18 erfasst, der ein Luftmassensignal
an eine Berechnungsvorrichtung 20, beispielsweise ein elektronisches
Steuergerät, übergibt.
Der Berechnungsvorrichtung 20 werden Signale weiterer Geber
zugeführt,
von denen die 1 exemplarisch
einen Drehzahlgeber 22, einen Fahrpedalgeber 24 und
einen Abgassensor 26 zeigt.
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Es versteht sich, dass der Berechnungsvorrichtung 20 auch
noch Signale weiterer Geber, beispielsweise über Temperaturen im Bereich
des Verbrennungsmotors oder über
die Übersetzungsstufe eines
nachgeschalteten Drehmomentwandlers und dergleichen zugeführt werden
können.
Der in der 1 dargestellte
Drehzahlgeber 22 kann beispielsweise ein Induktivgeber
sein, der ferromagnetische Markierungen 28 an einem Geberrad 30 induktiv
abtastet. Der Fahrpedalgeber 24 kann ein Potentiometer
aufweisen, über
das der Winkel des Fahrpedals und damit die Drehmomentanforderung
des Fahrers erfassbar ist.
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Der Abgassensor 26 kann
ein Sauerstoffkonzentrationssensor sein, wie er bei heutigen Kraftfahrzeugen
in weiter Verbreitung verwendet wird. Bekanntlich kann der Sauerstoffkonzentrationssensor 26 nicht
nur ein Signal über
die Sauerstoffkonzentration im Abgas liefern, sondern es können aus
seinem Signal auch Informationen über die Temperatur des Abgassensor 26 und
damit über
die Temperatur des Abgases am Einbauort des Abgassensor 26 behalten werden.
Beispielsweise kann der Innenwiderstand einer für Sauerstoffionen leitfähigen Sensorkeramik und/oder
der elektrische Widerstand einer elektrischen Abgassondenheizung
oder dergleichen zur Temperaturbestimmung verwendet werden.
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Als Abgassensor 26 kommen
darüber
hinaus nicht nur Sauerstoffkonzentrationssensoren in Frage, sondern
es können
auch für
andere Abgasbestandteile empfindliche Sensoren verwendet werden,
wie NOx-Sensoren, CO-Sensoren und/oder HC-Sensoren. Selbstverständlich kann
die Abgas- und/oder Katalysatoreingangstemperatur
auch durch einen separaten Temperaturfühler, beispielsweise ein Thermoelement,
erfasst werden und an die Berechnungsvorrichtung 20 übergeben
werden.
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Aus den Signalen der genannten Sensoren berechnet
die Berechnungsvorrichtung 20 unter Rückgriff auf in Kennlinien und/oder
Kennfeldern gespeicherte Daten Signale zur Steuerung von Stellgliedern
zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10. So berechnet die
Berechnungsvorrichtung 20 beispielsweise ein Kraftstoffzumesssignal,
beispielsweise eine Einspritzimpulsbreite, mit der eine Kraftstoffzumesseinheit 28,
beispielsweise ein Einspritzventil, angesteuert wird. In der Darstellung
der 1 ist das Einspritzventil 28 so
angeordnet, dass der Kraftstoff direkt in den Brennraum 12 des
Verbrennungsmotors 10 dosiert wird. Dies entspricht einer
Kraftstoff-Direkteinspritzung, wie sie heute sowohl bei Diesel-Verbrennungsmotoren
als auch bei Otto-Verbrennungsmotoren
eingesetzt wird. Selbstverständlich
beschränkt
sich die Erfindung nicht auf Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung.
Sie kann auch bei Otto-Verbrennungsmotoren
mit Saugrohr-Einspritzung verwendet werden. Nach einer Verbrennung
des im Brennraum 12 eingeschlossenen Kraftstoff/Luft-Gemisches,
die je nach Arbeitsprinzip des Verbrennungsmotors 10 durch
eine Selbstzündung
oder durch eine Fremdzündung
des verdichteten Gemisches ausgelöst werden kann, werden die
Abgase über
ein Auslassventil 30 und eine Abgasführung 32, beispielsweise
einen Verbund aus Abgaskrümmer und
Abgasrohren, zu einem Katalysator 34 geführt, in dem
unerwünschte
Abgasbestandteile wie CO, HC und NOx katalytisch oxidiert, gespeichert
oder reduziert werden.
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Der Katalysator 34 kann
sowohl ein Oxidationskatalysator als auch ein Reduktionskatalysator oder
ein 3-Wege-Katalysator
sein. Darüber
hinaus kann er ein NOx-Speicherkatalysator
oder ein Partikelfilter sein. Der Katalysator 34 kann daher
auch allgemeiner als Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 bezeichnet
werden. In Verbindung mit der hier vorgestellten Erfindung ist es
wesentlich, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 zumindest
zeitweise exotherm betrieben werden kann, wobei die aufgrund der
exothermen Reaktion eintretende Temperaturänderung sowohl der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 selbst
als auch des die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 durchströmenden Abgases durch
die Berechnungsvorrichtung 20 mit einem Berechnungsmodell
berechnet werden.
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2 zeigt,
wie im Rahmen eines solchen Berechnungsmodells zunächst Eingangsgrößen für die Berechnung
aus in der Berechnungsvorrichtung 20 vorliegenden Daten
und aus an die Berechnungsvorrichtung 20 übergebenden
Sensorsignalen gebildet werden.
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Feld 36 repräsentiert
den Abgasmassenstrom, also die Masse des vom Verbrennungsmotor 10 pro
Zeiteinheit emittierten Abgases. Sie kann im Steuergerät 20 aus
der über
Einspritzventile 12 zugemessenen Kraftstoffmasse und der über den
Luftmassenmesser 18 angesaugten Luftmasse berechnet werden.
Der Abgasmassenstrom wird im Folgenden auch als m_abg bezeichnet.
Feld 38 bezeichnet die Katalysator-Eingangstemperatur T_in.
T_in kann beim Start des Verbrennungsmotors 10 zunächst ein plausibler
Basiswert sein, etwa ein Festwert für eine durchschnittliche Umgehungstemperatur,
oder T_in kann durch einen separaten Sensor oder durch Auswertung
des Signals des Abgassensors 26, wie vorstehend beschrieben,
gewonnen werden.
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Feld 40 repräsentiert
das Signal des Abgassensors 26, hier eines Sauerstoffkonzentrationssensors,
der ein Maß für den Wert
Lambda liefert, der angibt, ob die Verbrennung im Brennraum 12 mit
Luftüberschuss
oder Kraftstoffüberschuss
erfolgte. Feld 42 repräsentiert
die pro Zeiteinheit angesaugte Luftmasse m_1, wie sie vom Luftmassenmesser 18 an das
Steuergerät 20 geliefert
wird. Feld 44 entspricht einer ersten Kraftstoffmasse (Kraftstoffmasse_1)
pro Zeiteinheit, die den Brennräumen 12 durch
reguläre Haupteinspritzungen
zur möglichst
vollständigen Verbrennung
im Brennraum 12 zugeführt
werden. Feld 46 repräsentiert
eine Kraftstoffmasse_2 pro Zeiteinheit, die den Brennräumen 12 durch
spät erfolgende
Einspritzungen zugeführt
wird und der zumindest nicht vollständig mit der im Brennraum 12 vorhandenen
Luft reagiert.
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Im Zweig 48 wird aus der
Luftmasse, der Kraftstoffmasse_1 und der Kraftstoffmasse_2 die Wärmeenergie
H berechnet, die bei einer nachfolgenden Reaktion in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 freigesetzt
werden kann. Zunächst
wird aus der Luftmasse im Block 52 durch Division mit dem
Wert 14, 5 (Block 50) eine äquivalente
Kraftstoffmasse berechnet, die mit der Luftmasse stöchiometrisch
verbrannt werden könnte.
Von dieser theoretischen Kraftstoffmasse wird im Block 54 die Kraftstoffmasse_1
subtrahiert. Der vom Block 54 ausgegebene Wert entspricht
daher derjenigen Kraftstoffmasse, die mit dem nach der Verbrennung
der Kraftstoffmasse 1 noch verbleibenden Sauerstoff stöchiometrisch
verbrannt werden kann. Dieser Wert kann kleiner als Null, gleich
Null oder größer als
Null sein.
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Im Block 56 wird das Maximum
dieses Wertes und des Wertes Null ausgewählt, so dass der vom Block 56 ausgegebene
Wert entweder gleich Null oder größer als Null ist. Dieser Wert
gibt diejenige Kraftstoffmasse an, die, sofern sie zur Verfügung steht,
in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 mit dem noch
verbleibenden restlichen Sauerstoff exotherm reagieren kann.
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In Block 58 wird aus diesem
Wert und dem Wert der Kraftstoffmasse_2 das Minimum ausgewählt. Der
so erhaltene Wert entspricht derjenigen Kraftstoffmasse, die effektiv
zur Verfügung
steht, um in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 mit dem
restlichen Sauerstoff exotherm zu reagieren. Diese Kraftstoffmasse
wird im Block 60 mit dem Heizwert H_U der verwendeten Kraftstoffsorte
multipliziert, so dass das Produkt die Wärmemenge H liefert, die in
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 durch exotherme
Reaktion freigesetzt werden kann. Dabei spielt es für das Verständnis der
Erfindung keine Rolle, ob der Wert H als absolute Wärmemenge oder
als Wärmemenge
pro Zeiteinheit berechnet wurde.
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Als weitere Eingangsgröße wird
noch eine durchschnittliche Katalysatortemperatur T_mittel gebildet.
Dazu wird die von dem Modell errechnete Katalysatortemperatur T_kat
rekursiv im Block 62 mit dem Wert der Katalysatoreingangstemperatur
T_in aus Feld 38 verknüpft
und im Block 64 wird das Ergebnis einer Mittelwertbildung
unterzogen. Der so erhaltene Mittelwert stellt die weitere Eingangsgröße T_mittel
für die
nachfolgende Berechnung von T_kat dar. Darüber hinaus dient die durchschnittliche
Katalysatortemperatur T_mittel zusammen mit dem Lambda-Wert aus
dem Feld 40 zur Adressierung eines im Steuergerät 20 gespeicherten
Kennfeldes 66, das die spezifische Wärmekapazität cp_abg des Abgases als Funktion
der genannten Eingangsgrößen liefert.
Block 68 steht stellvertretend für die Eigenschaft der realen
Abgaswandlungsvorrichtung 34 unter dem Einfluss der genannten
Eingangsgrößen m_abg,
T_mittel, cp_abg, T_in, Lambda und H die Temperatur T_kat am Ausgang
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 anzunehmen.
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Zusätzlich wird noch die Drehzahl
m des Verbrennungsmotors berücksichtigt,
um insbesondere den angesaugten Luftmassenstrom auf einzelne Brennraumfüllungen
zu normieren.
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Mit anderen Worten: im Zweig 48 wird
der Wärmestrom
ermittelt, der der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 durch
die nicht im Brennraum verbrennende Kraftstoffmasse_2 zugeführt wird.
Zunächst
wird aus dem Luftmassenstrom über
das stöchiometrische
Verhältnis
eine äquivalente
Kraftstoffmenge ermittelt. Von dieser äquivalenten Kraftstoffmenge
wird die Kraftstoffmasse_1 abgezogen. Die resultierende Differenz
beschreibt die Kraftstoffmasse, die noch maximal mit dem Restsauerstoff
im Abgas reagieren kann. Ist die Differenz kleiner oder gleich Null,
kann davon ausgegangen werden, dass kein Sauerstoff mehr im Abgas
enthalten ist, und der Kraftstoffmassenstrom_2 bzw. die Kraftstoffmasse_2 nicht
reagieren kann. Ist die Differenz dagegen größer als Null kann gegebenenfalls
ein Teil oder der gesamte Kraftstoffmassenstrom_2 (Kraftstoffmasse_2) reagieren.
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3 verdeutlicht
eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Berechnung der Temperatur
eines Katalysators aus den vorstehend genannten Eingangsgrößen. Zunächst entspricht
die Bereitstellung des Wertes T_in in Feld 38 dem Schritt
des Bildens eines Basiswertes für
die Temperatur des Katalysators. Zur Bildung einer ersten Korrekturgröße deltaTl wird
mit der durch Feld 72 repräsentierten Durchschnittstemperatur
T_mittel und dem durch Feld 40 repräsentierten Lambda-Wert ein
Kennfeld 74 adressiert, aus dem die erste Korrekturgröße deltaTl
in Abhängigkeit
von den genannten Eingangsgrößen auslesbar
ist. Die erste Korrekturgröße deltaTl
berücksichtigt
die unabhängig
von Regenerationsmaßnahmen
auftretenden chemischen Reaktionen in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34.
Maßgeblich
für diese
Reaktionen sind Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung. Entsprechend
wird Lambda- und temperaturabhängig
direkt eine Temperaturerhöhung delta_T1
aus dem Kennfeld 74 ermittelt, da diese Temperaturerhöhung vom
Abgasmassenstrom unabhängig
ist. Die Einflüsse
der temperaturabhängigen spezifischen
Wärmekapazität des Abgases
können dabei
direkt im Kennfeld 74 berücksichtigt werden.
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Zur Bildung der Korrekturgröße delta_T2 wird
zunächst
die im Feld 76 bereitgestellte Abgasmasse m_abg im Block 78 mit
der durch 80 bereitgestellten spezifischen Wärmekapazität cp_abg
des Abgases multipliziert. Das Ergebnis stellt eine auf die Temperatureinheit
bezogene Wärmemenge
oder einen auf die Temperatureinheit bezogenen Wärmestrom dar. Mit anderen Worten:
das Ergebnis gibt diejenige Wärmemenge
an, die notwendig ist, um einen Temperaturunterschied von einem Grad
zu erzielen. Im Block 80 wird die durch Feld 82 bereitgestellte Wärmemenge
H durch den vom Block 78 ausgegebenen Wert geteilt. Das
Ergebnis stellt den maximalen Energiestrom dar, der durch die katalytische
Reaktion der spät
eingespritzten Kraftstoffmasse 2 mit dem nach der Verbrennung der
Kraftstoffmasse 1 im Brennraum noch verbleibenden Sauerstoff freigesetzt
werden kann. Von diesem maximalen Wert wird ein gewisser Teil tatsächlich freigesetzt,
der von der katalytischen Aktivität der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 abhängig ist.
Diese Abhängigkeit
wird durch Multiplikation des Ausgangs des Block 80 mit dem
aus einer Kennlinie (Block 82) ausgelesenen Wert der katalytischen
Aktivität
im Block 84 berücksichtigt.
Dabei wird Block 82 mit der durchschnittlichen Katalysatortemperatur
T_mittel aus Feld 72 adressiert, da die katalytische Aktivität temperaturabhängig ist.
Das Ergebnis der Verknüpfung
im Block 84 stellt damit den Wert der zweiten Korrekturgröße deltaT2
dar, die einen Wärmeeintrag
in das Abgas beschreibt, der aus einer exothermen Reaktion von wenigstens
einem Teil einer zweiten Kraftstoffmasse resultiert, die zur Regeneration
des Katalysators zusätzlich
zum Kraftstoffanteil des im Verbrennungsmotor verbrannten Kraftstoff/Luft-Gemisches
dosiert wurde.
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Die erste Korrekturgröße delta_T1,
die zweite Korrekturgröße delta_T2
und der in Feld 38 bereitgestellte Basiswert für die Katalysatortemperatur T_in
werden im Block 86 additiv verknüpft und im Block 88 einer
Tiefpass-Filterung
unterzogen, die bevorzugt eine PT1-Charakteristik aufweist. Dabei
ist die Zeitkonstante der Tiefpass-Filterung vom Kehrwert des Abgasmassenstroms
m_abg und dem Quotienten aus spezifischen Wärmekapazitäten des Katalysators (c_kat),
bereitgestellt durch Feld 90 und des Abgases abhängig. Dabei
wird c_kat im Block 92, der eine Division repräsentiert,
mit der Abgasmasse m_abg und der Wärmekapazität des Abgases cp_abg verknüpft.
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Die vorgestellte Temperaturberechnung
berücksichtigt,
dass die Reaktionen und damit auch die Temperaturerhöhungen im
Inneren des Katalysators bzw. der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 stattfinden.
Vereinfachend wird bei der hier vorgestellten Modellbildung zunächst jedoch
eine korrigierte Eintrittstemperatur ermittelt, die sich zusammensetzt
aus Katalysatoreintrittstemperatur T_in, Temperaturerhöhung delta_T1
durch normale, d.h. auch ohne Regeneration stattfindende exotherme
Reaktionen im Katalysator, und Temperaturerhöhung delta_T2 durch Kraftstoff,
der als Kraftstoffmasse 2 speziell zu Regenerationszwecken
dosiert wurde. Aufgrund der Bauweise des Katalysators kann er in guter
Näherung
als idealer Wärmetauscher
betrachtet werden.
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Daraus folgt, dass die Katalsyatortemperatur T_kat
und Abgastemperatur am Ausgang des Katalysators 34 bzw.
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 34 zu jedem Zeitpunkt
als identisch betrachtet werden können. Diese Annahme führt zu einer
Differenzialgleichung, die sich mathematisch auf eine PT1-Filterung
mit der variablen Zeitkonstante des Produktes aus Kehrwert des Abgasmassenstroms und
dem Quotienten aus spezifischen Wärmekapazitäten des Katalysators und des
Abgases ablesen lässt.
Aus diesem Grund kann die aktuelle Katalysatortemperatur am Austritt
des Katalysators 34 durch die vorgestellte PT1-Filterung
der korrigierten Eingangstemperatur modelliert werden.