EP3126654A1 - Verfahren zum betreiben einer antriebseinrichtung sowie entsprechende antriebseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer antriebseinrichtung sowie entsprechende antriebseinrichtung

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EP3126654A1
EP3126654A1 EP15710434.0A EP15710434A EP3126654A1 EP 3126654 A1 EP3126654 A1 EP 3126654A1 EP 15710434 A EP15710434 A EP 15710434A EP 3126654 A1 EP3126654 A1 EP 3126654A1
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EP
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reaction
oxygen
reaction equation
equation
oxygen storage
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EP15710434.0A
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Bodo Odendall
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Audi AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a drive device having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a drive device.
  • the method is used to operate the drive device, which is for example part of a motor vehicle or serves to drive the motor vehicle.
  • the drive device has an exhaust-generating device, such as an internal combustion engine, a fuel cell or the like.
  • the catalyst is provided, which has the oxygen storage and is designed in this respect as a storage catalytic converter.
  • the oxygen storage is, for example, as a separate element. Alternatively or additionally, it may also be provided by a catalytically active element of the catalyst.
  • the lambda value of the exhaust gas is known.
  • it may be provided, for example, upstream of the catalyst by means of a first lambda probe a first lambda value and downstream of the catalyst by means of a second lambda probe to determine a second lambda value and on this basis the composition of a fuel-air mixture, which is converted or burned in the drive device is set to.
  • this is often inaccurate, so that adjusting the composition of the fuel-air mixture is limited possible.
  • a post-catalyst oxygen molecular weight is determined by taking into account the reaction of the oxygen with the first substance by means of a first reaction equation, and additionally determining a second reaction equation, which is a reaction of the first substance with in the oxygen storage, when determining the postcatalyst oxygen molecular weight describes stored oxygen, and a third reaction equation, which describes the entry of oxygen from the exhaust gas into the oxygen storage, are taken into account, wherein a reaction rate of the second reaction equation and a reaction rate of the third reaction equation enters a level of oxygen storage.
  • the goal is to determine the post-catalyst lambda value.
  • the pre-catalyst molar mass of the first material and a pre-catalyst oxygen molar mass of oxygen are first determined upstream of the catalyst.
  • a lambda probe in particular the first lambda probe, is used for this purpose.
  • the behavior of the catalyst together with its oxygen storage is modeled.
  • three reaction equations are used which at least approximately describe a part of the reactions taking place in the catalyst.
  • Each reaction equation is assigned a specific reaction rate, which in turn is determined from specific variables.
  • the postcatalyst oxygen molar mass that is to say the molar mass of oxygen, which is present downstream of the catalyst, is determined based on the precatalyst mass of the first material and the precatalyst oxygen molar mass.
  • the Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse can be determined in a simple manner, the Nachkatalysatorlambda value, in particular because the amount of fuel used to operate the drive means per unit time is known.
  • the post-catalyst lambda value can therefore be determined, for example, according to Brettschneider, for example by means of the relationship
  • the square brackets represent the concentration in vol .-% of the corresponding species, H C v for the molar ratio of hydrogen to carbon in the fuel used, Ocv for the molar ratio of oxygen to carbon in the fuel.
  • the value C f is fuel-specific.
  • the species additionally used in addition to the (molecular) oxygen in the relationship and / or its molecular weight and consequently the concentration can be determined in any desired manner, preferably by means of one or more reaction equations which are used simultaneously with the reaction equations for the oxygen.
  • the first reaction equation now directly takes into account the reaction of the oxygen with the first substance.
  • any substance present in the exhaust gas which reacts with the oxygen can be used as the first substance.
  • hydrogen in particular molecular hydrogen, is used as the first substance.
  • the reaction equations explained in the context of this description are transferable to any other exhaust gas species, provided that the reaction rates and the reaction ratios are adjusted accordingly.
  • the first reaction equation completely disregards the oxygen storage and only describes the immediate reaction of the first substance with the oxygen, which is already present in the exhaust gas, that is already upstream of the catalyst.
  • the second reaction equation is directed to the fact that the first substance as it flows through the catalyst reacts not only with the oxygen present in the exhaust gas but additionally with the oxygen stored in the oxygen reservoir.
  • the third reaction equation takes account of the fact that the oxygen present upstream of the catalyst can be introduced into the oxygen reservoir at its throughflows of the catalyst. Both the second reaction equation and the third reaction equation are so far directed to the oxygen storage. Accordingly, it is necessary that at least the level of the oxygen storage enters into the corresponding reaction rates.
  • the reaction rates of the second reaction equation and the third reaction equation thus exist as a function of the fill level.
  • the reaction rate equation for the second reaction equation has, in addition to the variables already described above, in particular the storage capacity of the catalyst, which is referred to as OSC ("Oxygen Storage Capacity”), and also the relative level ROL ("Relative Oxygen Load”) of the oxygen storage consideration.
  • OSC Oxygen Storage Capacity
  • ROL Relative Oxygen Load
  • the variable k R0L , x describes the influence of the availability of the oxygen stored in the oxygen storage on the reaction, because it can not arbitrarily quickly entered into the oxygen storage or can be discharged from this.
  • the subscript "x” stands for the species that is mainly considered in the reaction equation, for example "H 2 ".
  • the size k R0 L, x is determined experimentally, for example, so that the actual conditions in the catalyst are described as precisely as possible. Based on this size so can be done a calibration of the reaction rates. It can be seen that, in addition to the temperature, the reaction rate for the second reaction equation additionally takes into account the storage capacity and the level of the oxygen storage.
  • M 2 + 1 ⁇ 0 2 -> M 2 0 is used, with a reaction rate of the first reaction equation is.
  • M stands for the first substance, ie the species to be oxidized. Accordingly, it becomes clear that this is molecular, ie in the form of M 2 , in the context of the first reaction equation.
  • y stands for the partial pressure or the molar mass of the respective substance
  • k for the reaction rate present under standard ambient conditions, in particular at a temperature of 300 ° C. for the respective reaction equation
  • E for the activation energy of the respective reaction equation
  • T is the absolute temperature of the exhaust gas in the unit Kelvin.
  • the absolute temperature is determined approximately for the catalyst by taking the temperature immediately upstream of the catalyst, the temperature immediately downstream of the catalyst, or an average of these two temperatures.
  • the reaction rate for the first reaction equation in addition to the molar masses, essentially depends on the temperature of the exhaust gas. Other parameters are not considered.
  • a fourth reaction equation is taken into account, which describes the influence of the stored oxygen on a reaction of water contained in the exhaust gas with a second substance, wherein in a reaction rate of the fourth reaction equation enters the level of the oxygen storage ,
  • the second substance is for example carbon monoxide.
  • the fourth reaction equation describes a water gas shift reaction, which basically with the reaction equation
  • ⁇ T, OSC, ROL y HO - OSC - £ 30 ° C 573.
  • reaction rate for the fourth reaction equation is also based on the storage capacity and oxygen reservoir loading, as well as the above.
  • a preferred embodiment of the invention provides that in addition a fifth reaction equation is taken into account, which describes the discharge of stored oxygen into the exhaust gas, wherein the level of the oxygen storage enters into a reaction rate of the fifth reaction equation.
  • the fifth reaction equation is directed to the fact that the oxygen reservoir is all the more prone to the release of oxygen into the exhaust gas the fuller it is, without necessarily having to react with another element.
  • reaction rate described here is directly dependent on the temperature of the storage capacity and the level.
  • the fill level is determined by integrating by means of at least one reaction equation, the at least one reaction equation being selected from the second reaction equation, the third reaction equation, the fourth reaction equation and the fifth reaction equation.
  • the at least one reaction equation being selected from the second reaction equation, the third reaction equation, the fourth reaction equation and the fifth reaction equation.
  • the storage capacity usually remains essentially constant, although of course a model or measured values can also be used for these.
  • the level is determined in a particularly simple manner from the at least one reaction equation and its reaction rate, this being done by integrating from the beginning of the process, starting from a starting value.
  • at least one reaction equation is used, which takes into account the oxygen stored in the oxygen storage, for example the second reactor. onsreteung, the third reaction equation, the fourth reaction equation or the fifth reaction equation. More preferably, several of these reaction equations, in particular all of these reaction equations, are used to determine the fill level with the highest possible accuracy.
  • the invention further relates to a drive device, in particular for carrying out the method described above, wherein the drive device has the features of claim 8.
  • FIG. 1 diagrams in which a Vorkatalysatorlambda value, a determined and an actual Nachkatalysatorlambda value, a Vorkatalysatormolmasse a first material, a Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse, a nachkataly- satormolmasse the first substance and a Nachkatalysatormolmasse and a level of an oxygen storage of a catalyst over time are plotted, a first reaction equation is considered,
  • FIG. 2 shows a diagram in which reaction rates of a second and a third reaction equation are shown
  • FIG. 3 shows diagrams which show values analogous to FIG. 1, wherein additionally the second reaction equation and the third reaction equation are taken into account,
  • FIG. 4 shows a diagram in which reaction rates for the second, the third and a fourth reaction equation are shown
  • FIG. 5 shows diagrams which show values analogous to FIG. 1, wherein additionally a fourth reaction equation is taken into account
  • FIG. 6 shows a diagram in which reaction rates for the second reaction equation, the third reaction equation, the fourth reaction equation and a fifth equation for the reaction over the level of the oxygen reservoir are shown;
  • FIG. 7 shows diagrams which show values analogous to FIG. 1, wherein additionally the fifth reaction equation is taken into account.
  • FIG. 1 shows a plurality of diagrams in which a curve 1 describes a pre-catalyst lambda value and a curve 2 a post-catalyst lambda value over time t.
  • a second diagram shows gradients 3, 4, 5 and 6 over time t.
  • the course 3 describes a precatalyst oxygen molecular weight
  • the course 4 a precatalyzer mass of a first material
  • the course 5 a post-catalyst oxygen mass
  • the course 6 a post-catalyst mass of the first material.
  • the third diagram shows a profile 7, which represents a level of oxygen storage of a catalyst over time t.
  • the course 2 is determined using the first reaction equation described above and the corresponding reaction rate.
  • FIG. 2 shows a diagram in which a curve 8 shows a reaction rate of a second reaction equation as a function of the fill level of the oxygen reservoir.
  • the course 9 in contrast, describes the reaction rate of a fourth reaction equation, likewise via the fill level.
  • FIG. 3 shows diagrams analogous to FIG. 1, but the values shown here were determined on the basis of the first reaction equation, the second reaction equation and the third reaction equation, in each case with the corresponding reaction rates.
  • the additional course 2 ' reflects the actual post-catalyst lambda value. It can be seen that the modeled aftercatalyst lambda value, which is described by curve 2, is already significantly closer to the actual curve 2 'than was the case in the context of FIG.
  • FIG. 4 shows in addition to the courses 8 and 9, as they are already known from Figure 2, a curve 10. This describes the reaction rate a fourth reaction equation over the level of the oxygen storage.
  • the fourth reaction equation essentially represents a water gas shift equation.
  • FIG. 5 correspond to those of FIGS. 1 and 3, but the values shown therein were determined on the basis of reaction equations 1 to 4. It shows a further improvement of the results in comparison with those shown in Figure 3.
  • FIG. 6 shows a diagram which again shows the curves 8, 9 and 10.
  • a curve 11 is reproduced, which reproduces the reaction rate of a fifth reaction equation.
  • the fifth reaction equation describes the transition of oxygen from the oxygen storage into the exhaust gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, die zum Reinigen von Abgas wenigstens einen Katalysator mit einem Sauerstoffspeicher aufweist, wobei stromaufwärts des Katalysators eine Vorkatalysatormolmasse eines ersten Stoffs und eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse von Sauerstoff ermittelt werden. Dabei ist vorgesehen, dass zum Berechnen eines Nachkatalysatorlambdawerts eine Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse bestimmt wird, indem mittels einer ersten Reaktionsgleichung die Reaktion des Sauerstoffs mit dem ersten Stoff berücksichtigt wird, und dass bei dem Bestimmen der Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse zusätzlich eine zweite Reaktionsgleichung, die eine Reaktion des ersten Stoffs mit in dem Sauerstoffspeicher gespeichertem Sauerstoff beschreibt, und eine dritte Reaktionsgleichung, die den Eintrag von Sauerstoff aus dem Abgas in den Sauerstoffspeicher beschreibt, berücksichtigt werden, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der zweiten Reaktionsgleichung und eine Reaktionsgeschwindigkeit der dritten Reaktionsgleichung ein Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung sowie entsprechende Antriebseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.
Das Verfahren dient dem Betreiben der Antriebseinrichtung, welche beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist beziehungsweise dem Antreiben des Kraftfahrzeugs dient. Die Antriebseinrichtung verfügt über eine Abgas erzeugende Einrichtung, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, eine Brennstoffzelle oder dergleichen. Zur Reinigung des Abgases ist der Katalysator vorgesehen, welcher über den Sauerstoffspeicher verfügt und insoweit als Speicherkatalysator ausgebildet ist. Der Sauerstoffspeicher liegt dabei beispielsweise als separates Element vor. Alternativ oder zusätzlich kann er auch von einem katalytisch wirksamen Element des Katalysators bereitgestellt werden.
Zum Betreiben der Antriebseinrichtung ist es von Vorteil, wenn der Lambdawert des Abgases bekannt ist. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, stromaufwärts des Katalysators mittels einer ersten Lambdasonde einen ersten Lambdawert und stromabwärts des Katalysators mittels einer zweiten Lambdasonde einen zweiten Lambdawert zu ermitteln und auf dieser Grundlage die Zusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, welches in der Antriebseinrichtung umgesetzt beziehungsweise verbrannt wird, einzustellen. Alternativ ist es auch möglich, den ersten Lambdawert mittels der ersten Lambdasonde zu messen und den zweiten Lambdawert mit Hilfe eines Modells zu bestimmen. Dies ist jedoch häufig ungenau, sodass ein Einstellen der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs lediglich eingeschränkt möglich ist.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift US 5,214,915 bekannt, welche ein Verfahren zur Simulation der Dynamik eines Abgaskatalysators beschreibt. In Autoabgasanlagen auftretende Reaktionspfade sowie Reaktionsgeschwindigkeiten sind in der Dissertation von Herrn Dipl.-Ing. Matija Bogdanic:„Simulation von Autoabgasanlagen"; Fakultät III - Prozesswissenschaften, Technische Universität Berlin; 2007, erläutert. Als weiterer Stand der Technik sind die Druckschriften DE 41 12 477 A1 , DE 10 2007 060 331 A1, DE 601 14 906 T2 sowie DE 10 2013 204 422 A1 bekannt. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung vorzuschlagen, welches gegenüber dem Stand der Technik Vorteile aufweist, insbesondere eine genauere Modellierung eines Nachkatalysatorlambdawerts, beispielsweise entsprechend dem vorstehend beschriebenen zweiten Lambdawert, ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass als zweite Reaktionsgleichung
M2 + 1/2 O; M20 verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung
beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,sp für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie kR0L für den Einfluss der Verfügbarkeit des in dem Sauer- stoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht, und oder dass als dritte Reaktionsgleichung o2 ^ o 2,sp verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die dritte Reaktionsgleichung ko a {T,OSC,ROL) = y0 OSC ROL° - k™0 °c - e R ^™Λ5Κ
(l - ROL) beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,sP für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie kROi_ für den Einfluss der Verfügbarkeit des in dem Sauer- stoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht.
Grundsätzlich wird zum Berechnen eines Nachkatalysatorlambdawerts eine Nachkataly- satorsauerstoffmolmasse bestimmt, indem mittels einer ersten Reaktionsgleichung die Reaktion des Sauerstoffs mit dem ersten Stoff berücksichtigt wird, und dass bei dem Bestimmen der Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse zusätzlich eine zweite Reaktionsgleichung, die eine Reaktion des ersten Stoffs mit in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoff beschreibt, und eine dritte Reaktionsgleichung, die den Eintrag von Sauerstoff aus dem Abgas in den Sauerstoffspeicher beschreibt, berücksichtigt werden, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der zweiten Reaktionsgleichung und eine Reaktionsgeschwindigkeit der dritten Reaktionsgleichung ein Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht. Grundsätzlich ist es also das Ziel, den Nachkatalysatorlambdawert zu ermitteln. Zu diesem Zweck werden zunächst stromaufwärts des Katalysators die Vorkatalysatormolmasse des ersten Stoffs und eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse von Sauerstoff ermittelt. Beispielsweise wird zu diesem Zweck eine Lambdasonde, insbesondere die erste Lambdasonde, eingesetzt.
Ausgehend von der Vorkatalysatormolmasse und der Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse wird nun das Verhalten des Katalysators mitsamt seinem Sauerstoffspeicher modelliert. Zu diesem Zweck kommen zunächst drei Reaktionsgleichungen zum Einsatz, welche einen Teil der in dem Katalysator ablaufenden Reaktionen zumindest näherungsweise beschreiben. Jeder Reaktionsgleichung ist dabei eine bestimmte Reaktionsgeschwindigkeit zugeordnet, welche ihrerseits aus bestimmten Größen ermittelt wird. Unter Verwendung der Reaktionsgleichungen und der jeweiligen Reaktionsgeschwindigkeit wird ausgehend von der Vorkatalysatormolmasse des ersten Stoffs und der Vorkatalysatorsauer- stoffmolmasse die Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse ermittelt, also die Molmasse von Sauerstoff, welche stromabwärts des Katalysators vorliegt. Unter Anwendung dieser Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse kann auf einfache Art und Weise der Nachkatalysatorlambdawert ermittelt werden, insbesondere weil die zum Betreiben der Antriebseinrichtung verwendete Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit bekannt ist.
Der Nachkatalysatorlambdawert kann mithin beispielsweise nach Brettschneider ermittelt werden, beispielsweise mittels der Beziehung
Dabei stehen die eckigen Klammern für die Konzentration in Vol.-% der entsprechenden Spezies, HCv für das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff in dem verwendeten Kraftstoff, Ocv für das Molverhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff in dem Kraftstoff. Der Wert Cf ist kraftstoffspezifisch. Die neben dem (molekularen) Sauerstoff in der Beziehung zusätzlich herangezogenen Spezies beziehungsweise deren Molmasse und mithin die Konzentration können auf beliebige Art und Weise bestimmt werden, vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Reaktionsgleichungen, die gleichzeitig zu den Reaktionsgleichungen für den Sauerstoff herangezogen werden.
Die erste Reaktionsgleichung berücksichtigt nun unmittelbar die Reaktion des Sauerstoffs mit dem ersten Stoff. Als erster Stoff kann grundsätzlich jeder beliebige in dem Abgas vorhandene Stoff verwendet werden, welcher mit dem Sauerstoff reagiert. Beispielsweise wird als erster Stoff Wasserstoff, insbesondere molekularer Wasserstoff, herangezogen. Die im Rahmen dieser Beschreibung erläuterten Reaktionsgleichungen sind jedoch auf beliebige andere Abgasspezies übertragbar, sofern die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Reaktionsverhältnisse entsprechend angepasst werden.
Die erste Reaktionsgleichung lässt jedoch den Sauerstoffspeicher vollständig außer Betracht und beschreibt lediglich die unmittelbare Reaktion des ersten Stoffs mit dem Sauerstoff, welcher bereits in dem Abgas vorhanden ist, also bereits stromaufwärts des Katalysators vorlag. Um die Genauigkeit der ermittelten Nachkatalysatorsauerstoffmolmas- se zu verbessern, finden daher zusätzlich die zweite Reaktionsgleichung und die dritte Reaktionsgleichung Anwendung. Die zweite Reaktionsgleichung ist auf den Umstand gerichtet, dass der erste Stoff bei seinem Durchströmen des Katalysators nicht ausschließlich mit dem in dem Abgas vorhandenen Sauerstoff, sondern zusätzlich auch mit dem in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoff reagiert. Mit der dritten Reaktionsgleichung wird schließlich dem Umstand Rechnung getragen, dass der stromaufwärts des Katalysators vorhandene Sauerstoff bei seinen Durchströmen des Katalysators in den Sauerstoffspeicher eingetragen werden kann. Sowohl die zweite Reaktionsgleichung als auch die dritte Reaktionsgleichung sind insoweit auf den Sauerstoffspeicher gerichtet. Entsprechend ist es notwendig, dass in die entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeiten zumindest der Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht. Die Reaktionsgeschwindigkeiten der zweiten Reaktionsgleichung und der dritten Reaktionsgleichung liegen also als Funktion des Füllstands vor.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als zweite Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung k ROL ( \ \ Λ kM 0 (T,OSC,ROL) = yM OSC ^ k j - e R ^ 373.1 s* J
M2,O2 , SP \ 1 sMl \ + kROLu - ROL Ml'°2-V beträgt. Dem Subskript„sp" ist zu entnehmen, dass die jeweilige Komponente dem Sauerstoffspeicher zugeordnet ist. Der Ausdruck„02,sP" deutet also auf molekularen Sauerstoff hin, der in dem Sauerstoffspeicher vorliegt.
Die Gleichung der Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung weist neben den bereits vorstehend beschriebenen Größen insbesondere die Speicherkapazität des Katalysators auf, welche als OSC („Oxygen Storage Capacity") bezeichnet wird. Zudem findet der relative Füllstand ROL („Relative Oxygen Load") des Sauerstoffspeichers Berücksichtigung.
Die Größe kR0L,x beschreibt den Einfluss der Verfügbarkeit des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion, weil dieser nicht beliebig schnell in den Sauerstoffspeicher eingetragen beziehungsweise aus diesem ausgetragen werden kann. Das Subskript„x" steht für die Spezies, die in der Reaktionsgleichung hauptsächlich betrachtet wird, beispielsweise also„H2". Die Größe kR0L,x wird beispielsweise experimentell ermittelt, sodass die tatsächlichen Verhältnisse in dem Katalysator möglichst präzise beschrieben werden. Anhand dieser Größe kann also eine Kalibrierung der Reaktionsgeschwindigkeiten erfolgen. Es ist ersichtlich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung neben der Temperatur zusätzlich die Speicherkapazität sowie den Füllstand des Sauerstoffspeichers berücksichtigt.
Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass als dritte Reaktionsgleichung 02->02,; verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die dritte Reaktionsgleichung k02 0 T,OSC,ROL) = y02 . OSC - beträgt. Auch hier finden also neben der Temperatur die Speicherkapazität sowie der Füllstand des Sauerstoffspeichers Anwendung. Bereits die zusätzliche Verwendung der zweiten Reaktionsgleichung und der dritten Reaktionsgleichung verbessert die Ergebnisse für die Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse qualitativ deutlich.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als erste Reaktionsgleichung
M2 + 1Λ 02->M20 verwendet wird, wobei eine Reaktionsgeschwindigkeit der ersten Reaktionsgleichung beträgt. Der Ausdruck M steht dabei für den ersten Stoff, also die zu oxidierende Spezies. Entsprechend wird deutlich, dass dieser im Rahmen der ersten Reaktionsgleichung molekular, also in der Form M2, vorliegt.
In der Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit steht y für den Partialdruck beziehungsweise die Molmasse des jeweiligen Stoffs, k für die bei Standardumgebungsbedingungen, insbesondere bei einer Temperatur von 300 °C für die jeweilige Reaktionsgleichung vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der jeweiligen Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, welche beispielsweise den Wert R = 8,314 Joule/(mol K) aufweist, und T die absolute Temperatur des Abgases in der Einheit Kelvin.
Die absolute Temperatur wird dabei beispielsweise näherungsweise für den Katalysator ermittelt, indem die unmittelbar stromaufwärts des Katalysators vorliegende Temperatur, die unmittelbar stromabwärts des Katalysators vorliegende Temperatur oder ein Mittelwert aus diesen beiden Temperaturen herangezogen wird. Insgesamt wird deutlich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit für die erste Reaktionsgleichung neben den Molmassen im Wesentlichen von der Temperatur des Abgases abhängt. Weitere Parameter finden keine Berücksichtigung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich eine vierte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird, die den Einfluss des gespeicherten Sauerstoffs auf eine Reaktion von in dem Abgas enthaltenem Wasser mit einem zweiten Stoff beschreibt, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der vierten Reaktionsgleichung der Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht. Für die Anwendung der vierten Reaktionsgleichung ist es mithin notwendig, eine Vorkatalysatormolmasse für das Wasser, mithin eine Vorkatalysatorwassermolmasse und eine Vorkatalysatormolmasse des zweiten Stoffs zu ermitteln. Der zweite Stoff ist beispielsweise Kohlenstoffmonoxid. Insoweit beschreibt die vierte Reaktionsgleichung eine Wassergas-Shift-Reaktion, welche grundsätzlich mit der Reaktionsgleichung
CO + H20— > C02 + H2 beschrieben werden kann. Zusätzlich soll diese Wassergas-Shift-Reaktion nun um eine Berücksichtigung des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs ergänzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als vierte Reaktionsgleichung
H20 -> H2 + 02,sp verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die vierte Reaktionsgleichung
1
{T,OSC,ROL) = yH O - OSC - £30°°C 573.
1 + k KOL» • KOL Hl°'0l-'p beträgt. Mit der genannten Reaktionsgleichung kann der üblicherweise erhebliche Anteil von Wasser in dem Abgas besser berücksichtigt werden. Es wird deutlich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit für die vierte Reaktionsgleichung ebenfalls wie die vorstehenden neben der Temperatur auf der Speicherkapazität und der Beladung des Sauerstoffspeichers beruht. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich eine fünfte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird, die den Austrag von gespeichertem Sauerstoff in das Abgas beschreibt, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der fünften Reaktionsgleichung der Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht. Die fünfte Reaktionsgleichung ist auf den Umstand gerichtet, dass der Sauerstoffspeicher umso mehr zur Abgabe von Sauerstoff in das Abgas neigt, je voller er ist, ohne dass dabei notwendigerweise eine Reaktion mit einem anderen Element erfolgen muss.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als fünfte Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die fünfte Reaktionsgleichung ( 1 1
{T,OSC,ROL)= OSC - R [ T 573.15ΛΓ
beträgt. Auf die Bedeutung der fünften Reaktionsgleichung und der entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeit wurde bereits vorstehend eingegangen. Auch die hier beschriebene Reaktionsgeschwindigkeit ist neben der Temperatur von der Speicherkapazität und dem Füllstand unmittelbar abhängig.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Füllstand mittels wenigstens einer Reaktionsgleichung durch Integrieren ermittelt wird, wobei die wenigstens eine Reaktionsgleichung aus der zweiten Reaktionsgleichung, der dritten Reaktionsgleichung, der vierten Reaktionsgleichung und der fünften Reaktionsgleichung ausgewählt ist. Bei dem Durchführen des Verfahrens ist es selbstredend notwendig, den Füllstand des Sauerstoffspeichers möglichst genau zu erkennen. Die Speicherkapazität bleibt dagegen üblicherweise im Wesentlichen konstant, obwohl selbstverständlich auch für diese ein Modell oder Messwerte herangezogen werden können.
Der Füllstand wird dabei auf besonders einfache Art und Weise aus der wenigstens einen Reaktionsgleichung und deren Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt, wobei dies durch Integrieren ab Beginn des Verfahrens ausgehend von einem Startwert erfolgt. Bevorzugt wird wenigstens eine Reaktionsgleichung herangezogen, welche den in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoff berücksichtigt, beispielsweise also die zweite Reakti- onsgleichung, die dritte Reaktionsgleichung, die vierte Reaktionsgleichung oder die fünfte Reaktionsgleichung. Besonders bevorzugt werden mehrere dieser Reaktionsgleichungen, insbesondere alle dieser Reaktionsgleichungen, herangezogen, um den Füllstand mit möglichst hoher Genauigkeit zu ermitteln.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei die Antriebseinrichtung die Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.
Auf die Vorteile einer derartigen Antriebseinrichtung beziehungsweise eines derartigen Verfahrens wurde bereits eingegangen. Sowohl die Antriebseinrichtung als auch das Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
Figur 1 Diagramme, in welchen ein Vorkatalysatorlambdawert, ein ermittelter und ein tatsächlicher Nachkatalysatorlambdawert, eine Vorkatalysatormolmasse eines ersten Stoffs, eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse, eine Nachkataly- satormolmasse des ersten Stoffs und eine Nachkatalysatormolmasse sowie ein Füllstand eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators über der Zeit aufgetragen sind, wobei lediglich eine erste Reaktionsgleichung berücksichtigt wird,
Figur 2 ein Diagramm, in welchem Reaktionsgeschwindigkeiten einer zweiten und einer dritten Reaktionsgleichung dargestellt sind,
Figur 3 Diagramme, welche Werte analog zu der Figur 1 zeigen, wobei zusätzlich die zweite Reaktionsgleichung und die dritte Reaktionsgleichung berücksichtigt werden,
Figur 4 ein Diagramm, in welchem Reaktionsgeschwindigkeiten für die zweite, die dritte und eine vierte Reaktionsgleichung dargestellt sind, Figur 5 Diagramme, welche Werte analog zur Figur 1 zeigen, wobei zusätzlich eine vierte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird,
Figur 6 ein Diagramm, in welchem Reaktionsgeschwindigkeiten für die zweite Reaktionsgleichung, die dritte Reaktionsgleichung, die vierte Reaktionsgleichung und eine fünfte Reaktionsgleichung über dem Füllstand des Sauerstoffspeichers dargestellt sind, und
Figur 7 Diagramme, welche Werte analog zu der Figur 1 zeigen, wobei zusätzlich die fünfte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird.
Die Figur 1 zeigt mehrere Diagramme, in welchen ein Verlauf 1 einen Vorkatalysator- lambdawert und ein Verlauf 2 einen Nachkatalysatorlambdawert über der Zeit t beschreiben. Ein zweites Diagramm zeigt Verläufe 3, 4, 5 und 6 über der Zeit t. Der Verlauf 3 beschreibt dabei eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse, der Verlauf 4 eine Vorkataly- satormolmasse eines ersten Stoffs, der Verlauf 5 eine Nachkatalysatorsauerstoffmol- masse und der Verlauf 6 eine Nachkatalysatormolmasse des ersten Stoffs. Schließlich zeigt das dritte Diagramm einen Verlauf 7, welcher einen Füllstand eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators über der Zeit t wiedergibt. Der Verlauf 2 wird dabei anhand der vorstehend beschriebenen ersten Reaktionsgleichung und der entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt.
Die Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem ein Verlauf 8 eine Reaktionsgeschwindigkeit einer zweiten Reaktionsgleichung in Abhängigkeit von dem Füllstand des Sauerstoffspeichers zeigt. Der Verlauf 9 beschreibt dagegen die Reaktionsgeschwindigkeit einer vierten Reaktionsgleichung, ebenfalls über den Füllstand.
Die Figur 3 zeigt Diagramme analog zu der Figur 1 , wobei die hier dargestellten Werte jedoch anhand der ersten Reaktionsgleichung, der zweiten Reaktionsgleichung und der dritten Reaktionsgleichung, jeweils mit den entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeiten ermittelt wurden. Der zusätzliche Verlauf 2' gibt den tatsächlich vorliegenden Nachkatalysatorlambdawert wieder. Es zeigt sich, dass der modellierte Nachkatalysatorlambdawert, welcher von dem Verlauf 2 beschrieben wird, bereits deutlich näher an dem tatsächlichen Verlauf 2' liegt als dies im Rahmen der Figur 1 der Fall war.
Das Diagramm der Figur 4 zeigt neben den Verläufen 8 und 9, wie sie bereits aus der Figur 2 bekannt sind, einen Verlauf 10. Dieser beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit einer vierten Reaktionsgleichung über dem Füllstand des Sauerstoffspeichers. Die vierte Reaktionsgleichung gibt im Wesentlichen eine Wassergas-Shift-Gleichung wieder.
Die in der Figur 5 gezeigten Diagramme entsprechen denen der Figuren 1 und 3, wobei die darin gezeigten Werte jedoch anhand der Reaktionsgleichungen 1 bis 4 ermittelt wurden. Es zeigt sich eine weitere Verbesserung der Ergebnisse im Vergleich mit den in der Figur 3 dargestellten.
Die Figur 6 zeigt schließlich ein Diagramm, welches erneut die Verläufe 8, 9 und 10 zeigt. Zusätzlich ist ein Verlauf 11 wiedergegeben, welcher die Reaktionsgeschwindigkeit einer fünften Reaktionsgleichung wiedergibt. Die fünfte Reaktionsgleichung beschreibt den Übergang von Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher in das Abgas.
Die Ergebnisse bei Berücksichtigung der Reaktionsgleichungen 1 bis 5 sind in den Diagrammen der Figur 7 wiedergegeben. Es zeigt sich, dass der Verlauf 2 mit dem Verlauf 2' übereinstimmt. Das bedeutet, dass durch die Berücksichtigung der Reaktionsgleichungen 1 bis 5 bei der Modellierung der Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse und mithin der Berechnung des Nachkatalysatorlambdawerts Ergebnisse erzielt werden, welche mit guter Genauigkeit die theoretischen Ergebnisse wiederspiegeln.
BEZUGSZEICHENLISTE
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf

Claims

N E U E P AT E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, die zum Reinigen von Abgas wenigstens einen Katalysator mit einem Sauerstoffspeicher aufweist, wobei stromaufwärts des Katalysators eine Vorkatalysatormolmasse eines ersten Stoffs und eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse von Sauerstoff ermittelt werden, wobei zum Berechnen eines Nachkatalysatorlambdawerts eine Nachkatalysatorsauer- stoffmolmasse bestimmt wird, indem mittels einer ersten Reaktionsgleichung die Reaktion des Sauerstoffs mit dem ersten Stoff berücksichtigt wird, und dass bei dem Bestimmen der Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse zusätzlich eine zweite Reaktionsgleichung, die eine Reaktion des ersten Stoffs mit in dem Sauerstoffspeicher gespeichertem Sauerstoff beschreibt, und eine dritte Reaktionsgleichung, die den Eintrag von Sauerstoff aus dem Abgas in den Sauerstoffspeicher beschreibt, berücksichtigt werden, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der zweiten Reaktionsgleichung und eine Reaktionsgeschwindigkeit der dritten Reaktionsgleichung ein Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Reaktionsgleichung 2 + 72 02,sp - M20 verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung kM 0 (T,OSC, ROL)
beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,sp für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie kR0L für den Ein- fluss der Verfügbarkeit des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht, und oder dass als dritte Reaktionsgleichung
02 '2,sp verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die dritte Reaktionsgleichung k0i 0i sp {T,OSC,ROL) = y0i OSC
beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,sp für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie k für den Einfluss der Verfügbarkeit des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei eine Reaktionsgeschwindigkeit der ersten Reaktionsgleichung beträgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine vierte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird, die den Einfluss des gespeicherten Sauerstoffs auf eine Reaktion von in dem Abgas enthaltenem Wasser mit einem zweiten Stoff beschreibt, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der vierten Reaktionsgleichung der Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als vierte Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die vierte Reaktionsgleichung beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine fünfte Reaktionsgleichung berücksichtigt wird, die den Austrag von gespeichertem Sauerstoff in das Abgas beschreibt, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der fünften Reaktionsgleichung der Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fünfte Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die fünfte Reaktionsgleichung
1 k0 0 {T,OSC,ROL)= OSC -. *300°c · * ( > r . 573.15Λ"
°2- l + kRO, - (l - ROL) o2.„A
beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand mittels wenigstens einer Reaktionsgleichung durch Integrieren ermittelt wird, wobei die wenigstens eine Reaktionsgleichung aus der zweite Reaktionsgleichung, der dritten Reaktionsgleichung, der vierten Reaktionsgleichung und der fünften Reaktionsgleichung ausgewählt ist.
8. Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinrichtung zur Reinigung von Abgas wenigstens einen Katalysator mit einem Sauerstoffspeicher aufweist, wobei vorgesehen ist, stromaufwärts des Katalysators eine Vorkatalysa- tormolmasse eines ersten Stoffs und eine Vorkatalysatorsauerstoffmolmasse von Sauerstoff zu ermitteln, wobei die Antriebseinrichtung dazu ausgebildet ist, zur Berechnung eines Nachkatalysatorlambdawerts eine Nachkatalysatorsauerstoffmol- masse zu bestimmen, indem mittels einer ersten Reaktionsgleichung die Reaktion des Sauerstoffs mit dem ersten Stoff berücksichtigt wird, und dass bei dem Bestimmen der Nachkatalysatorsauerstoffmolmasse zusätzlich eine zweite Reaktionsgleichung, die eine Reaktion des ersten Stoffs mit in dem Sauerstoffspeicher gespeichertem Sauerstoff beschreibt, und eine dritte Reaktionsgleichung, die den Eintrag von Sauerstoff aus dem Abgas in den Sauerstoffspeicher beschreibt, berücksichtigt werden, wobei in eine Reaktionsgeschwindigkeit der zweiten Reaktionsgleichung und eine Reaktionsgeschwindigkeit der dritten Reaktionsgleichung ein Füllstand des Sauerstoffspeichers eingeht, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Reaktionsgleichung verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die zweite Reaktionsgleichung
beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,Sp für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie kROi_ für den Ein- fluss der Verfügbarkeit des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht, und oder dass als dritte Reaktionsgleichung
02 -» 02 , verwendet wird, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit für die dritte Reaktionsgleichung
/ \ kR0L {\ - ROL)
kn n (T, OSC, ROL) = yD ■ OSC ° °2 , ■ 300°C „ R Ι Γ 573.15ΑΓ
l + kROLn - {\ - ROL) °>'0^ beträgt, wobei M für den ersten Stoff, y für den Partialdruck, k für die bei Standardumgebungsbedingungen vorliegende Reaktionsgeschwindigkeit, E für die Aktivierungsenergie der Reaktionsgleichung, R für die universelle Gaskonstante, T für die absolute Temperatur des Abgases, 02,sp für in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden molekularen Sauerstoff, OSC für die Speicherkapazität des Katalaysators, ROL für den relativen Füllstand des Sauerstoffspeichers sowie kR0L für den Ein- fluss der Verfügbarkeit des in dem Sauerstoffspeicher gespeicherten Sauerstoffs auf die Reaktion steht.
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