WO2020058457A1 - Verfahren zum regeln eines abgasnachbehandlungssystems und brennkraftmaschine, eingerichtet zur durchführung eines solchen verfahrens - Google Patents

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Jens Niemeyer
Simon Rau
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides, and an internal combustion engine which is set up for
  • Methods for regulating an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides are typically based either on simplified, control-technical replacement models, for example proportional elements with or without dead time and / or delay elements, or - alternatively - on detailed physical models. Both approaches have difficulties. Control engineering replacement models can be easily determined, for example by so-called jump tests, but due to their simplicity only describe the dynamic behavior of an SCR system approximately.
  • Parameters can be meaningfully adapted to the changed, real behavior of the SCR system.
  • Parameters are to be regarded as essential, as well as the computing and storage effort on a control unit.
  • the targeted influencing of the storage loading is desirable, however, since the system behavior of an SCR catalytic converter is strongly influenced by the loading of the catalytic converter surface with reducing agent.
  • the invention has for its object a method for controlling a
  • the task is solved in particular by a method for regulating a
  • a metering device for metering a reducing agent - which also includes the metering of a reducing agent precursor product, which is to be understood in the exhaust gas stream to be the reducing agent - into the exhaust gas stream upstream of a catalytic converter, which is particularly designed for catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular as an SCR catalytic converter, is controlled, the metering device being controlled as a function of a desired loading size of the catalytic converter.
  • the target loading size is based on a
  • a physical memory balance calculation is used for the dosing device. In this way, in particular, a physical modeling and a phenomenological
  • the phenomenological model enables the target load size to be determined simply and quickly, while the physical memory balance calculation enables the metering device to be controlled in a realistic and precise manner, even for the real system.
  • a physical memory balance calculation is much less complex than a full physical model and can therefore also be calculated quickly and with little storage effort.
  • the method is therefore particularly characterized by high dynamics, and it is also very suitable for transient operating states of the exhaust gas aftertreatment system.
  • a preferred loading size is preferably a relative loading of the catalyst with the reducing agent, in particular a relative loading of a catalyst surface of the
  • Catalyst used.
  • a target conversion rate of a catalytic converter and / or a target nitrogen oxide concentration - which is to be understood in particular as a target nitrogen oxide partial pressure - in the post-treated exhaust gas stream downstream of the catalyst.
  • the target conversion rate and the target nitrogen oxide concentration are also linked to the relative reducing agent loading of the catalyst and can therefore be used as target loading variables.
  • the relative loading of the catalyst is preferably influenced, in particular controlled, preferably regulated.
  • the target load variable is preferably determined as a function of the operating point, in particular as a function of a current operating point of an internal combustion engine having the exhaust gas aftertreatment system, using the phenomenological model. This is advantageous because the conditions for the reduction of nitrogen oxides on the catalytic converter strongly depend on the instantaneous operating point of the internal combustion engine, in particular on an instantaneous exhaust gas mass flow, an instantaneous exhaust gas temperature, an instantaneous raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter in the exhaust gas stream, and / or further parameters.
  • the phenomenological model is preferably a heuristic and / or a stationary model of the relationship between the relative loading of the
  • Catalyst with reducing agent and the conversion rate of the catalyst are Both easy to set up and quick, easy and predictable without a lot of memory.
  • the phenomenological model is preferably used in addition to the physical memory balance calculation. In this way, the metering device can be controlled with particularly high accuracy and dynamics.
  • a polynomial function in particular a polynomial, of the conversion rate as a function of the relative loading of the catalyst is used as the phenomenological model.
  • the polynomial function is a third order polynomial. It has been found that this level of complexity is sufficient for a sufficiently precise description of the catalyst behavior, while at the same time the computation and storage effort is low.
  • the logarithmic relative loading of the catalyst is used as the variable of the polynomial function. If one looks at the conversion rate applied to the catalyst against the fogarithm of the relative loading, a functional relationship is shown, which is represented with good approximation as a third-order polynomial
  • the natural fogarithm of the relative loading is particularly preferably used as a variable.
  • h ( ⁇ ) is the time-dependent conversion rate of the catalyst, the relative loading being denoted by the symbol Q, where 0i n (t) is an abbreviated notation for the natural fogarithm of the time-dependent relative loading Q, and where p 0 , pi, p 2 and p 3
  • Model parameters of the phenomenological model are that heuristically assumed or - which will be described in more detail below - are determined.
  • the reducing agent in the narrower sense is to be understood as ammonia, with a through the metering device
  • Reductant precursor product especially a urea-water solution, in the
  • Exhaust gas is brought in, the reducing agent product in the exhaust gas flowing to the reducing agent being broken down or decaying. In particular, breaks down into the exhaust gas flow
  • Memory balance calculation receives at least one size that is selected from a group consisting of a metering rate with which the reducing agent is metered into the exhaust gas stream via the metering device, the conversion rate of the catalyst, and a discharge rate with which reducing agent stored in the catalyst releases from the catalyst becomes.
  • Memory balance calculation preferably considers the memory balance as a function of the relative load on the at least one size selected from the group mentioned above.
  • the memory balance is particularly preferably described by the following equation:
  • K (t) K (t) (a (t) - h ( ⁇ ) - 5 (t)), (2) where Q is the derivative of the relative load over time, a (t) the dosing rate depending on the Time, h ( ⁇ ) is the turnover rate depending on the time, and 5 (t) the discharge rate depending on the time.
  • K (t) is a time-dependent conversion factor, in which in particular the time-dependent exhaust gas mass flow, the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter as a function of time, the catalyst volume, the molar mass of the exhaust gas and the maximum possible occupancy of the catalytic converter with reducing agent in
  • the metering rate is defined as the rate based on the amount of nitrogen oxide in the exhaust gas, in particular as the mass of reducing agent based on the nitrogen oxide mass flow in the exhaust gas: where MA is the molar mass of the exhaust gas, MR the molar mass of the reducing agent, in particular ammonia, [NO x ] v the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter, m R the metered mass flow of the reducing agent, and m A the mass flow of the exhaust gas (short: exhaust gas mass flow) is.
  • the mass flow of the reducing agent is predetermined or set by a control device and is therefore known, the exhaust gas mass flow can be measured or calculated on the basis of operating parameters of the exhaust system and / or an internal combustion engine having the exhaust system, and the nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter can also be measured.
  • the turnover rate can also be determined by measurement according to the following equation: where [NO x ] n is the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas downstream of the catalyst.
  • the nitrogen oxide concentrations upstream and downstream of the catalyst can be measured by suitable sensors, in particular nitrogen oxide sensors.
  • the discharge rate 5 (t) is preferably defined separately for two different loading areas of the catalyst, preferably according to the following equation for qi h ⁇ öi n.opt
  • O h.opt is used to denote a (logarithmic) memory loading in which the conversion rate h is maximum, and which is also referred to below briefly as the optimal storage loading , the conversion rate h decreasing in particular with a higher storage loading.
  • max is the corresponding, maximum turnover rate which is assigned to the optimal memory load 0
  • h ( ⁇ ) is the instantaneous conversion rate of the catalyst, and d R is a parameter that is selected depending on the operating point and depending on the material of the catalyst.
  • an instantaneous relative load - preferably as an actual load variable - on the basis of the phenomenological model is determined by means of an estimation method. This allows the current relative loading during operation of the catalytic converter to be determined quickly and with little effort.
  • a Kalman filter is preferably used for the estimation method, particularly preferably an extended Kalman filter (EKF) is used.
  • EKF extended Kalman filter
  • the instantaneous relative loading is particularly preferably determined on the basis of the phenomenological model and the physical memory balance.
  • the estimation method is preferably based on a system of equations which comprises the phenomenological model according to equation (1) as the initial equation and the following equation as the equation of state: where equation (6) is obtained by taking the logarithmic function of the relative
  • the estimation method can then be carried out in particular on the basis of the known metering rate a (t) and the measured conversion rate h ( ⁇ ).
  • Different estimation methods are preferably used, depending on whether the current relative loading is smaller or larger than the optimal storage loading 0in , Opt , at which the maximum conversion rate p max of the system is reached.
  • This takes into account in an advantageous manner that the conversion rate as a function of the relative loading is by definition maximum in the area of the optimal storage loading, so that the corresponding conversion rate curve is only bijective in some areas, namely on the one hand in the area of smaller relative loads than the optimal storage loading, and on the other hand in the area Larger relative loads than it corresponds to the optimal storage load.
  • the metering device is controlled as an actuator of a control system, with this control regulating the conversion rate of the catalyst or a pollutant concentration, in particular a nitrogen oxide concentration, in the exhaust gas downstream of the catalyst as a control variable.
  • the target load size is preferably used as a reference variable. Is particularly preferred as
  • Target load size uses the target conversion rate of the catalyst.
  • a target nitrogen oxide concentration downstream of the catalytic converter is used as the reference variable and target load variable.
  • the relative loading itself to be used as the target loading variable, controlled variable and reference variable.
  • the target conversion rate as the target load large and thus the reference variable is preferably derived from an operating point-dependent emission target for the target nitrogen oxide concentration downstream of the catalytic converter, in particular depending on an instantaneous raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter and preferably an instantaneous performance of an internal combustion engine having the exhaust gas aftertreatment system and / or a current exhaust gas mass flow.
  • the relative target loading as a guide variable can be determined by back calculation - in particular using the Cardanic formulas - from the target turnover rate determined in this way.
  • the target nitrogen oxide concentration can be determined either directly from the emission target value or by recalculation from the relative target load using the phenomenological model of the target conversion rate.
  • the regulation is preferably carried out by a controller based on the physical memory balance, preferably on the basis of the physical memory balance and the phenomenological model.
  • the controller can preferably be a PI controller (proportional-integral controller).
  • the metering device is preferably controlled by a pilot control, a relative target loading of the catalytic converter and an instantaneous relative loading of the catalytic converter being included in the pilot control.
  • the relative target loading is preferably determined from the phenomenological model, in particular in the same way as was previously described in connection with the control.
  • the instantaneous relative loading of the catalyst is preferably obtained from the estimation method described above.
  • the dosing rate to be set by means of the pilot control is preferably on the
  • a reduced storage balance is used to simplify the method, it being assumed that the discharge rate and preferably also the conversion rate are constant.
  • the metering device is preferably controlled both as an actuator of the control described above and by the pilot control described above.
  • An output variable of the controller and an output variable of the precontrol are preferably linked to one another, in particular offset, preferably added, the
  • Dosing device is controlled based on the result of this operation.
  • At least one model parameter of the phenomenological model is determined by means of the estimation method.
  • Estimation methods allow the model parameters, in particular po, pi, p 2 and p 3 , to be estimated in a simple and economical manner. In particular, it is possible that everyone
  • Model parameters can be estimated. But it is also possible that only a part of the
  • Model parameters are estimated while another part of the model parameters is obtained in a different way or is fixed constantly.
  • the model parameters are in particular dependent on a current operating point and / or an aging state of the exhaust gas aftertreatment system.
  • model parameters are obtained from the estimation process, this is preferably carried out using a combined state and parameter estimation.
  • the current relative loading is estimated using a Kalman filter.
  • the at least one model parameter is preferably determined using the least squares method. This is possible in a simple and precise manner at the same time, since the phenomenological model according to equation (1) is linear in the model parameters po, Pi, p 2 , p 3 .
  • a linear least squares method can be used. In the course of the method, values for the model parameters, which are derived from a
  • the instantaneous relative load resulting from the state estimate is considered below in connection with the measured instantaneous turnover rate, in particular related points of the instantaneously measured turnover rate and the estimated instantaneous relative load are assigned to one another, so that pairs of values from the instantaneous turnover rate and the instantaneous relative load are used To be available. This is now in turn applied to these value pairs
  • the exhaust gas aftertreatment system should have a suitable excitation, i.e. there should be sufficiently distributed points in both sizes, i.e. both for the turnover rate and for the current relative loading.
  • the method improves if the respective pairs of values are measured in stationary operating states of the exhaust gas aftertreatment system.
  • At least two points are preferably predetermined and are included in the adaptation of the phenomenological model.
  • This is preferably a first pair of values with a minimal turnover rate and minimal relative loading, it being possible in particular for both values to be chosen ad hoc to zero.
  • a pair of values at the slip limit is preferably chosen as a second fixed pair of values, that is to say where reducing agent is released from the catalyst for the first time.
  • This pair of values can in particular in Test bench tests are determined, in particular the slip conversion rate and the slip loading being determined where a predetermined reducing agent concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter is detected for the first time by means of suitable sensors.
  • a pair of values which is above the slip limit can also be included, this pair of values being able to be arbitrarily determined, for example, from a simulation of the exhaust gas aftertreatment system.
  • the at least two defined pairs of values in particular form limitations for the least squares method. Then on the basis of the state estimate and / or by means of the model parameters determined using the least squares method
  • Exhaust aftertreatment systems are used, in particular to decide whether the current relative load is greater or smaller than the optimal storage load associated with the maximum conversion rate.
  • the defined value pairs are also dependent on the operating point, in particular dependent on an instantaneous exhaust gas mass flow and an instantaneous temperature of the catalytic converter. They are preferably stored depending on the operating point and are not changed during the lifetime of the exhaust gas aftertreatment system.
  • the slippage loading is obtained, for example, by a fixed actuator greater than 1 multiplied by the optimal storage loading, which is assigned to the maximum conversion rate, the actuator being able to be, for example, 110%.
  • the at least one model parameter is determined and stored depending on the operating point.
  • the at least one model parameter is preferably determined as a function of a temperature of the catalytic converter, an exhaust gas mass flow and / or a raw nitrogen oxide concentration in the exhaust gas upstream of the catalytic converter and is stored as a function of at least one of these parameters, in particular of all of these parameters , preferably stored in a map.
  • the corresponding model parameters are then read out depending on the operating point.
  • Parameter estimates can take into account physically meaningful limitations of the state or parameters.
  • the relative loading of the catalyst can be defined, for example, so that it takes on values between 0 and 1. If this limitation is taken into account in the estimation process, a better quality of the estimation of the condition can be achieved and / or implausible values can be prevented from being given as the result of the estimation.
  • Sensible limitations of the model parameters for example to certain sign areas, can be taken into account. This limits the degree of freedom of the estimation procedure to physically meaningful value ranges. A bad or inaccurate estimate is prevented from resulting.
  • the relative target loading is dependent on the operating point, that is to say in particular dependent on an operating point
  • Internal combustion engine with which the exhaust gas aftertreatment system is operated is determined on the basis of the phenomenological model from a target sales rate.
  • the target conversion rate is therefore advantageously determined as a function of the operating point, in particular on the basis of an emission target value, with the target conversion rate based on the phenomenological model, in particular using the so-called Cardanic formulas, which allow the algebraic resolution of the model the relative target load is calculated back.
  • the emission target value for the amount of nitrogen oxide emitted is preferably read from a characteristic map on the basis of the current operating point of the internal combustion engine, the Emission target value based on the current power of the internal combustion engine, the current exhaust gas mass flow, and the current raw nitrogen oxide concentration
  • a stationary relative loading is preferably calculated using the phenomenological model, the relative target loading being obtained from the stationary relative loading as a limited relative target loading by limitation using a dynamic temperature model.
  • This limitation of the relative target loading serves in particular to avoid slippage of reducing agents.
  • the dynamic temperature model is preferably used to carry out a time calculation for the expected temperature of the catalytic converter or in the vicinity of the catalytic converter. There will then be a current slip limit for the
  • the minimum is selected as the minimum slip limit and used to limit the relative target load. This means in particular that the relative target load is equal to the stationary relative load as long as the stationary relative load is smaller than the minimum slip limit, the relative target load being limited to the minimum slip limit if the stationary relative load becomes larger than the minimum slip limit .
  • a limited target conversion rate and / or a limited target pollutant concentration in the exhaust gas is calculated on the basis of the phenomenological model from the - in particular limited - relative target loading. Again, this can be done based on equation (1).
  • the limited target conversion rate and / or the limited target pollutant concentration is / are used as a reference variable (s) for the controller by which the metering device is controlled as an actuator.
  • a dosing error for the dosing device is based on a comparison of a model calculation of the relative loading and / or the storage balance with an estimate of the relative loading and / or the storage balance is determined.
  • This is based on the idea that the storage balance - taking into account the phenomenological model for the turnover rate - can be calculated algebraically on the one hand and on the other hand determined using the estimation method from the (faulty) measured values of the real system. If one relates the ideal value obtained algebraically to the real value obtained from the estimation method, a deviation can be made
  • the nitrogen oxide sensors function without errors or at most with one known error, this can in turn be used to infer the metering error of the metering device, in particular an injector error.
  • the loading condition of the catalyst is corrected using the estimation method.
  • the phenomenological model can adapt to the current system behavior without complex relationships, such as aging processes, having to be depicted in detail.
  • a particularly fast emission control is possible, which can compensate transient processes of the system particularly well and at the same time minimizes secondary emissions.
  • the object is also achieved by creating an internal combustion engine which has at least one combustion chamber and an exhaust gas aftertreatment system for aftertreatment of exhaust gas from the at least one combustion chamber.
  • the internal combustion engine has a control device that is set up to regulate the exhaust gas aftertreatment system according to the inventive method or a method according to one of the previously described embodiments.
  • the exhaust gas aftertreatment system of the internal combustion engine has in particular one
  • Dosing device for metering a reducing agent into an exhaust gas stream upstream of a catalyst of the exhaust gas aftertreatment system and the catalyst, which is preferably designed as a catalyst for reducing nitrogen oxides, in particular for selective reduction of nitrogen oxides, in particular as an SCR catalyst.
  • the exhaust gas aftertreatment system downstream of the catalytic converter prefferably has a blocking catalytic converter which is set up to discharge discharged from the catalytic converter
  • Oxidizing reducing agents Oxidizing reducing agents.
  • the phenomenological model described describes in particular the overall behavior of the combination of SCR catalytic converter and blocking catalytic converter.
  • the exhaust gas aftertreatment system preferably has at least one temperature sensor, in particular a first temperature sensor upstream of the catalytic converter and a second temperature sensor downstream of the catalytic converter.
  • the exhaust gas aftertreatment system preferably has at least one nitrogen oxide sensor, preferably a first nitrogen oxide sensor upstream of the catalytic converter and a second nitrogen oxide sensor downstream of the catalytic converter.
  • the first nitrogen oxide sensor is preferably arranged upstream of the metering device.
  • Typical nitrogen oxide sensors have a cross sensitivity, for example for NH 3 emissions. This behavior can preferably also be mapped with the chosen phenomenological model.
  • the control device is operatively connected to the metering device for controlling it.
  • the control device is preferably also operatively connected to the at least one temperature sensor and / or to the at least one nitrogen oxide sensor in order to obtain measured values from these sensors.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an embodiment of a method for regulating the exhaust gas aftertreatment system
  • Figure 3 is a diagrammatic representation of a phenomenological model for controlling the exhaust gas aftertreatment system.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine 1, the engine block 3 with at least one combustion chamber 5 and a
  • Exhaust gas aftertreatment system 7 which is set up for aftertreatment of exhaust gas from the at least one combustion chamber 5.
  • the internal combustion engine 1 is preferably designed as a reciprocating piston engine. In particular, it can have a plurality of preferably identical combustion chambers 5, in particular four, six, eight, ten, twelve, fourteen, sixteen, eighteen or twenty
  • Combustion chambers Another, smaller or larger number of combustion chambers 5 is also possible.
  • the exhaust gas aftertreatment system 7 has a catalytic converter 9 which is set up to reduce nitrogen oxides.
  • the catalytic converter 9 is preferably set up for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular it is preferably designed as an SCR catalytic converter. In the embodiment shown here, this
  • Exhaust gas aftertreatment system 7 downstream of the catalytic converter 9 - in the direction of an exhaust gas mass flow coming from the combustion chambers 5 - has a blocking catalytic converter 11 which is set up to oxidize a catalytic converter 9 discharged from or through the catalytic converter
  • a metering device 13 is arranged upstream of the catalytic converter 9 and is set up for metering a reducing agent into the exhaust gas stream.
  • the catalytic converter 9 is set up to at least partially store the reducing agent, the reducing agent being able to be deposited in particular on a surface of the catalytic converter 9.
  • the internal combustion engine 1 also has a control device 15, which is operatively connected to the metering device 13 in order to control it.
  • the control device 15 which is operatively connected to the metering device 13 in order to control it.
  • control device 15 specifies the amount of reducing agent - in particular reducing agent mass per unit of time - that is metered into the exhaust gas stream.
  • the control device 15 is in particular set up to carry out a method for regulating the exhaust gas aftertreatment system 7, which is described in more detail below, the metering device 13 being dependent, in particular, on a target load quantity of the
  • Catalyst 9 is driven, the target load size - in particular
  • the control device 15 is preferably operatively connected to determine an operating point of the engine block 3, in particular to determine an instantaneous speed and an instantaneous load of the engine block 3.
  • the exemplary embodiment of the internal combustion engine 1 shown here has a first nitrogen oxide sensor 17 upstream of the catalytic converter 9, in particular upstream of the
  • the internal combustion engine 1 further has a first temperature sensor 21 upstream of the catalytic converter 9, in particular upstream of the metering device 13, and a second temperature sensor 23 downstream of the catalytic converter 9, in particular downstream of the blocking catalytic converter 11.
  • the nitrogen oxide sensors 17, 19 and the temperature sensors 21, 23 are each operatively connected to the control device 15, so that measured values of the sensors are available.
  • the control device 15 is preferably also set up to - if necessary by means of a suitable sensor - an instantaneous exhaust gas mass flow in the
  • Exhaust gas aftertreatment system 7 to detect or - in particular on the basis of the current operating state of the engine block 3 - to calculate.
  • a polynomial function of the turnover rate depending on the relative loading is used in particular as a phenomenological model.
  • a third-order polynomial is preferably used as the polynomial function.
  • the logarithmic relative load is used as the variable of the polynomial function.
  • the above equation (1) is used as the phenomenological model.
  • the physical storage balance preferably includes at least one variable that is selected from a group consisting of a metering rate, the conversion rate of the catalyst, and a discharge rate of reducing agent from the catalyst 9.
  • the storage balance is preferably used as a derivative of the relative loading of the catalyst 9 depending on the at least one size.
  • the above equation (2) is preferably used as the physical memory balance.
  • the instantaneous relative loading of the catalytic converter 9 with reducing agent - in particular as an actual loading - is determined on the basis of the phenomenological model - and preferably also the storage balance - by means of an estimation method.
  • an estimation method in particular the metering quantity known in the control device 15, in particular the instantaneous metering rate, and a conversion rate of the catalyst 9 determined by means of the nitrogen oxide sensors 17, 19 can be used.
  • a Kalman filter is preferably used as the estimation method, particularly preferably an extended Kalman filter (Extended Kalman Filter - EKF).
  • the metering device 13 is preferably controlled as an actuator of a control system, the control regulating the conversion rate of the catalyst 9 or a pollutant concentration, preferably a nitrogen oxide concentration, in the exhaust gas as a control variable.
  • Target load size is used in particular as a reference variable, with as
  • Target load size in particular the relative load, the conversion rate or a target pollutant concentration, in particular target nitrogen oxide concentration, is used in the exhaust gas downstream of the catalytic converter 9.
  • the metering device is controlled by a pilot control, a relative target loading of the catalytic converter and an instantaneous relative loading of the catalytic converter 9 being included in the pilot control.
  • the target loading is preferably determined from the phenomenological model, the current relative loading being obtained from the estimation method.
  • the precontrol is based in particular on the physical Memory balance.
  • a reduced storage balance is preferably used, in which only the metering rate is variable, but not the conversion rate and the discharge rate, which are rather kept constant.
  • At least one model parameter of the phenomenological model is preferably determined using the estimation method.
  • all model parameters can be obtained from the estimation process.
  • the current relative load is preferably estimated using a Kalman filter.
  • Model parameters determined using the least squares method in particular on the basis of a consideration or plotting of the estimated values for the relative loading on the one hand and the measured values for the turnover rate on the other hand.
  • the at least one model parameter is preferably determined and stored as a function of the operating point, in particular as a function of an exhaust gas temperature, an exhaust gas mass flow, and / or a raw nitrogen oxide concentration upstream of the catalytic converter 9.
  • the relative target loading is preferably determined as a function of the operating point, in particular as a function of an instantaneous speed and an instantaneous load point of the engine block 3, using the phenomenological model from a target turnover rate.
  • a stationary relative loading is preferably calculated using the phenomenological model, the relative target loading being obtained from the stationary relative loading as a limited relative target loading by limitation using a dynamic temperature model, preferably using the phenomenological model from the limited relative target loading a limited target turnover rate and / or a limited target pollutant concentration in the exhaust gas is calculated, in particular as a control variable (s).
  • a dosing error for the dosing device 13 is preferably determined on the basis of a comparison of a model calculation of the relative loading with an estimate of the relative loading of the catalytic converter 9.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a method for regulating the exhaust gas aftertreatment system 7.
  • a calculation step 25 an instantaneous speed n and an instantaneous torque M of the internal combustion engine 1 in particular the engine block 3, a stationary relative load 0 stat calculated. This is limited in a limiting step 27 on the basis of a thermal model 29.
  • the thermal model 29 is used to make a prediction for an expected future
  • Slip limit of the catalytic converter 9 has been met, the expected slip limit being compared with a calculated instantaneous slip limit, and the stationary relative load being limited to the smaller value, selected from the instantaneous slip limit and the expected slip limit.
  • the limiting step 27 also go preferably in an adaptation step 31 obtained adapted models for the
  • Exhaust gas aftertreatment system 7 in particular characteristics for the thermal behavior of the exhaust gas aftertreatment system 7, in particular taking into account the
  • Exhaust gas mass flow, a. Limiting step 27 then results in a limited relative target loading 0 S. This is calculated back in a recalculation step 33 based on the phenomenological model according to equation (1) to a target nitrogen oxide concentration in the exhaust gas and / or a target conversion rate of the catalyst 9, which serve as a control variable (s) for regulating the relative loading of the catalyst 9 , wherein at least one variable, selected from these variables, is / are compared in a comparison step 35 with a measured actual nitrogen oxide concentration downstream of the catalytic converter 9 and / or a measured actual conversion rate or calculated from measured values of the nitrogen oxide sensors 17, 19, wherein the comparison result goes into a controller 37, which is preferably designed as a PI controller and on the one hand on the physical memory balance and on the other hand on the
  • the controller 37 controls the metering device 13 as an actuator.
  • the limited relative target loading 0 S is also incorporated into a pilot control 39, which likewise generates a signal for controlling the metering device 13, in particular on the basis of a reduced memory balance while keeping the turnover rate and the discharge rate constant.
  • the control signals of the controller 37 and the pilot control 39 are preferably in one
  • Computation element 41 is offset with one another to form a calculated control signal, in particular added, and is fed to a controlled system 43, the metering device 13 being actuated by means of the calculated control signal, the controlled system 43 also comprising the catalytic converter 9 and possibly the blocking catalytic converter 11. Result from the controlled system 43 again the actual turnover rate and / or the actual nitrogen oxide concentration downstream of the
  • This and the current dosing rate are included in the estimation method 45, which is preferably based on the Kalman filter, the physical memory balance and the phenomenological model being used in particular for the estimation method 45. From the
  • Feedforward control 39 is supplied, feedforward control 39 generating its signal in particular on the basis of a comparison of the limited relative target loading 0 S and the current relative actual loading 0i.
  • the estimation method 45 results in the model parameters p 0 , ri, p 2 , P3 for the phenomenological model, which in particular are in turn fed to the adaptation step 31 for adaptation.
  • FIG. 3 shows a diagrammatic representation of a plot of the conversion rate h against the logarithm of the relative loading 0
  • the model curve satisfies equation (1) and is therefore a third-order polynomial.
  • points are marked here that can be used as fixed points in the determination of the at least one model parameter using the least squares method, namely a first point Pl with a minimal turnover rate h ihhi and a minimal logarithmic relative loading 0 l min .
  • a second possible fixed point P2 is drawn in, which marks a slip limit, namely a logarithmic relative loading 0 hl sc hiu P f and a slip conversion rate h slip associated therewith at which reducing agent is discharged from the catalyst 9 for the first time.
  • This pair of values can be determined, in particular, depending on the operating point from test bench tests with suitable reducing agent measuring sensors.
  • Slip limit can be determined, especially arbitrarily based on a simulation of the
  • Exhaust aftertreatment system 7 After adapting the model according to equation (1) to value pairs of the turnover rate h obtained on the one hand and the logarithmic relative loading q
  • Exhaust gas aftertreatment system 7 can be used in particular to decide on which branch of the curve according to the diagram in FIG. 3 the exhaust gas aftertreatment system 7 is currently operated, since the corresponding curve according to equation (1) does not cover its entire definition range, but only on the left and on the other hand, to the right of the optimal memory loading qi ,, . ,, r ⁇ is bijective.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems (7) zur Reduktion von Stickoxiden in einem mit dem Abgasnachbehandlungssystem (7) behandelten Abgasstrom, wobei eine Dosiereinrichtung (13) zur Zumessung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators (9) angesteuert wird, wobei die Dosiereinrichtung (13) in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des Katalysators (9) angesteuert wird, wobei die Sollbeladungsgröße anhand eines phänomenologischen Modells eines Zusammenhang zwischen einer relativen Beladung des Katalysators (9) und einer Umsatzrate des Katalysators (9) bestimmt wird, und wobei zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung (13) eine physikalische Speicherbilanz verwendet wird.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems und Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems zur Reduktion von Stickoxiden, sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur
Durchführung eines solchen Verfahrens.
Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems zur Reduktion von Stickoxiden, kurz auch als SCR-Systeme bezeichnet, beruhen typischerweise entweder auf vereinfachten, regelungstechnischen Ersatzmodellen, zum Beispiel Proportionalgliedem mit oder ohne Totzeit und/oder Verzögerungsgliedem, oder - alternativ - auf detaillierten physikalischen Modellen. Beide Ansätze weisen Schwierigkeiten auf. Regelungstechnische Ersatzmodelle können einfach bestimmt werden, beispielsweise durch sogenannte Sprungversuche, beschreiben aber aufgrund ihrer Einfachheit das dynamische Verhalten eines SCR-Systems nur näherungsweise.
Insbesondere finden sie ihre Grenzen in transienten Betriebszuständen des SCR-Systems.
Demgegenüber beschreiben detaillierte physikalische Modelle generell das Systemverhalten korrekt. Sie beruhen allerdings auf einer Vielzahl von Systemparametern, die nur schwierig und mit hohem Aufwand bestimmt werden können. Die Nutzung solcher Modelle in
Seriensteuergeräten für Brennkraftmaschinen ist aufgrund der erforderlichen Rechenzeiten gegebenenfalls nicht möglich. Teilweise werden deshalb wiederum vereinfachende Annahmen getroffen; beispielsweise wird eine räumliche Ausdehnung eines SCR-Katalysators in
Strömungsrichtung bei der Umsetzung vernachlässigt. In diesem Fall büßen die physikalischen Modelle allerdings an Genauigkeit ein. Problematisch ist weiterhin, dass sich physikalische Modelle nur sehr schlecht an ein verändertes reales Systemverhalten adaptieren lassen, da insbesondere aufgrund der Vielzahl von Modellparametem unklar bleibt, durch welche
Parameter sinnvoll eine Anpassung an das geänderte, reale Verhalten des SCR-Systems erfolgen kann.
Letztlich ist es insbesondere nicht möglich, mittels der hier diskutierten Ansätze die
Speicherbeladung eines SCR-Katalysators mit einem Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak, gezielt zu beeinflussen. Im Fall der vereinfachten, regelungstechnischen Ersatzmodelle scheitert dies an der mangelnden Dynamik oder an der zu geringen physikalischen Genauigkeit, bei der Vorgänge der Ammoniak- Speicherung nicht abgebildet sind; im Fall physikalischer Modelle an der hohen Komplexität und der fehlenden Kenntnis, welche
Parameter als wesentlich zu betrachten sind, weiterhin am Rechen- und Speicheraufwand auf einem Steuergerät. Die gezielte Beeinflussung der Speicherbeladung ist aber wünschenswert, da das Systemverhalten eines SCR- Katalysators stark von der Beladung der Katalysatoroberfläche mit Reduktionsmittel beeinflusst ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines
Abgasnachbehandlungs System zur Reduktion von Stickoxiden sowie eine Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines solchen Verfahrens, zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Regeln eines
Abgasnachbehandlungs System zur Reduktion von Stickoxiden in einem mit dem
Abgasnachbehandlungs System nachbehandelten Abgas ström geschaffen wird, wobei eine Dosiereinrichtung zur Zumessung eines Reduktionsmittels - worunter auch die Zumessung eines Reduktionsmittel- Vorläuferprodukts, welches im Abgasstrom zu dem Reduktionsmittel umgesetzt wird, zu verstehen ist - in den Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators, der insbesondere eingerichtet ist zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere als SCR- Katalysator, angesteuert wird, wobei die Dosiereinrichtung in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des Katalysators angesteuert wird. Die Sollbeladungs große wird anhand eines
phänomenologischen Modells eines Zusammenhangs zwischen einer relativen Beladung des Katalysators und einer Umsatzrate des Katalysators bestimmt. Zur Ansteuerung der
Dosiereinrichtung wird eine physikalische Speicherbilanzrechnung verwendet. Auf diese Weise werden insbesondere eine physikalische Modellierung und eine phänomenologische
Modellierung des Katalysatorverhaltens geschickt verknüpft, wobei die Vorteile der
phänomenologischen Betrachtung einerseits und der physikalischen Betrachtung andererseits miteinander kombiniert werden, wobei sich die jeweiligen Nachteile quasi gegenseitig aufheben. Insbesondere ermöglicht das phänomenologische Modell eine einfache und schnelle Bestimmung der Sollbeladungsgröße, während die physikalische Speicherbilanzrechnung eine auch für das reale System realistische und genaue Ansteuerung der Dosiereinrichtung ermöglicht. Dabei weist eine physikalische Speicherbilanzrechnung im Vergleich zu einem physikalischen Vollmodell eine sehr viel geringere Komplexität auf und kann daher ebenfalls schnell und mit geringem Speicheraufwand berechnet werden. Das Verfahren zeichnet sich somit insbesondere durch eine hohe Dynamik aus, und es eignet sich sehr gut auch für transiente Betriebszustände des Abgasnachbehandlungssystems.
Als Sollbeladungs große wird bevorzugt eine relative Beladung des Katalysators mit dem Reduktionsmittel, insbesondere eine relative Beladung einer Katalysatoroberfläche des
Katalysators, verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Sollbeladungsgröße eine Soll-Umsatzrate des Katalysators und/oder eine Soll-Stickoxidkonzentration - worunter insbesondere ein Soll-Stickoxidpartialdruck zu verstehen ist - im nachbehandelten Abgasstrom stromabwärts des Katalysators verstanden wird. Auch die Soll-Umsatzrate und die Soll- Stickoxidkonzentration sind mit der relativen Reduktionsmittelbeladung des Katalysators verknüpft und können daher als Sollbeladungsgrößen verwendet werden.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt die relative Beladung des Katalysators gezielt beeinflusst, insbesondere gesteuert, vorzugsweise geregelt.
Die Sollbeladungsgröße wird bevorzugt betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einem momentanen Betriebspunkt einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine, anhand des phänomenologischen Modells bestimmt. Dies ist vorteilhaft, weil die Bedingungen für die Reduzierung von Stickoxiden an dem Katalysator stark vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängen, insbesondere von einem momentanen Abgasmassenstrom, einer momentanen Abgastemperatur, einer momentanen Stickoxid-Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators im Abgasstrom, und/oder weiteren Parametern.
Bei dem phänomenologischen Modell handelt es sich bevorzugt um ein heuristisches und/oder um ein stationäres Modell des Zusammenhangs zwischen der relativen Beladung des
Katalysators mit Reduktionsmittel und der Umsatzrate des Katalysators. Ein solches Modell ist sowohl einfach aufstellbar, als auch schnell, einfach und ohne hohen Speicheraufwand berechenbar.
Zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung wird vorzugsweise zusätzlich zu der physikalischen Speicherbilanzrechnung auch das phänomenologische Modell verwendet. Auf diese Weise kann die Dosiereinrichtung mit besonders hoher Genauigkeit und Dynamik angesteuert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als phänomenologisches Modell eine polynomiale Funktion, insbesondere ein Polynom, der Umsatzrate in Abhängigkeit von der relativen Beladung des Katalysators verwendet wird. Dies stellt eine einfache und insbesondere einfach berechenbare Form des phänomenologischen Modells dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die polynomiale Funktion ein Polynom dritter Ordnung. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Komplexitätsniveau zu einer hinreichend genauen Beschreibung des Katalysatorverhaltens ausreicht, wobei zugleich der Rechen- und Speicheraufwand gering ist.
Alternativ oder zusätzlich wird als Variable der polynomialen Funktion die logarithmierte relative Beladung des Katalysators verwendet. Betrachtet man die Umsatzrate am Katalysator aufgetragenen gegen den Fogarithmus der relativen Beladung, zeigt sich ein funktionaler Zusammenhang, der mit guter Näherung als Polynom dritter Ordnung dargestellt
beziehungsweise durch ein Polynom dritter Ordnung angepasst werden kann. Besonders bevorzugt wird der natürliche Fogarithmus der relativen Beladung als Variable verwendet.
Vorzugsweise wird als phänomenologisches Modell eine Funktion gemäß der folgenden
Gleichung verwendet:
V(t = Po + Pl n C + p2 (öin ( )2 + Ps (öin ( ) 3 , (1)
wobei h(ί) die zeitabhängige Umsatzrate des Katalysators ist, wobei die relative Beladung mit dem Symbol Q bezeichnet wird, wobei 0in(t) eine verkürzte Schreibweise für den natürlichen Fogarithmus der zeitabhängigen relativen Beladung Q ist, und wobei p0, pi, p2 und p3
Modellparameter des phänomenologischen Modells sind, die heuristisch angenommen, oder - was im Folgenden noch näher beschrieben wird - bestimmt werden. Unter dem Reduktionsmittel im engeren Sinne ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Ammoniak zu verstehen, wobei durch die Dosiereinrichtung ein
Reduktionsmittelvorläuferprodukt, insbesondere eine Hamstoff-Wasser-Lösung, in den
Abgas ström ein gebracht wird, wobei das Reduktionsmittelprodukt in dem Abgas ström zu dem Reduktionsmittel abgebaut wird oder zerfällt. Insbesondere zerfällt in den Abgasstrom
eingebrachter Harnstoff unter den dort vorliegenden Bedingungen zu Ammoniak und Wasser.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die physikalische
Speicherbilanzrechnung zumindest eine Größe eingeht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Dosierrate, mit welcher das Reduktionsmittel über die Dosiereinrichtung in den Abgasstrom eindosiert wird, der Umsatzrate des Katalysators, und einer Austragsrate, mit der in dem Katalysator gespeichertes Reduktionsmittel aus dem Katalysator freigesetzt wird. Durch die Berücksichtigung von wenigstens einer dieser Größen, insbesondere von allen genannten Größen, kann eine genaue, vorzugsweise vollständige Darstellung der Speicherbilanz auf physikalischer Grundlage erhalten werden. Insbesondere wird die für physikalische
Speicherbilanzrechnung bevorzugt die Speicherbilanz als Abhängigkeit der relativen Beladung von der wenigstens einen Größe, ausgewählt aus der zuvor genannten Gruppe, betrachtet.
Besonders bevorzugt wird die Speicherbilanz durch folgende Gleichung beschrieben:
0 (t) = K(t) (a(t) - h(ί) - 5(t)) , (2) wobei Q die Ableitung der relativen Beladung nach der Zeit, a(t) die Dosierrate in Abhängigkeit von der Zeit, h(ί) die Umsatzrate in Abhängigkeit von der Zeit, und 5(t) die Austragsrate in Abhängigkeit von der Zeit ist. K(t) ist ein zeitabhängiger Umrechenfaktor, in den insbesondere der zeitabhängige Abgasmassenstrom, die Stickoxidkonzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators in Abhängigkeit von der Zeit, das Katalysatorvolumen, die molare Masse des Abgases und die maximal mögliche Belegung des Katalysators mit Reduktionsmittel in
Einheiten von Stoffmenge pro Volumeneinheit eingehen.
Die Dosierrate ist dabei als auf die Stickoxidmenge im Abgas bezogene Rate, insbesondere als auf den Stickoxidmassenstrom im Abgas bezogener Reduktionsmittelmassenstrom definiert:
Figure imgf000007_0001
wobei hier MA die Molmasse des Abgases, MR die Molmasse des Reduktionsmittels, insbesondere Ammoniak, [NOx]v die Stickoxidkonzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators, mR der eindosierte Massenstrom des Reduktionsmittels, und mA der Massenstrom des Abgases (kurz: Abgasmassenstrom) ist. Dabei ist der Massenstrom des Reduktionsmittels durch eine Steuereinrichtung vorgegeben beziehungsweise eingestellt und daher bekannt, der Abgasmassenstrom kann gemessen oder anhand von Betriebsparametern des Abgassystems und/oder einer das Abgas System aufweisenden Brennkraftmaschine berechnet werden, und die Stickoxidkonzentration stromaufwärts des Katalysators kann ebenfalls gemessen werden.
Auch die Umsatzrate kann durch Messung gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
Figure imgf000008_0001
wobei hier [NOx]n die Stickoxidkonzentration im Abgas stromabwärts des Katalysators ist. Die Stickoxidkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators können durch geeignete Sensoren, insbesondere Stickoxidsensoren, gemessen werden.
Die Austragsrate 5(t) wird bevorzugt für zwei verschiedene Beladungsbereiche des Katalysators getrennt definiert, vorzugsweise nach folgender Gleichung für qih < öin.opt
für qih > 0in Opt
Figure imgf000008_0002
wobei hier mit Oh.opt eine (logarithmierte) Speicherbeladung bezeichnet wird, bei der die Umsatzrate h maximal ist, und die im Folgenden auch kurz als optimale Speicherbeladung bezeichnet wird, wobei die Umsatzrate h insbesondere bei höherer Speicherbeladung abnimmt. |max ist die entsprechende, maximale Umsatzrate, die der optimalen Speicherbeladung 0|ll opt zugeordnet ist. h(ί) ist die momentane Umsatzrate des Katalysators, und dR ist ein Parameter, der betriebspunktabhängig und abhängig von dem Material des Katalysators gewählt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine momentane relative Beladung - vorzugsweise als Ist-Beladungsgröße - anhand des phänomenologischen Modells mittels eines Schätzverfahrens bestimmt wird. Dies erlaubt eine schnelle und wenig aufwändige Bestimmung der momentanen relativen Beladung im Betrieb des Katalysators. Als
Schätzverfahren wird vorzugsweise ein Kalman-Filter, besonders bevorzugt ein erweiterter Kalman-Filter (Extended Kalman Filter - EKF) verwendet. Besonders bevorzugt wird die momentane relative Beladung anhand des phänomenologischen Modells und der physikalischen Speicherbilanz bestimmt.
Insbesondere wird dem Schätzverfahren bevorzugt ein Gleichungssystem zugrunde gelegt, welches als Ausgangsgleichung das phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) und als Zustandsgleichung folgende Gleichung umfasst:
Figure imgf000009_0001
wobei Gleichung (6) erhalten wird, indem die Logarithmusfunktion der relativen
Speicherbeladung gemäß der Kettenregel abgeleitet wird - wobei exp(-0in(t)) schlicht dem Kehrwert der relativen Beladung entspricht - wobei für die zeitliche Ableitung der relativen Beladung die physikalische Speicherbilanz gemäß Gleichung (2) eingesetzt wird, wobei dann schließlich in diese physikalische Speicherbilanz für die Umsatzrate h(ί) das phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) eingesetzt wird.
Das Schätzverfahren kann dann insbesondere anhand der bekannten Dosierrate a(t) und der gemessenen Umsatzrate h(ί) durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden verschiedene Schätzverfahren, insbesondere Kalman-Filter, angewendet, abhängig davon, ob die momentane relative Beladung kleiner oder größer ist als die optimale Speicherbeladung 0in,Opt, bei der die maximale Umsatzrate pmax des Systems erreicht wird. Dies berücksichtigt in vorteilhafter Weise, dass die Umsatzrate als Funktion der relativen Beladung definitionsgemäß im Bereich der optimalen Speicherbeladung maximal ist, sodass die entsprechende Umsatzratenkurve lediglich bereichsweise bijektiv ist, nämlich einerseits in dem Bereich kleinerer relativer Beladungen als der optimalen Speicherbeladung, und andererseits in dem Bereich größerer relativer Beladungen als es der optimalen Speicherbeladung entspricht.
Um diese Mehrdeutigkeit auszugleichen, wird daher in den verschiedenen Bereichen mit verschiedenen Schätzverfahren gearbeitet, oder es werden zumindest verschiedene Startwerte für die relative Beladung verwendet, die jeweils - je nach Bereich - kleiner oder größer sind als die optimale Speicherbeladung Oi^opt· Es können auch versuchsweise beide Verfahren zur
Anwendung kommen, wobei dann geprüft werden kann, welcher aus dem Schätzverfahren resultierende Wert für die Sollbeladungsgröße, in diesem Fall vorzugsweise für die Umsatzrate, besser mit einem aktuellen Messwert übereinstimmt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosiereinrichtung als Stellglied einer Regelung angesteuert wird, wobei durch diese Regelung die Umsatzrate des Katalysators oder eine Schadstoffkonzentration, insbesondere eine Stickoxidkonzentration, im Abgas stromabwärts des Katalysators als Regelgröße eingeregelt wird. Die Sollbeladungs große wird dabei vorzugsweise als Führungsgröße verwendet. Besonders bevorzugt wird als
Sollbeladungsgröße die Soll-Umsatzrate des Katalysators verwendet. Alternativ ist es möglich, dass als Führungsgröße und Sollbeladungsgröße eine Soll-Stickoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators verwendet wird. Es ist aber auch möglich, dass die relative Beladung selbst als Sollbeladungsgröße, Regelgröße und Führungsgröße verwendet wird.
Die Soll-Umsatzrate als Sollbeladungs große und damit Führungsgröße wird vorzugsweise aus einem betriebspunktabhängigen Emissionsziel wert für die Soll-Stickoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators, insbesondere abhängig von einer momentanen Stickoxid- Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators und vorzugsweise einer momentanen Feistung einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine und/oder einem momentanen Abgasmassenstrom berechnet. Die relative Sollbeladung als Führungsgröße kann dabei durch Rückrechnung - insbesondere mittels der cardanischen Formeln - aus der so bestimmten Soll-Umsatzrate ermittelt werden.
Die Soll-Stickoxidkonzentration kann entweder direkt aus dem Emissionszielwert oder durch nochmalige Rückrechnung aus der relativen Sollbeladung anhand des phänomenologischen Modells über die Soll-Umsatzrate bestimmt werden.
Die Regelung erfolgt bevorzugt durch einen Regler auf der Grundlage der physikalischen Speicherbilanz, vorzugsweise auf der Grundlage der physikalischen Speicherbilanz und des phänomenologischen Modells. Bei dem Regler kann es sich in bevorzugter Weise um einen PI- Regler (Proportional-Integral-Regler) handeln. Alternativ oder zusätzlich wird die Dosiereinrichtung bevorzugt durch eine Vorsteuerung angesteuert, wobei in die Vorsteuerung eine relative Sollbeladung des Katalysators und eine momentane relative Beladung des Katalysators eingehen. Die relative Sollbeladung wird dabei bevorzugt aus dem phänomenologischen Modell bestimmt, insbesondere auf die gleiche Weise, wie dies zuvor in Zusammenhang mit der Regelung beschrieben wurde. Die momentane relative Beladung des Katalysators wird bevorzugt aus dem zuvor beschriebenen Schätzverfahren erhalten. Die mittels der Vorsteuerung einzustellende Dosierrate wird bevorzugt auf der
Grundlage der physikalischen Speicherbilanz ermittelt. In besonders bevorzugter Weise wird zur Vereinfachung des Verfahrens hierfür eine reduzierte Speicherbilanz verwendet, wobei angenommen wird, dass die Austragsrate und vorzugsweise ebenfalls die Umsatzrate konstant sind.
Vorzugsweise wird die Dosiereinrichtung sowohl als Stellglied der zuvor beschriebenen Regelung als auch durch die zuvor beschriebene Vorsteuerung angesteuert. Dabei werden eine Ausgangsgröße des Reglers und eine Ausgangsgröße der Vorsteuerung bevorzugt miteinander verknüpft, insbesondere miteinander verrechnet, vorzugsweise addiert, wobei die
Dosiereinrichtung anhand des Ergebnisses dieser Operation angesteuert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Schätzverfahrens wenigstens ein Modellparameter des phänomenologischen Modells bestimmt wird. Das
Schätzverfahren erlaubt es dabei auf einfache und ökonomische Weise, die Modellparameter, insbesondere po, pi, p2 und p3, zu schätzen. Insbesondere ist es möglich, dass alle
Modellparameter geschätzt werden. Es ist aber auch möglich, dass nur ein Teil der
Modellparameter geschätzt wird, während ein anderer Teil der Modellparameter auf andere Weise erhalten wird oder konstant festgelegt ist.
Alternativ ist es auch möglich, dass alle Modellparameter konstant festgelegt sind.
Die Modellparameter sind insbesondere abhängig von einem aktuellen Betriebspunkt und/oder einem Alterungszustand des Abgasnachbehandlungssystems.
Werden die Modellparameter aus dem Schätzverfahren erhalten, wird dies bevorzugt anhand einer kombinierten Zustands- und Parameterschätzung durch geführt. Dabei muss die
Zustandsschätzung, das heißt die Schätzung der momentanen relativen Beladung, auf einer anderen Zeitskala erfolgen als die Parameter Schätzung. Insbesondere erfolgt die
Zustandsschätzung mit der Dynamik der Beladungsbilanz, wobei die Modellparameter mit der Dynamik des thermischen Verhaltens des Abgasnachbehandlungssystems geschätzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die momentane relative Beladung mittels eines Kalman-Filters geschätzt.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt der wenigstens eine Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Dies ist in zugleich einfacher und genauer Weise möglich, da das phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) in den Modellparametern po, Pi, p2, p3, linear ist. Es kann also insbesondere ein lineare Methode der kleinsten Quadrate zur Anwendung kommen. Vorzugsweise werden im Rahmen des Verfahrens initial, insbesondere für eine erste Zustandsschätzung, Werte für die Modellparameter genommen, die aus einer
Simulation des Abgasnachbehandlungssystems oder aus Prüfstandsversuchen stammen. Diese sind vorzugsweise fest hinterlegt. Die aus der Zustands Schätzung resultierende momentane relative Beladung wird im Folgenden in Zusammenhang mit der gemessenen momentanen Umsatzrate betrachtet, insbesondere werden zusammengehörige Punkte der momentanen gemessenen Umsatzrate und der geschätzten momentanen relativen Beladung einander zugeordnet, sodass Wertepaare aus der momentanen Umsatzrate und der momentanen relativen Beladung zur Verfügung stehen. An diese Wertepaare wird nun wiederum das
phänomenologische Modell gemäß Gleichung (1) mit der Methode der kleinsten Quadrate angepasst. Damit dies mit gutem Ergebnis funktioniert, sollte das Abgasnachbehandlungssystem eine geeignete Anregung aufweisen, das heißt es sollten hinreichend verteilte Punkte in beiden Größen, also sowohl für die Umsatzrate als auch für die momentane relative Beladung zur Verfügung stehen. Zugleich verbessert sich das Verfahren, wenn die jeweiligen Wertepaare jeweils in stationären Betriebszuständen des Abgasnachbehandlungssystems gemessen sind.
Um die Zuverlässigkeit der Methode der kleinsten Quadrate weiter zu verbessern, werden bevorzugt mindestens zwei Punkte, das heißt mindestens zwei Wertepaare, fest vorgegeben, die in die Anpassung des phänomenologischen Modells einbezogen werden. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein erstes Wertepaar bei minimaler Umsatzrate und minimaler relativer Beladung, wobei insbesondere beide Werte ad hoc zu Null gewählt werden können. Als ein zweites festes Wertepaar wird bevorzugt ein Wertepaar an der Schlupfgrenze gewählt, also dort, wo erstmals Reduktionsmittel aus dem Katalysator freigesetzt wird. Dieses Wertepaar kann insbesondere in Prüfstandsversuchen bestimmt werden, wobei insbesondere die Schlupf-Umsatzrate und die Schlupf-Beladung dort festgelegt werden, wo mittels einer geeigneten Sensorik erstmals eine vorbestimmte Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich zu diesem zweiten Wertepaar kann auch ein Wertepaar mit einbezogen werden, welches oberhalb der Schlupfgrenze liegt, wobei dieses Wertepaar beispielsweise willkürlich aus einer Simulation des Abgasnachbehandlungssystems festgelegt werden kann.
Die mindestens zwei festgelegten Wertepaare bilden insbesondere Begrenzungen für die Methode der kleinsten Quadrate. Auf der Grundlage der Zustandsschätzung und/oder mittels der anhand der Methode der kleinsten Quadrate bestimmten Modellparameter wird dann
vorzugsweise dasjenige Wertepaar aus der Umsatzrate und der relativen Beladung bestimmt, bei welchem die Umsatzrate maximal ist. Da es sich hierbei um das Extremum des
phänomenologischen Modells gemäß Gleichung (1) handelt, gilt hierfür die zusätzliche
Bedingung, dass die Ableitung des phänomenologischen Modells gleich Null ist. Das so betimmte Wertepaar aus maximaler Umsatzrate und zugehöriger relativer Beladung - nämlich der optimalen Speicherbeladung, siehe oben - kann dann im Rahmen der Regelung des
Abgasnachbehandlungs Systems verwendet werden, insbesondere um zu entscheiden, ob die momentane relative Beladung größer oder kleiner ist als die der maximalen Umsatzrate zugeordnete optimale Speicherbeladung.
Die festgelegten Wertepaare sind ebenfalls betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einem momentanen Abgasmassenstrom und einer momentanen Temperatur des Katalysators. Sie werden vorzugsweise betriebspunktabhängig hinterlegt und während der Lebensdauer des Abgasnachbehandlungs Systems nicht verändert.
Lediglich bezüglich der Schlupfgrenze, das heißt dem Wert der relativen Beladung, ab welchem ein Austrag von Reduktionsmittel aus dem Katalysator erfolgt, kann alternativ zu einer
Lestlegung auch eine Anpassung im Betrieb gemäß einer vorbestimmten Regel erfolgen, wobei sich die Schlupf-Beladung beispielsweise durch einen festen Laktor größer 1 multipliziert mit der optimalen Speicherbeladung ergibt, die der maximalen Umsatzrate zugeordnet ist, wobei der Laktor beispielsweise 110 % betragen kann. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Modellparameter betriebspunktabhängig bestimmt und gespeichert wird. Wie bereits ausgeführt, wird der wenigstens eine Modellparameter bevorzugt in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators, einem Abgasmassenstrom, und/oder einer Stickoxid-Rohkonzentration im Abgas stromaufwärts des Katalysators bestimmt und in Abhängigkeit von wenigstens einer dieser Größen, insbesondere von allen diesen Größen, gespeichert, vorzugsweise in einem Kennfeld hinterlegt. Zur Verwendung des phänomenologischen Modells gemäß Gleichung (1) werden dann die entsprechenden Modellparameter betriebspunktabhängig ausgelesen.
Bei der Zustands Schätzung beziehungsweise bei der kombinierten Zustands- und
Parameterschätzung können physikalisch sinnvolle Begrenzungen des Zustands oder der Parameter mitberücksichtigt werden. Die relative Beladung des Katalysators kann beispielsweise so definiert werden, dass sie Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Wenn diese Begrenzung im Schätzverfahren berücksichtigt wird, kann eine bessere Qualität der Schätzung des Zustands erreicht werden, und/oder es kann verhindert werden, dass unplausible Werte als Ergebnis der Schätzung angegeben werden. Sinnvolle Begrenzungen der Modellparameter, beispielsweise auf bestimmte Vorzeichenbereiche, können berücksichtigt werden. Damit werden die Freiheits grade des Schätzverfahrens auf physikalisch sinnvolle Wertebereiche eingeschränkt. Es wird verhindert, dass eine schlechte oder ungenaue Schätzung resultiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Sollbeladung betriebspunktabhängig, das heißt insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt einer
Brennkraftmaschine, mit der das Abgasnachbehandlungssystem betrieben wird, insbesondere abhängig von einer Drehzahl und einem Drehmoment der Brennkraftmaschine, anhand des phänomenologischen Modells aus einer Soll-Umsatzrate bestimmt wird. Es wird also in vorteilhafter Weise zunächst betriebspunktabhängig - insbesondere auf der Grundlage eines Emissionsziel werts - die Soll-Umsatzrate bestimmt, wobei aus der Soll-Umsatzrate anhand des phänomenologischen Modells, insbesondere mittels der sogenannten cardanischen Formeln, welche die algebraische Auflösung des Modells erlauben, auf die relative Sollbeladung zurückgerechnet wird.
Vorzugsweise wird der Emissionsziel wert für die emittierte Stickoxidmenge, insbesondere in Einheiten von Masse pro Energie, beispielsweise Gramm pro Kilowattstunde, anhand des momentanen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei der Emissionszielwert auf der Grundlage der momentanen Leistung der Brennkraftmaschine, des momentanen Abgasmassenstroms, und der momentanen Stickoxid-Rohkonzentration
stromaufwärts des Katalysators in die Soll-Umsatzrate umgerechnet wird.
Vorzugsweise wird mittels des phänomenologischen Modells eine stationäre relative Beladung berechnet, wobei aus der stationären relativen Beladung die relative Sollbeladung als begrenzte relative Sollbeladung durch Begrenzung anhand eines dynamischen Temperaturmodells erhalten wird. Diese Begrenzung der relativen Sollbeladung dient insbesondere der Vermeidung von Reduktionsmittelschlupf. Insofern hat sich gezeigt, dass das Speicherverhalten des Katalysators stark temperaturabhängig ist. Mittels des dynamischen Temperaturmodells wird bevorzugt eine zeitliche Vorausrechnung für die erwartete Temperatur des Katalysators oder in der Umgebung des Katalysators durchgeführt. Es wird dann eine momentane Schlupfgrenze für den
momentanen Betriebszustand insbesondere anhand der momentanen Temperatur in der
Umgebung des Katalysators bestimmt, sowie eine erwartete Schlupfgrenze für die zeitlich vorausberechnete Temperatur, die gemäß der prädizierten Temperaturentwicklung zu einem festgelegten Zeitpunkt in der Zukunft zu erwarten ist. Es wird dann - um
Reduktionsmittelemissionen sicher zu vermeiden - aus der momentanen Schlupfgrenze und der erwarteten Schlupfgrenze das Minimum als minimale Schlupfgrenze ausgewählt und zur Begrenzung der relativen Sollbeladung verwendet. Dies bedeutet insbesondere, dass die relative Sollbeladung solange gleich der stationären relativen Beladung ist, solange die stationäre relative Beladung kleiner ist als die minimale Schlupfgrenze, wobei die relative Sollbeladung auf die minimale Schlupfgrenze begrenzt wird, wenn die stationäre relative Beladung größer wird als die minimale Schlupfgrenze.
Vorzugsweise wird anhand des phänomenologischen Modells aus der - insbesondere begrenzten - relativen Sollbeladung eine begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder eine begrenzte Soll- Schadstoffkonzentration im Abgas berechnet. Dies kann wiederum auf der Grundlage von Gleichung (1) erfolgen. Die begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder die begrenzte Soll- Schadstoffkonzentration wird/werden als Führungsgröße(n) für den Regler verwendet, durch den die Dosiereinrichtung als Stellglied angesteuert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand eines Vergleichs einer Modellrechnung der relativen Beladung und/oder der Speicherbilanz mit einer Schätzung der relativen Beladung und/oder der Speicherbilanz ein Dosierfehler für die Dosiereinrichtung ermittelt wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Speicherbilanz - unter Einbeziehung des phänomenologischen Modells für die Umsatzrate - zum einen algebraisch berechnet und zum anderen mittels des Schätzverfahrens aus den (fehlerbehafteten) Messwerten des realen Systems bestimmt werden kann. Setzt man den algebraisch erhaltenen Idealwert mit dem aus dem Schätzverfahren erhaltenen Realwert in Beziehung, kann auf eine Abweichung
zurückgeschlossen werden, die für einen Fehler steht, der der Dosiereinrichtung und/oder der verwendeten Messsensorik, insbesondere den Stickoxid-Sensoren, zugeordnet werden kann.
Geht man davon aus, dass die Stickoxid-Sensoren fehlerfrei oder höchstens mit einem bekannten Fehler funktionieren, kann hieraus wiederum auf den Dosierfehler der Dosiereinrichtung, insbesondere einem Injektorfehler rückgeschlossen werden.
Vorteilhaft an dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist insbesondere die grundsätzliche
Berücksichtigung des physikalischen Systemverhaltens in Form der Speicherbilanz (Gleichung (2)) und die Berücksichtigung der Verknüpfung von relativer Beladung und zugehöriger Umsatzrate des Katalysators (Gleichung (1)). Durch die Kenntnis des Speicherzustands und des Modellzusammenhangs zwischen relativer Beladung und Umsatzrate kann im Rahmen einer Regelung des Abgasnachbehandlungssystems eine gezielte Beeinflussung der relativen Beladung des Katalysators durchgeführt werden. Damit ist es möglich, besonders schnell einen
gewünschten Ziel wert der Emissionen stromabwärts des Katalysators zu erreichen, ohne unerwünschte sekundäre Emissionen, insbesondere Reduktionsmittelemissionen, zu erzeugen.
Man erhält im Ergebnis eine physikalisch korrekte Beschreibung des Systems über die
Speicherbilanz und das phänomenologische Modell. Die Schätzung des aktuellen
Beladungszustands des Katalysators ist im Gegensatz zu einer ungenauen parallel laufenden Modellrechnung über das Schätzverfahren korrigiert. Über die Ermittlung der Modellparameter kann sich das phänomenologische Modell an das aktuelle Systemverhalten anpassen, ohne dass komplexe Zusammenhänge, wie beispielsweise Alterungsvorgänge, detailliert abgebildet werden müssten. Es ist eine besonders schnelle Emissionsregelung möglich, die transiente Vorgänge des Systems besonders gut ausgleichen kann und zugleich sekundäre Emissionen minimiert.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum sowie ein Abgasnachbehandlungs System zur Nachbehandlung von Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum aufweist. Die Brennkraftmaschine weist eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einem Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine
verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Das Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine weist insbesondere eine
Dosiereinrichtung zur Zumessung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators des Abgasnachbehandlungs Systems auf, sowie den Katalysator, der vorzugsweise als Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden, insbesondere zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, insbesondere als SCR-Katalysator, ausgebildet ist.
Es ist möglich, dass das Abgasnachbehandlungs System stromabwärts des Katalysators einen Sperrkatalysator aufweist, der eingerichtet ist, um aus dem Katalysator ausgetragenes
Reduktionsmittel zu oxidieren. Das beschriebene phänomenologische Modell beschreibt insbesondere das Gesamtverhalten der Kombination aus SCR-Katalysator und Sperrkatalysator.
Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungs System mindestens einen Temperatursensor auf, insbesondere einen ersten Temperatursensor stromaufwärts des Katalysators und einen zweiten Temperatursensor stromabwärts des Katalysators.
Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungs System zumindest einen Stickoxidsensor auf, vorzugsweise einen ersten Stickoxidsensor stromaufwärts des Katalysators und einen zweiten Stickoxidsensor stromabwärts des Katalysators. Der erste Stickoxidsensor ist vorzugsweise stromaufwärts der Dosiereinrichtung angeordnet. Dabei weisen typische Stickoxidsensoren eine Querempfindlichkeit z.B. für NH3-Emissionen auf. Dieses Verhalten kann bevorzugt ebenfalls mit dem gewählten phänomenologischen Modell abgebildet werden.
Die Steuereinrichtung ist mit der Dosiereinrichtung zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt außerdem mit dem mindestens einen Temperatursensor und/oder mit dem mindestens einen Stickoxidsensor wirkverbunden, um Messwerte dieser Sensoren zu erhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungs System;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems, und
Figur 3 eine diagrammatische Darstellung eines phänomenologischen Modells zur Regelung des Abgasnachbehandlungssystems.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die einen Motorblock 3 mit wenigstens einem Brennraum 5 sowie ein
Abgasnachbehandlungs System 7 aufweist, das eingerichtet ist zur Nachbehandlung von Abgas aus dem wenigstens einen Brennraum 5.
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Sie kann insbesondere eine Mehrzahl vorzugsweise identisch ausgebildeter Brennräume 5 aufweisen, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig
Brennräume. Auch eine andere, kleinere oder größere Anzahl von Brennräumen 5 ist möglich.
Das Abgasnachbehandlungssystem 7 weist einen Katalysator 9 auf, der eingerichtet ist zur Reduktion von Stickoxiden. Bevorzugt ist der Katalysator 9 eingerichtet zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ist er bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das
Abgasnachbehandlungs System 7 stromabwärts des Katalysators 9 - in Richtung eines von den Brennräumen 5 kommenden Abgasmassenstroms - einen Sperrkatalysator 11 auf, der eingerichtet ist zur Oxidation eines aus dem Katalysator 9 ausgetragenen oder durch den
Katalysator 9 hindurchtretenden Reduktionsmittels.
Stromaufwärts des Katalysators 9 ist eine Dosiereinrichtung 13 angeordnet, die eingerichtet ist zur Zumessung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom. Der Katalysator 9 ist eingerichtet, um das Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern, wobei das Reduktionsmittel insbesondere an einer Oberfläche des Katalysators 9 angelagert werden kann. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Steuereinrichtung 15 auf, die mit der Dosiereinrichtung 13 wirkverbunden ist, um diese anzusteuern. Insbesondere kann die
Steuereinrichtung 15 auf diese Weise vorgeben, welche Menge an Reduktionsmittel - insbesondere Reduktionsmittelmasse pro Zeiteinheit - in den Abgasstrom eindosiert wird.
Die Steuereinrichtung 15 ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines im Folgenden näher beschriebenen Verfahrens zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems 7, wobei die Dosiereinrichtung 13 insbesondere in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des
Katalysators 9 angesteuert wird, wobei die Sollbeladungsgröße - insbesondere
betriebspunktabhängig - anhand eines phänomenologischen Modells eines Zusammenhangs zwischen einer relativen Beladung des Katalysators 9 und einer Umsatzrate des Katalysators 9 bestimmt wird, und wobei zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung 13 eine physikalische
Speicherbilanzrechnung verwendet wird.
Die Steuereinrichtung 15 ist vorzugsweise zur Ermittlung eines Betriebspunkts des Motorblocks 3 mit diesem wirkverbunden, insbesondere um eine momentane Drehzahl und eine momentane Last des Motorblocks 3 zu ermitteln.
Weiterhin weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 einen ersten Stickoxidsensor 17 stromaufwärts des Katalysators 9, insbesondere stromaufwärts der
Dosiereinrichtung 13, und einen zweiten Stickoxidsensor 19 stromabwärts des Katalysators 9, insbesondere stromabwärts des Sperrkatalysators 11, auf. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 einen ersten Temperatursensor 21 stromaufwärts des Katalysators 9, insbesondere stromaufwärts der Dosiereinrichtung 13, und einen zweiten Temperatursensor 23 stromabwärts des Katalysators 9, insbesondere stromabwärts des Sperrkatalysators 11 auf. Die Stickoxidsensoren 17, 19 und die Temperatursensoren 21, 23 sind jeweils mit der Steuereinrichtung 15 wirkverbunden, sodass dieser Messwerte der Sensoren zur Verfügung stehen.
Die Steuereinrichtung 15 ist bevorzugt außerdem eingerichtet, um - gegebenenfalls mittels eines hierfür geeigneten Sensors - einen momentanen Abgasmassenstrom in dem
Abgasnachbehandlungs System 7 zu erfassen oder - insbesondere auf der Grundlage des momentanen Betriebszustands des Motorblocks 3 - zu berechnen. Im Rahmen des Verfahrens wird als phänomenologisches Modell insbesondere eine polynomiale Funktion der Umsatzrate in Abhängigkeit von der relativen Beladung verwendet. Bevorzugt wird als polynomiale Funktion ein Polynom dritter Ordnung verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird als Variable der polynomialen Funktion die logarithmierte relative Beladung verwendet. Insbesondere wird als phänomenologisches Modell die obige Gleichung (1) verwendet.
In die physikalische Speicherbilanz geht bevorzugt zumindest eine Größe ein, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Dosierrate, der Umsatzrate des Katalysators, und einer Austragsrate von Reduktionsmittel aus dem Katalysator 9. Bevorzugt wird die Speicherbilanz angesetzt als Ableitung der relativen Beladung des Katalysators 9 in Abhängigkeit von der wenigstens einen Größe. Insbesondere wird als physikalische Speicherbilanz bevorzugt die obige Gleichung (2) verwendet.
Vorzugsweise wird die momentane relative Beladung des Katalysators 9 mit Reduktionsmittel - insbesondere als Ist-Beladungs große - anhand des phänomenologischen Modells - sowie vorzugsweise zusätzlich der Speicherbilanz - mittels eines Schätzverfahrens bestimmt. Hierzu kann insbesondere die in der Steuereinrichtung 15 bekannte Dosiermenge, insbesondere die momentane Dosierrate, und eine mittels der Stickoxidsensoren 17, 19 bestimmte Umsatzrate des Katalysators 9 herangezogen werden. Als Schätzverfahren wird bevorzugt ein Kalman-Filter, besonders bevorzugt ein erweiterter Kalman-Filter (Extended Kalman Filter - EKF) verwendet.
Vorzugsweise wird die Dosiereinrichtung 13 als Stellglied einer Regelung angesteuert, wobei durch die Regelung die Umsatzrate des Katalysators 9 oder eine Schadstoffkonzentration, bevorzugt eine Stickoxidkonzentration, im Abgas als Regelgröße eingeregelt wird. Die
Sollbeladungs große wird dabei insbesondere als Führungsgröße verwendet, wobei als
Sollbeladungsgröße insbesondere die relative Beladung, die Umsatzrate oder eine Soll- Schadstoffkonzentration, insbesondere Soll-Stickoxidkonzentration, im Abgas stromabwärts des Katalysators 9 verwendet wird.
Alternativ oder zusätzlich wird die Dosiereinrichtung durch eine Vorsteuerung angesteuert, wobei in die Vorsteuerung eine relative Sollbeladung des Katalysators und eine momentane relative Beladung des Katalysators 9 eingehen. Dabei wird die Sollbeladung bevorzugt aus dem phänomenologischen Modell bestimmt, wobei die momentane relative Beladung aus dem Schätzverfahren erhalten wird. Die Vorsteuerung erfolgt insbesondere anhand der physikalischen Speicherbilanz. Bevorzugt wird hierzu eine reduzierte Speicherbilanz verwendet, bei der lediglich die Dosierrate variabel ist, nicht aber die Umsatzrate und die Austragsrate, wobei diese vielmehr konstant gehalten werden.
Vorzugsweise wird mittels des Schätzverfahrens wenigstens ein Modellparameter des phänomenologischen Modells bestimmt. Insbesondere können alle Modellparameter aus dem Schätzverfahren erhalten werden. Vorzugsweise wird die momentane relative Beladung mittels eines Kalman-Filters geschätzt. Alternativ oder zusätzlich wird der wenigstens eine
Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt, insbesondere anhand einer Betrachtung oder Auftragung der geschätzten Werte für die relative Beladung einerseits und der gemessenen Werte für die Umsatzrate andererseits.
Der wenigstens eine Modellparameter wird bevorzugt betriebspunktabhängig, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, und/oder einer Stickoxid- Rohkonzentration stromaufwärts des Katalysators 9, bestimmt und gespeichert.
Vorzugsweise wird die relative Sollbeladung betriebspunktabhängig, insbesondere abhängig von einer momentanen Drehzahl und einem momentanen Lastpunkt des Motorblocks 3, anhand des phänomenologischen Modells aus einer Soll-Umsatzrate bestimmt.
Vorzugsweise wird mittels des phänomenologischen Modells eine stationäre relative Beladung berechnet, wobei aus der stationären relativen Beladung die relative Sollbeladung als begrenzte relative Sollbeladung durch Begrenzung anhand eines dynamischen Temperaturmodells erhalten wird, wobei vorzugsweise anhand des phänomenologischen Modells aus der begrenzten relativen Sollbeladung eine begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder eine begrenzte Soll- Schadstoffkonzentration im Abgas berechnet wird, insbesondere als Regelgröße(n).
Bevorzugt wird anhand eines Vergleichs einer Modellrechnung der relativen Beladung mit einer Schätzung der relativen Beladung des Katalysators 9 ein Dosierfehler für die Dosiereinrichtung 13 ermittelt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Regeln des Abgasnachbehandlungssystems 7. Dabei wird in einem Berechnungs schritt 25 anhand einer momentanen Drehzahl n und einem momentanen Drehmoment M der Brennkraftmaschine 1, insbesondere des Motorblocks 3, eine stationäre relative Beladung 0stat berechnet. Diese wird in einem Begrenzungs schritt 27 auf der Grundlage eines thermischen Modells 29 begrenzt. Dabei wird mittels des thermischen Modells 29 eine Voraussage für eine zukünftig erwartete
Schlupfgrenze des Katalysators 9 getroffen, wobei die erwartete Schlupfgrenze mit einer berechneten momentanen Schlupfgrenze verglichen wird, und wobei die stationäre relative Beladung auf den kleineren Wert, ausgewählt aus der momentanen Schlupfgrenze und der erwarteten Schlupfgrenze begrenzt wird. In den Begrenzungsschritt 27 gehen außerdem bevorzugt in einem Adaptions schritt 31 erhaltene adaptierte Modelle für das
Abgasnachbehandlungs System 7, insbesondere Kennlinien für das thermische Verhalten des Abgasnachbehandlungs Systems 7, insbesondere unter Berücksichtigung des
Abgasmassenstroms, ein. Aus dem Begrenzungsschritt 27 resultiert dann eine begrenzte relative Sollbeladung 0S. Diese wird in einem Rückrechnungs schritt 33 anhand des phänomenologischen Modells gemäß Gleichung (1) zurückgerechnet auf eine Soll-Stickoxidkonzentration im Abgas und/oder eine Soll-Umsatzrate des Katalysators 9, welche als Führungsgröße(n) zur Regelung der relativen Beladung des Katalysators 9 dienen, wobei wenigstens eine Größe, ausgewählt aus diesen Größen, in einem Vergleichs schritt 35 mit einer gemessenen Ist-Stickoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators 9 und/oder einer gemessenen beziehungsweise aus Messwerten der Stickoxid-Sensoren 17, 19 berechneten Ist-Umsatzrate verglichen wird/werden, wobei das Vergleichsergebnis in einen Regler 37 eingeht, der vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist und einerseits auf der physikalischen Speicherbilanz und andererseits auf dem
phänomenologischen Modell basiert.
Der Regler 37 steuert die Dosiereinrichtung 13 als Stellglied an.
Zugleich geht die begrenzte relative Sollbeladung 0S auch in eine Vorsteuerung 39 ein, die ebenfalls - insbesondere anhand einer reduzierten Speicherbilanz unter Konstanthalten der Umsatzrate und der Austragsrate - ein Signal zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung 13 erzeugt. Die Stellsignale des Reglers 37 und der Vorsteuerung 39 werden bevorzugt in einem
Verrechnung sglied 41 miteinander zu einem verrechneten Stellsignal verrechnet, insbesondere addiert, und einer Regelstrecke 43 zugeführt, wobei mittels dem verrechneten Stellsignal die Dosiereinrichtung 13 angesteuert wird, wobei die Regelstrecke 43 außerdem den Katalysator 9 und gegebenenfalls den Sperrkatalysator 11 umfasst. Aus der Regelstrecke 43 resultieren wiederum die Ist-Umsatzrate und/oder die Ist-Stickoxidkonzentration stromabwärts des
Katalysators 9.
Diese und die momentane Dosierrate gehen in das Schätzverfahren 45 ein, das vorzugsweise auf dem Kalman-Filter beruht, wobei insbesondere die physikalische Speicherbilanz und das phänomenologische Modell für das Schätzverfahren 45 verwendet werden. Aus dem
Schätzverfahren resultieren wiederum eine momentane relative Ist-Beladung 0i, die der
Vorsteuerung 39 zugeführt wird, wobei die Vorsteuerung 39 ihr Signal insbesondere anhand eines Vergleichs der begrenzten relativen Sollbeladung 0S und der momentanen relativen Ist- Beladung 0i erzeugt.
Weiter resultieren aus dem Schätzverfahren 45 die Modellparameter p0, ri, p2, P3 für das phänomenologische Modell, die insbesondere wiederum dem Adaptions schritt 31 zur Anpassung zugeführt werden.
Fig. 3 zeigt eine diagrammatische Darstellung einer Auftragung der Umsatzrate h gegen den Logarithmus der relativen Beladung 0|n des Katalysators 9, wobei die hier dargestellte
Modell kurve der Gleichung (1) genügt und damit ein Polynom dritter Ordnung ist.
Dabei sind verschiedene ausgezeichnete Punkte markiert. Insbesondere sind hier Punkte markiert, die als fixe Punkte bei der Bestimmung des wenigstens einen Modellparameters nach der Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden können, nämlich ein erster Punkt Pl bei einer minimalen Umsatzrate hihhi und einer minimalen logarithmierten relativen Beladung 0 l min. Weiter ist ein zweiter möglicher Fixpunkt P2 eingezeichnet, der eine Schlupfgrenze markiert, nämlich eine logarithmierte relative Beladung 0hl schiuPf sowie eine dieser zugeordnete Schlupf- Umsatzrate h schlupf bei der erstmals Reduktionsmittel aus dem Katalysator 9 ausgetragen wird. Dieses Wertepaar kann insbesondere betriebspunktabhängig aus Prüfstandsversuchen mit geeigneter Reduktionsmittel-Messsensorik bestimmt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann als weiterer Fixpunkt ein dritter Punkt P3 jenseits der
Schlupfgrenze bestimmt werden, insbesondere willkürlich anhand einer Simulation des
Abgasnachbehandlungs Systems 7. Nach Anpassen des Modells gemäß Gleichung (1) an durch Messung erhaltene Wertepaare der Umsatzrate h einerseits und der logarithmierten relativen Beladung q|h andererseits - unter Berücksichtigung der festgelegten Punkte - kann schließlich das Wertepaar ermittelt werden, welches die maximale Umsatzrate pmax sowie die dieser zugeordnete logarithmierte relative Beladung qΐh, opt - auch als optimale Speicherbeladung bezeichnet - repräsentiert.
Diese optimale Speicherbeladung 0in,Opt kann im Rahmen der Regelung des
Abgasnachbehandlungs Systems 7 insbesondere herangezogen werden, um zu entscheiden, auf welchem Ast der Kurve gemäß dem Diagramm von Figur 3 das Abgasnachbehandlungssystem 7 momentan betrieben wird, da die entsprechende Kurve gemäß Gleichung (1) nicht auf ihrem gesamten Definitionsbereich, sondern jeweils nur einerseits links und andererseits rechts von der optimalen Speicherbeladung qi,,.,,rΐ bijektiv ist.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Regeln eines Abgasnachbehandlungssystems (7) zur Reduktion von
Stickoxiden in einem mit dem Abgasnachbehandlungs System (7) behandelten Abgasstrom, wobei
- eine Dosiereinrichtung (13) zur Zumessung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom stromaufwärts eines Katalysators (9) angesteuert wird, wobei
- die Dosiereinrichtung (13) in Abhängigkeit von einer Sollbeladungsgröße des
Katalysators (9) angesteuert wird, wobei
- die Sollbeladungsgröße anhand eines phänomenologischen Modells eines
Zusammenhang zwischen einer relativen Beladung des Katalysators (9) und einer Umsatzrate des Katalysators (9) bestimmt wird, und wobei
- zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung (13) eine physikalische Speicherbilanz verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als phänomenologisches Modell eine polynomiale Funktion der Umsatzrate in Abhängigkeit von der relativen Beladung des Katalysators (9) verwendet wird, wobei vorzugsweise
- die polynomiale Funktion ein Polynom dritter Ordnung ist, und/oder
- als Variable der polynomialen Funktion eine logarithmierte relative Beladung des
Katalysators (9) verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die physikalische Speicherbilanz zumindest eine Größe eingeht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Dosierrate der Dosiereinrichtung (13), einer Umsatzrate des Katalysators (9), und einer Austragsrate von Reduktionsmittel aus dem Katalysator (9).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine momentane relative Beladung anhand des phänomenologischen Modells mittels eines
Schätzverfahrens bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (13) a) als Stellglied einer Regelung angesteuert wird, wobei durch die Regelung die Umsatzrate des Katalysators (9) oder eine Schadstoffkonzentration im Abgas, oder die relative Beladung des Katalysators, als Regelgröße eingeregelt wird, und/oder
b) durch eine Vorsteuerung angesteuert wird, wobei in die Vorsteuerung eine relative
Sollbeladung des Katalysators (9) und eine momentane relative Beladung des
Katalysators (9) eingehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Schätzverfahrens wenigstens ein Modellparameter des phänomenologischen Modells bestimmt wird, wobei vorzugsweise
a) die momentane relative Beladung mittels eines Kalman-Filters geschätzt wird, und/oder b) der wenigstens eine Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate
bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Modellparameter betrieb spunktabhängig bestimmt und gespeichert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Sollbeladung betriebspunktabhängig anhand des phänomenologischen Modells aus einer Soll-Umsatzrate bestimmt wird, wobei vorzugsweise
- mittels des phänomenologischen Modells eine stationäre relative Beladung berechnet wird, wobei aus der stationären relativen Beladung die relative Sollbeladung als begrenzte relative Sollbeladung durch Begrenzung anhand eines dynamischen
Temperaturmodells erhalten wird, wobei vorzugsweise
- anhand des phänomenologischen Modells aus der begrenzten relativen Sollbeladung eine begrenzte Soll-Umsatzrate und/oder eine begrenzte Soll-Schadstoffkonzentration im Abgas berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Vergleichs einer Modellrechnung der relativen Beladung mit einer Schätzung der relativen Beladung ein Dosierfehler für die Dosiereinrichtung (13) ermittelt wird.
10. Brennkraftmaschine (1), mit einem Abgasnachbehandlungs System (7) und einer
Steuereinrichtung (15), wobei die Steuereinrichtung (15) eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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