DE19833450A1 - Verfahren zum Bestimmen des Initialisierungswertes eines Temperaturmodells für einen Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Aus Meßwerten für den Lambdasondeninnenwiderstand beim Abstellen und Wiederstarten der Brennkraftmaschine werden über eine Kennlinie die zugehörigen Temperaturwerte ermittelt. Aus diesen Temperaturwerten wird die Zeitdauer der Abstellphase bestimmt, aus der wiederum mit Hilfe eines, das Temperaturverhalten des Katalysators nach Abstellen der Brennkraftmaschine nachbildenden Temperaturmodells der Initialisierungswert für eines das Aufheizverhalten des Katalysators nachbildenden Temperaturmodells ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ini­ tialisierungswertes eines Temperaturmodells für einen Abgas­ katalysator einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine läßt sich durch katalytische Nachbehandlung des Abgases mit Hilfe eines Dreiwegekatalysators in Verbindung mit einer Lambdaregelungs­ einrichtung wirksam verringern. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß neben der Lambdasonde der Regelungs­ einrichtung auch der Katalysator seine Betriebstemperatur er­ reicht hat. Unterhalb dieser Temperatur, bei den typischen Kraftfahrzeugkatalysatoren ca. 300°C, ist der Katalysator we­ nig wirksam bis unwirksam und die Reaktion findet nur mit un­ genügend kleinen Konvertierungsraten («10%) statt. Um ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperatur sicherzustellen und damit den Schadstoffausstoß während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, bei der innerhalb der ersten 10-15 Sekunden ca. 70 bis 90% der gesamten Schadstoffe von HC und CO ausgestoßen werden, dennoch zu verringern, sind verschie­ dene Warmlaufstrategien bekannt.

Eine schnelle Erwärmung des Katalysators kann außer durch Spätverstellung des Zündwinkels, Anhebung der Leerlaufdreh­ zahl, Gemischabmagerung, auch durch Gemischanfettung in Ver­ bindung mit Sekundärlufteinblasung in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine erfolgen. Dabei wird über eine Sekundär­ luftpumpe während des Warmlaufs Sekundärluft stromabwärts der Auslassventile der Brennkraftmaschine geblasen. Durch das Be­ treiben des Katalysators mit Sauerstoffüberschuß aufgrund der in das Abgas eingeblasenen Sekundärluft wirkt er oxidierend, d. h. die chemische Reaktion ist exotherm, wodurch seine eige­ ne Aufheizung beschleunigt wird.

Da die genannten Verfahren zum Aufheizen des Katalysators nur bis zum Erreichen der Anspringtemperatur aktiv sein sollen, sei es Gründen der erhöhten Emissionen, des Fahrkomforts oder der gewünschten Leistung der Brennkraftmaschine, müssen sie nach Ablauf einer gewissen Zeit wieder deaktiviert werden. Anderseits muß bei jedem Start der Brennkraftmaschine, auch bei einem Wiederholstart abgefragt werden, ob eine Notwendig­ keit zum Aktivieren von Heizmaßnahmen vorliegt. Hierzu kann die Temperatur des Katalysators mittels eines Temperatursen­ sors erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen werden. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleiches werden dann bekannte Maßnahmen zum Aufheizen des Katalysators entwe­ der eingeleitet oder unterbunden.

Anstelle eines, aufgrund des hohen Meßbereiches bis zu ca. 1000°C teuren Temperatursensors kann die Temperatur des Kata­ lysators durch eine Modellbildung ermittelt werden. Diese mo­ dellierte Katalysatortemperatur kann auch unter anderem als Kriterium zum Auslösen von Katalysatorheizmaßnahmen herange­ zogen werden. Wenn die Katalysatortemperatur einen Schwellen­ wert erreicht, wird die Aufheizmaßnahme wieder beendet. Bei einem solchen System muß beim Starten der Brennkraftmaschine der Initialisierungswert für ein solches Temperaturmodell be­ stimmt werden.

Aus der DE 43 38 342 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Bildung eines simulierten Signals bezüglich der Ab­ gas-, der Abgassonden- oder der Katalysatortemperatur be­ kannt. Dabei ist vorgesehen, mit einer Kennlinie eine statio­ näre Abgastemperatur zu ermitteln. Mit Hilfe eines ersten Filters wird ausgehend von der stationären Abgastemperatur der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur stromauf des Kata­ lysators nachgebildet. Mit Hilfe eines zweiten Filters kann weiterhin die Temperatur des Katalysators ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, mit dem auf einfache und genaue Weise der Initialisie­ rungswertes für ein Temperaturmodell eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Da ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand der Lambdasonde und seiner Temperatur vorhanden ist, wird die Sondentemperatur über eine Kennlinie des Sondeninnenwider­ standes ermittelt. Sowohl beim Abstellen, als auch beim Wie­ derstart der Brennkraftmaschine werden die Werte für den Son­ deninnenwiderstände ermittelt und daraus die entsprechenden Temperaturen abgeleitet. Aus diesen Temperaturwerten wird die Zeitdauer der Abstellphase ermittelt, aus der wiederum mit Hilfe eines, das Temperaturverhalten des Katalysators nach Abstellen der Brennkraftmaschine nachbildenden Temperaturmo­ dells der Initialisierungswert für eines das Aufheizverhalten des Katalysators nachbildenden Temperaturmodells ermittelt wird.

Da die Lambdasondentemperatur einen großen Hub aufweist, in der Regel mehr als 500°C und ein ähnliches Abklingverhalten wie die Katalysatortemperatur in der Abstellphase der Brenn­ kraftmaschine besitzt, bietet dieses Verfahren eine genaue Bestimmung der Initialisierungstemperatur für das Kataly­ satortemperaturmodell.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß ohne Verwendung eines Tem­ peratursensors für die Lambdasonde oder für den Katalysator die Abstellzeit, insbesondere eine kurze Abstellzeit zwi­ schen zwei Starts der Brennkraftmaschine mit hoher Genauig­ keit ermittelt werden und daraus die Initialisierungstempera­ tur bestimmt werden kann, so daß sowohl eine Überhitzung des Katalysators, als auch ein zu langsames Aufheizen des Kataly­ sators sicher vermieden werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Weise ein Blockschaltbild ei­ ner Brennkraftmaschine mit zugehöriger Ab­ gasanlage und Steuerungseinrichtung,

Fig. 2 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen Innenwiderstand und Temperatur einer Lambdasonde,

Fig. 3 in graphischer Darstellung den zeitlichen Ver­ lauf der Sondentemperatur nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine,

Fig. 4 in graphischer Darstellung den zeitlichen Ver­ lauf der Katalysatortemperatur nach dem Ab­ stellen der Brennkraftmaschine,

Fig. 5 in graphischer Darstellung ein Temperaturmo­ dell, das den Zusammenhang zwischen Kataly­ satortemperatur und der Zeit während des Auf­ heizens des Katalysators zeigt.

Bei der in der Fig. 1 in vereinfachter Form dargestellten Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem sind nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung not­ wendig sind.

Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Brennkraftmaschine mit ei­ nem daran angeschlossenen Ansaugtrakt 11 und einem Abgastrakt 12 bezeichnet. Im Ansaugtrakt 11 ist in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen (Pfeilsymbol) nacheinander ein Luft­ massenmesser 13, eine Drosselklappe 14, ein Einspritzventil 15 und ein Einlassventil 16 eines nicht näher bezeichneten Zylinders angeordnet. Der Luftmassenmesser 13 mißt die von der Brennkraftmaschine 10 angesaugte Luftmasse und die Dros­ selklappe 14 dient zur Füllungssteuerung. Das Abgas gelangt über ein Auslassventil 17 in den Abgastrakt 12, in dessen weiterem Verlauf eine Lambdasonde 18 und ein zum Konvertieren der im Abgas der Brennkraftmaschine 10 enthaltenen Bestand­ teile HC, CO und NO_x dienender Dreiwege-Katalysator 19 einge­ fügt ist. Die Lambdasonde 18 gibt in Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehalt im Abgas ein Ausgangssignal an eine elektronische Steuerungseinrichtung 20 der Brennkraftmaschine 10 ab und dient in herkömmlicher Weise als Regelglied für ei­ ne Lambda-Regelung des Kraftstoff-Luftgemisches der Brenn­ kraftmaschine.

Ferner sind an geeigneten Stellen der Brennkraftmaschine 10 weitere Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine vorgesehen, insbesondere ein Drehzahlsen­ sor 21 zum Erfassen der Maschinendrehzahl N und ein Tempera­ tursensor 22 zum Erfassen der Kühlmitteltemperatur TKW. Die Ausgänge der Sensoren sind über Schnittstellen mit entspre­ chenden Eingängen der elektronischen Steuerungseinrichtung 20 verbunden.

Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen für Brennkraft­ maschinen, die neben der Kraftstoffeinspritzung und der Zün­ dung auch noch eine Vielzahl weiterer Aufgaben, u. a. auch die Steuerung von Abgasnachbehandlungssystemen übernehmen können, sind an sich bekannt, so daß im folgenden nur auf den im Zu­ sammenhang mit der vorliegenden Erfindung stehenden Aufbau und dessen Wirkungsweise eingegangen wird.

Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 20 über hier nicht im einzelnen darge­ stellte Daten- und Steuerleitungen noch mit weiteren Sensoren und Aktoren verbunden. Die Steuerungseinrichtung 20 wertet die Sensorsignale aus und steuert bzw. regelt unter anderem die Zündung und die Einspritzung.

Die elektronische Steuerungseinrichtung 20 weist in bekannter Weise einen Mikrocomputer, entsprechende Schnittstellen für Signalaufbereitungsschaltungen, sowie eine Ein- und Ausgabe­ einheit auf. Der Mikrocomputer umfaßt eine Zentraleinheit (CPU), welche die arithmetischen und logischen Operationen mit den eingespeisten Daten durchführt. Die dazu notwendigen Programme und Solldaten liefert ein Festwertspeicher (ROM), in dem alle Programmroutinen, Kenndaten, Kennlinien, Sollwer­ te usw. unverlierbar gespeichert sind. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung mit einem Speicher 23 verbunden, in dem u. a. eine Mehrzahl von Kennfeldern KF1-KF4 gespeichert sind, deren Bedeutungen anhand der Beschreibung der nachfolgenden Figuren noch näher erläutert werden. Ein Betriebsdatenspei­ cher (RAM) dient u. a. dazu, die von den Sensoren gelieferten Daten zu speichern, bis sie vom Mikrocomputer abgerufen oder durch aktuellere Daten ersetzt, d. h. überschrieben werden. Über einen Bus werden alle genannten Einheiten mit Daten, Speicheradressen und Kontrollsignalen versorgt.

Bei einer sogenannten luftmassengeführten Motorsteuerung wird mit Hilfe der von den Sensoren (Luftmassenmesser 13 und Dreh­ zahlsensor 21) gelieferten und in entsprechenden Schaltungen aufbereiteten Signale Luftmasse und Drehzahl eine Grundein­ spritzzeit oder Basiseinspritzzeit berechnet und abhängig von weiteren Betriebsparametern (z. B. Druck und Temperatur der Ansaugluft, Temperatur des Kühlmittels, Batteriespannung, Restsauerstoffgehalt im Abgas usw.) Korrekturen dieser Basis­ einspritzzeit derart durchgeführt, daß im Regelfall durch Einsatz der Lambdaregelung ein Kraftstoff-Luftgemisch erzielt wird, das dem stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1,00) ent­ spricht. Der Kraftstoff für die Brennkraftmaschine 10 wird dann während der so berechneten Zeitspanne mit Hilfe eines oder mehrerer Einspritzventile 15 in den Ansaugtrakt 11 (Saugrohreinspritzung) oder alternativ hierzu direkt in den Brennraum der Zylinder eingespritzt (Direkteinspritzung).

Anhand der Beschreibung der nachfolgenden Figuren wird erläu­ tert, wie die Initialisierungstemperatur des Katalysatormo­ dells bestimmt wird.

Zwischen dem Lambdasonden-Innenwiderstand und der Temperatur der Lambdasonde gibt es einen eindeutigen Zusammenhang. In Fig. 2 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt, wobei auf der Abszisse die Temperatur der Lambdasonde TEMP_RI und auf der Ordinate der Innenwiderstand RI der Lambdasonde 18 (Fig. 1) aufgetragen ist. Dieser Zusammenhang wird für eine vorgegebene Lambdasonde experimentell auf dem Prüfstand und/oder durch Fahrversuche ermittelt und ist in Form einer Kennlinie in einem Kennfeld KF1 innerhalb des Speichers 23 abgelegt.

Zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine, im nach­ folgenden vereinfacht als Motorstop bezeichnet, wird der In­ nenwiderstand der Lambdasonde RI_STOP bestimmt und gespei­ chert. Der Innenwiderstand der Lambdasonde kann mit einem der bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise mit dem in der DE 196 25 899 A1 angegebenen Verfahren. Mit dem so ermittel­ ten Wert RI_STOP für den Innenwiderstand der Lambdasonde bei Motorstop kann dann über den im Kennfeld KF1 abgelegten Zu­ sammenhang (Kennlinie) der Wert für die Temperatur der Lambdasonde TEMP_RI_STOP bei Motorstop bestimmt werden. Die­ ser Wert wird im Speicher 23 zur weiteren Verarbeitung zwi­ schengespeichert.

Wird die Brennkraftmaschine nach einer gewissen Abstellphase wieder gestartet, im nachfolgenden als Motorwiederstart be­ zeichnet, so wird, bevor eine eventuell vorhandene Heizungs­ einrichtung der Lambdasonde aktiviert wird, wieder der Innen­ widerstand der Lambdasonde ermittelt und als Wert RI_START gespeichert. Mit dem Wert RI_START für den Innenwiderstand der Lambdasonde bei Motorwiederstart kann dann über den oben bereits beschriebenen Zusammenhang (Kennlinie, Fig. 2) der Wert für die Temperatur der Lambdasonde TEMP_RI_START bei Mo­ torwiederstart bestimmt werden. Auch dieser Wert wird im Speicher 23 zur weiteren Verarbeitung zwischengespeichert.

In der Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Temperatur der Lambdasonde TEMP_RI nach dem Motorstop dargestellt. Dieses Temperaturverhalten über der Zeit wird wiederum für die ver­ wendete Lambdasonde experimentell ermittelt und ist in Form eines Kennfeldes KF2 (Kennlinie) in dem Speicher 23 der Steuerungseinrichtung 20 abgelegt. Es wird auch als Lambdasondentemperaturmodell bezeichnet (exponentielle Funk­ tion mit Zeitkonstanten). Aus den vorher ermittelten Tempera­ turwerten der Lambdasonde bei Motorstop TEMP_RI_STOP und bei Motorwiederstart TEMP_RI_START wird die Zeitdauer der Ab­ stellphase T_AB der Brennkraftmaschine ermittelt.

Die Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Katalysatortem­ peratur TEMP_KAT nach dem Motorstop. Dieses Temperaturverhal­ ten über der Zeit wird für den verwendeten Katalysator expe­ rimentell ermittelt und ist in Form eines Kennfeldes KF3 (Kennlinie) in dem Speicher 23 der Steuerungseinrichtung 20 abgelegt. Es wird auch als Katalysatortemperaturmodell für die Abstellphase bezeichnet (exponentielle Funktion mit Zeit­ konstanten). Das Abklingverhalten der Temperatur ist dabei im wesentlichen von der Wärmestrahlung, -leitung und Konvektion, sowie von der Masse des Katalysators bestimmt. Aus der Zeit­ dauer der Abstellphase T_AB, die mit Hilfe des Lambdasonden­ temperaturmodells ermittelt wurde und aus der Katalysatortem­ peratur TEMP_KAT_STOP zum Zeitpunkt Motorstop, sowie aus der Katalysatorzieltemperatur TEMP_KAT_ZIEL, die der Umge­ bungstemperatur entspricht, wird über dieses Katalysatortem­ peraturmodell die Temperatur des Katalysators zum Zeitpunkt des Motorwiederstarts bestimmt. Diese, als Initialisie­ rungstemperatur TEMP_KAT_INI bezeichneter Wert wird als An­ fangswert eines das Aufheizverhalten des Katalysators be­ schreibenden Katalysatormodells für die laufende Brennkraft­ maschine verwendet. Eingangsgrößen dieses Katalysatormodells sind Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, die direkt oder indirekt das Aufheizverhalten des Katalysators beeinflus­ sen, wie beispielsweise die angesaugte Luftmasse, Drehzahl, Zündwinkel, Luftzahl Lambda, Menge an zugeführter Sekundär­ luft usw. Mit Hilfe dieses Katalysatortemperaturmodells, das auch in einem Kennfeld KF4 im Speicher 23 abgelegt ist, wird die Temperatur des Katalysators während des Betriebes der Brennkraftmaschine modelliert.

Die Fig. 5 zeigt solch einen typischen Verlauf der Kataly­ satortemperatur, so wie er mittels des Katalysatortemperatur­ modells beschrieben wird. Beim Start der Brennkraftmaschine kann die Temperatur des Katalysators abhängig davon, ob ein Kaltstart oder ein Wiederholstart erfolgt, Werte zwischen Um­ gebungstemperatur und beispielsweise 800°C aufweisen. Anhand der mit den eingangs beschriebenen Schritten ermittelten In­ itialisierungstemperatur TEMP_KAT_INI für das Katalysatortem­ peraturmodell wird dann entschieden, ob beim Wiederstart der Brennkraftmaschine Maßnahmen zur Katalysatoraufheizung einge­ leitet werden müssen oder nicht.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen des Initialisierungswertes eines den Aufheizvorgang eines Abgaskatalysators für eine Brenn­ kraftmaschine nachbildenden Temperaturmodells mit einer stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordneten Lambdasonde, dadurch gekennzeichnet, daß

• - beim Abstellen der Brennkraftmaschine (10) der Innenwider­ stand (RI_STOP) der Lambdasonde (18) bestimmt und daraus die Temperatur (TEMP_RI_STOP) der Lambdasonde (18) beim Ab­ stellen der Brennkraftmaschine (10) ermittelt wird,
• - beim Wiederstart der Brennkraftmaschine (10) erneut der In­ nenwiderstand (RI_START) der Lambdasonde (18) bestimmt und daraus die Temperatur (TEMP_RI_START) der Lambdasonde (18) beim Wiederstart der Brennkraftmaschine (10) ermittelt wird,
• - aus den Werten für die Temperaturen der Lambdasonde (18) beim Abstellen (TEMP_RI_STOP) und beim Wiederstarten (TEMP_RI_START) der Brennkraftmaschine (10) die Zeitdauer der Abstellphase (T_AB) der Brennkraftmaschine (10) ermit­ telt wird und
• - aus der Zeitdauer der Abstellphase (T_AB) die Initialisie­ rungstemperatur (TEMP_KAT_INI) für das den Aufheizvorgang nachbildende Temperaturmodell bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Temperatur der Lambdasonde (18) beim Abstel­ len (TEMP_RI_STOP) und Wiederstarten (TEMP_RI_START) der Brennkraftmaschine (10) aus einem Kennfeld (KF1) abhängig vom Innenwiderstand der Lambdasonde (18) ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Abstellphase (T_AB) mit Hilfe eines, das Tempe­ raturverhalten der Lambdasonde (18) nach Abstellen der Brenn­ kraftmaschine nachbildenden Temperaturmodells ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Initialisierungstemperatur (TEMP_KAT_INI) mit Hilfe eines, das Abkühlverhalten des Katalysators (19) nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine (10) nachbildenden Temperaturmodells ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Temperaturmodell als Kennfeld (KF1, KF2, KF3) rea­ lisiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld (KF1, KF2, KF3) auf dem Prüfstand oder durch Fahrver­ suche ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld (KF1, KF2, KF3) in einem Speicher (23) einer für die Steuerung der Brennkraftmaschine (10) vorgesehenen Steue­ rungseinrichtung (20) abgelegt sind.