DE102006021303B4

DE102006021303B4 - Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006021303B4
Application number: DE102006021303A
Authority: DE
Inventors: Yasser Yacoub; Matthew A. Schneider; Mario Balenovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: DE102006021303A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen des verschiedene Abgasbestandteile aufweisenden Abgases aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mittels eines dynamischen Wärmemodells (1) bestimmt wird und die während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierte Reaktionswärme ΔH, die aus der Konvertierung mindestens eines im Abgas befindlichen Abgasbestandteils resultiert, mittels eines kinetischen Modells (2) bestimmt wird und bei dem
• für das dynamische Wärmemodell (1) das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens zwei diskrete Zellen (n ≥ 2), die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, dargestellt wird, und
• für das kinetische Modell (2) das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens eine diskrete Zelle (N ≥ 1) dargestellt wird, wobei
• die mittels des kinetischen Modells (2) bestimmte Reaktionswärme ΔH als Eingangsgröße für das Wärmemodell (1) verwendet...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen des verschiedene Abgasbestandteile aufweisenden Abgases aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mittels eines dynamischen Wärmemodells bestimmt wird und die während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierte Reaktionswärme ΔH, die aus der Konvertierung mindestens eines im Abgas befindlichen Abgasbestandteils resultiert, mittels eines kinetischen Modells bestimmt wird, und bei dem das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem für das dynamische Wärmemodell durch diskrete Zellen, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, dargestellt wird, wobei die mittels des kinetischen Modells bestimmte Reaktionswärme ΔH als Eingangsgröße für das Wärmemodell verwendet wird.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung bei einem ausreichenden hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Eventueller Sauerstoffmangel kann durch eine Sekundärlufteinblasung kompensiert werden. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter im Abgastrakt vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen spürbar zu reduzieren.
Thermische Reaktoren versuchen, eine weitgehende Nachoxidation von HC und CO im Abgassystem zu erzielen, indem eine Wärmeisolation und ein ausreichend großes Volumen im Abgasrohr des Abgassystems vorgesehen werden. Die Wärmeisolation soll ein möglichst hohes Temperaturniveau durch Minimierung der Wärmeverluste sicherstellen, wohingegen ein großes Abgasrohrvolumen eine lange Verweildauer der Abgase gewährleistet. Sowohl die lange Verweildauer als auch das hohe Temperaturniveau unterstützen die angestrebte Nachoxidation. Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad bei unterstöchiometrischer Verbrennung und die hohen Kosten. Für Dieselmotoren sind thermische Reaktoren aufgrund des grundsätzlich niedrigeren Temperaturniveaus nicht zielführend.
Aus den genannten Gründen kommen nach dem Stand der Technik bei Ottomotoren katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.
Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren und direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt – d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel – nicht reduziert werden. Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) wird daher ein Oxidationskatalysator im Abgassystem vorgesehen. Für eine spürbare d. h. ausreichende Konvertierung ist eine Mindesttemperatur – die sogenannte Anspringtemperatur – erforderlich, die beispielsweise zwischen 120°C bis 250°C betragen kann.
Zur Reduzierung der Stickoxide werden selektive Katalysatoren – sogenannte SCR-Katalysatoren – eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in den Abgastrakt eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, nämlich durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die – auch nach Beendigung der Hauptverbrennung – hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in den Abgastrakt eingeleitet werden.
Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig für eine Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des nacheingespritzten Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des nacheingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinderinnenwand und mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm. Anschließend gelangt der Kraftstoff zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Ölverdünnung nimmt mit steigender Kraftstoffmenge und Verschieben der Nacheinspritzung nach spät zu. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluss auf den Verschleiß und die Haltbarkeit d. h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren (LNT – Lean NO_x Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst – während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine – im Katalysator absorbiert d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden. Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Realisierung eines fetten d. h. eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bietet die Abgasrückführung (AGR) und – bei Dieselmotoren – die Drosselung im Ansaugtrakt. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im wesentlichen in Stickstoffdioxid (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt. Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission an Stickoxiden und die Speicherkapazität des LNT bestimmt. Die Temperatur des Speicherkatalysators (LNT) sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Eine Schwierigkeit bei der Verwendung und insbesondere bei der Anordnung des LNT im Abgastrakt ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im LNT absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Desulfurisation (deSO_x) d. h. einer Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muss. Hierfür muss der LNT auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden, was wiederum durch den Übergang zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Die Entschwefelung des LNT kann zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende seiner Lebensdauer nachteilig beeinflussen.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes des Filters aufgrund der anwachsenden Partikelmasse im Filter einstellt, bestimmt.
Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen – etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung – werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Die Verbrennung der Partikel kann dabei durch im Abgastrakt vorgesehene Zusatzbrenner erfolgen oder aber durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so dass die Abgastemperatur der in den Abgastrakt ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird. Nachteilig an dieser Vorgehensweise sind insbesondere die im Abgastrakt auf dem Weg zum Filter zu befürchtenden Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung der heißen Abgase. Der Filter kann ohne Weiteres einen Meter und mehr vom Auslass des Brennraums entfernt im Abgastrakt angeordnet sein.
Der Kompensation der Wärmeverluste durch die Generierung entsprechend hoher Abgastemperaturen sind durch die Temperaturfestigkeit anderer im Abgasstrang vorgesehener Bauteile Grenzen gesetzt, insbesondere der Temperaturbeständigkeit einer im Abgassystem angeordneten Turbine eines Abgasturboladers, eines Dreiwegekatalysators oder eines Speicherkatalysators. Üblicherweise wird die Turbine mit den höchsten Temperaturen beaufschlagt, da sie am nächsten am Auslaß des Brennraums angeordnet ist.
Der nacheingespritzte Kraftstoff kann auch unverbrannt und gegebenenfalls schon aufbereitet in den Abgastrakt ausgeschoben werden und dann gezielt lokal dort im Abgassystem oxidiert werden, wo hohe Abgastemperaturen notwendig sind, nämlich im Partikelfilter bzw. in seiner unmittelbaren Nachbarschaft. Die Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffes kann katalytisch mittels eines vor dem Filter positionierten Katalysators initiiert werden, wodurch die oben beispielhaft angegebene Regenerationstemperatur von etwa 550°C abgesenkt werden kann. Es kann aber auch eine elektrische Zündung in bzw. an dem Rußfilter vorgesehen werden. Die Nacheinspritzung von Kraftstoff zum Zwecke der Filterregeneration hat die bereits oben beschriebenen Nachteile.
Ähnlich wie bereits für die Reduzierung der Stickoxide vorgeschlagen, kann auch Kraftstoff direkt in den Abgastrakt eingebracht werden. Die weitere Vorgehensweise entspricht der zuvor Beschriebenen, bei der der zusätzlich eingespritzte Kraftstoff unverbrannt in das Abgassystem gelangt und gezielt in der Nachbarschaft des Partikelfilters oxidiert wird.
Es muss berücksichtigt werden, dass der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff, sei es aufgrund eines Überganges zu einem fetten Motorbetrieb oder aber infolge der Anreicherung des Abgases mit Kraftstoff, prinzipbedingt den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine nachteilig beeinflusst. Insbesondere die Häufigkeit, mit der der Partikelfilter regeneriert oder der LNT gereinigt wird, hat maßgeblichen und direkten Einfluss auf die zu diesen Zwecken eingesetzte Kraftstoffmenge und damit auf den Gesamtverbrauch.
Da sowohl die Abgase von Ottomotoren als auch die Abgase von Dieselmotoren – wenn auch in unterschiedlichen Mengen und Qualitäten – unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) als auch Rußpartikel enthalten, kommen nach dem Stand der Technik in der Regel kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, die einen oder mehrere der oben beschriebenen Katalysatoren, Reaktoren und/oder Filter umfassen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass innermotorische Maßnahmen zur Realisierung eines fetteren Betriebs der Brennkraftmaschine – ob zur Erhöhung der Abgastemperatur mit dem Ziel einer Filterregeneration oder aber für eine Anfettung zur Regeneration des LNT – grundsätzlich zu erhöhten Methan-Emissionen (CH₄) führen, wobei bei Dieselmotoren nahezu das gesamte Methan die Abgasleitung und die vorgesehenen Abgasnachbehandlungssysteme durchläuft und in die Umgebung austritt, ohne oxidiert zu werden. Die im Abgastrakt bzw. Oxidationskatalysator im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine vorliegenden Temperaturen sind nicht hoch genug, um das im Abgas enthaltene Methan zu konvertieren bzw. zu oxidieren. Hierfür sind Temperaturen von etwa 500°C erforderlich.
Folglich nehmen die HC-Emissionen, welche die Methan-Emissionen mit einschließen, spürbar zu, wenn ein im Abgastrakt vorgesehener Speicherkatalysator gereinigt oder ein Partikelfilter regeneriert werden soll und aus diesem Anlass die Brennkraftmaschine mittels innermotorischer Maßnahmen in den fetten Betrieb überführt wird. Das Methan kann dabei bis zu 90% der unverbrannten Kohlenwasserstoffe ausmachen, die während des fetten Betriebes von der Brennkraftmaschine emittiert und in den Abgastrakt eingeleitet werden.
Andererseits erhöhen sich die NO_x- und Partikelemissionen, wenn mit Blick auf die HC-Emissionen weniger häufig in den fetten Betrieb der Brennkraftmaschine gewechselt wird und dadurch ein im Abgastrakt vorgesehener Speicherkatalysator und/oder Partikelfilter nicht mit der notwendigen Häufigkeit gereinigt bzw. regeneriert wird. Ist die Speicherkapazität des LNT erschöpft, gelangen die Stickoxide ungehindert in die Umgebung. Ein zu hoch beladener Partikelfilter führt zu einem unvorteilhaft hohen Abgasgegendruck, wodurch auch die Qualität der Verbrennung, insbesondere durch einen verschlechterten Ladungswechsel, leidet.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die beabsichtigte gleichzeitige Reduzierung der maßgeblichen Schadstoffe, nämlich HC und CO einerseits und NO_x und Partikel andererseits, in einen Konflikt mündet; wie zuvor dargestellt. Darüber hinaus ergeben sich weitere Konflikte bei der Anordnung der einzelnen Abgasnachbehandlungssysteme – des Oxidationskatalysators, des LNT und des Partikelfilters – im Abgastrakt. Das gleichzeitige Betreiben und Steuern der genannten Abgasnachbehandlungssysteme führt zu weiteren Schwierigkeiten, insbesondere bei der Abstimmung der Systeme aufeinander, da die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme verschiedene und teilweise entgegenstehende Randbedingungen erfordern. Insbesondere die Anforderungen an das bevorzugte Temperaturniveau und das Luftverhältnis λ divergieren stark.
Der oben thematisierte Zielkonflikt wird im folgenden anhand eines sogenannten Vier-Wege-Katalysators erörtert. Dabei handelt es sich um ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem, welches einen Speicherkatalysator (LNT), einen Partikelfilter und einen Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssysteme umfasst.
Die einzelnen Abgasnachbehandlungssysteme des Vier-Wege-Katalysators sind in Reihe geschaltet, wobei der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Speicherkatalysators bzw. des Partikelfilters angeordnet ist. Der Speicherkatalysator und der Partikelfilter können integral als bauliche Einheit ausgebildet werden. Dies bedeutet im Sinne der vorliegenden Anmeldung beispielsweise, dass sowohl für den Speicherkatalysator als auch für den Partikelfilter ein eigenes Trägersubstrat vorgesehen werden kann, wobei die beiden Trägersubstrate benachbart zueinander angeordnet werden und auf diese Weise eine bauliche Einheit bilden oder aber von Hause aus als zusammenhängendes Trägersubstrat ausgebildet werden. Alternativ kann als Partikelfilter ein Wabenfilter dienen, der gleichzeitig als Trägersubstrat zur Ausbildung eines Speicherkatalysators verwendet wird.
Dadurch, dass der Oxidationskatalysator stromaufwärts der beiden anderen Komponenten vorgesehen wird, ist der Oxidationskatalysator die Abgasnachbehandlungskomponente, die am nächsten am Auslass der Brennkraftmaschine angeordnet ist und zuerst von den heißen Abgasen durchströmt wird. Folglich sind die Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung der heißen Abgase vergleichsweise gering. Dementsprechend erreicht der Oxidationskatalysator seine sogenannte Anspringtemperatur auch nach einem Kaltstart innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne. Sowohl die für Dieselmotoren verwendeten Oxidationskatalysatoren als auch die bei Ottomotoren eingesetzten Drei-Wege-Katalysatoren benötigen eine bestimmte Betriebstemperatur, um die Schadstoffe in ausreichendem Maße zu konvertieren und die Schadstoffemissionen spürbar zu reduzieren. Die Drei-Wege-Katalysatoren sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu den Oxidationskatalysatoren gezählt werden.
Die im Oxidationskatalysator ablaufenden exothermen Reaktionen bewirken eine Erwärmung des hindurchströmenden Abgases und damit eine Erwärmung der nachgeschalteten d. h. stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgasnachbehandlungssysteme, was für die diesen Abgasnachbehandlungssystemen zugewiesenen Aufgaben vorteilhaft ist.
Die Temperatur des Speicherkatalysators (LNT) sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet. Auch die im Speicherkatalysator ablaufenden Reaktionen sind mit einer Wärmeabgabe verbunden und führen auf diese Weise zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und der stromabwärts liegenden Abgasnachbehandlungssysteme, aber auch zu einer Erwärmung des Speicherkatalysators selbst.
Der Partikelfilter erreicht seine Regenerationstemperatur von 550°C üblicherweise nicht während des normalen mageren Motorenbetriebs. Jedoch findet auch bei niedrigeren Temperaturen eine passive Regeneration des Filters statt, bei der im Abgas befindliche Stickoxide (NO_x) den Sauerstoff für die Oxidation d. h. die Verbrennung der im Filter gespeicherten Rußpartikel liefern, wobei im wesentlichen Stickstoffmonoxid (NO) und Kohlenmonoxid (CO) gebildet wird.
Ein Ziel bei der Entwicklung von kombinierten Abgasnachbehandlungssystemen ist es, die stromaufwärts des Partikelfilters gelegenen Abgasnachbehandlungssysteme in der Art zu betreiben bzw. zu steuern, dass der Partikelfilter ohne weiteres Zutun d. h. allein aufgrund des Betriebes des stromaufwärts vorgesehenen Oxidationskatalysators und des Speicherkatalysators seine Regenerationstemperatur erreicht. Ein derartiger Synergieeffekt würde den Betrieb des in Rede stehenden kombinierten Abgasnachbehandlungssystems sehr vereinfachen und zudem helfen, Kraftstoff einzusparen. Gezielte Filterregenerationen wären nicht mehr oder wesentlich seltener erforderlich als nach dem Stand der Technik üblich.
Gemäß einem Verfahren zum Betreiben eines derartigen kombinierten Abgasnachbehandlungssystems wird der Oxidationskatalysator auf eine vorgebare Mindesttemperatur erwärmt und das Abgas bei Erreichen dieser Mindesttemperatur mit Reduktionsmitteln angereichert.
Bei Anreicherung des Abgases mittels Einspritzung von Kraftstoff in die Abgasleitung kann eine Mindesttemperatur T ≈ 200°C–250°C ausreichend sein. Diese Temperatur des Oxidationskatalysators sorgt zusammen mit den im Oxidationskatalysator ablaufenden exothermen Reaktionen dafür, dass der stromabwärts gelegene Speicherkatalysator in seinem für die Reinigung bevorzugten Temperaturfenster von 200°C bis 450°C arbeitet.
Wird die Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel hingegen mittels innermotorischer Maßnahmen realisiert, wird es erforderlich, große Mengen an Methan zu oxidieren, weshalb die Vorgabe einer höheren Mindesttemperatur erforderlich wird, beispielsweise T ≈ 500°C–550°C. Die Erwärmung des Oxidationskatalysators auf derart hohe Temperaturen kann zu einer zeitlich verzögerten Regeneration des stromabwärts gelegenen Partikelfilters genutzt werden, wenn nach der Erwärmung des Oxidationskatalysators und der Anreicherung des Abgases die Brennkraftmaschine wieder in den mageren Betrieb überführt wird und im Abgas der für die Rußverbrennung erforderliche Sauerstoffüberschuss vorliegt.
Wird das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem wie oben beschrieben betrieben, pflanzt sich ausgehend vom Oxidationskatalysator eine Temperaturwelle in der Abgasleitung fort, so dass die stromabwärts gelegenen Abgasnachbehandlungssysteme, insbesondere der Partikelfilter, seine maximale Temperatur erst zeitverzögert erreicht. Untersuchungen haben gezeigt, dass 20 bis 200 Sekunden nach Beendigung des Reinigungsvorganges des LNT der Partikelfilter seine maximale Temperatur aufweist bzw. erreicht.
Wie aus den Ausführungen ersichtlich wird, ist es für das effektive Betreiben von Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere von kombinierten Abgasnachbehandlungssystemen, erforderlich, die Temperaturen bzw. die lokale und zeitliche Temperaturverteilung in den verwendeten Abgasnachbehandlungssystemen zu kennen, wobei die messtechnische Erfassung dieser Temperaturen schwierig und häufig gar nicht möglich ist. Daher werden nach dem Stand der Technik an verschiedenen Stellen in der mindestens einen Abgasleitung die Temperaturen mittels Sensoren erfasst und als Grundlage für die Abschätzung der Temperaturen in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem verwendet. Diese Vorgehensweise erweist sich aber gerade im Hinblick auf die Überwachung und Steuerung von kombinierten Abgasnachbehandlungssystemen als unzureichend.
Die zuvor gemachten Ausführungen zeigen darüber hinaus, dass es des weiteren erforderlich ist, die Konvertierung der Schadstoffe zu überwachen und beispielsweise Informationen über die Beladung eines Partikelfilters oder die Sättigung eines Speicherkatalysators bereitzustellen, da zum einen diese Betriebsparameter Einfluss auf den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems haben und zum anderen die Konvertierung der Schadstoffe d. h. die chemischen Reaktionen im Rahmen der Abgasnachbehandlung Wärme freisetzen und Einfluss auf die Temperaturen und die Temperaturverteilung haben.
Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems bekannt, bei denen die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem mittels eines dynamischen Wärmemodells bestimmt wird und die während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierte Reaktionswärme ΔH mittels eines kinetischen Modells bestimmt wird, mit welchem gegebenenfalls der Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems, beispielsweise die Konvertierungsrate in einem Oxidationskatalysator und/oder die Beladung bzw. Konvertierungsrate in einem Partikelfilter bzw. die Sättigung bzw. Konvertierungsrate in einem Speicherkatalysator, berechnet werden kann.
Ein Verfahren der zuvor genannten Art offenbart beispielsweise die DE 100 36 942 A1 , nämlich ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturverteilung in einem Stickoxid-Speicherkatalysator (LNT), mit welchem möglichst genaue Kenntnisse über den Zustand im Katalysator erlangt werden können, um den Betrieb der Brennkraftmaschine effektiver auf den Katalysatorzustand abzustimmen.
Gemäß der DE 100 36 942 A1 wird der Katalysator hierzu in n hintereinander angeordnete scheibenförmige Segmente d. h. Zellen unterteilt und die Temperatur jedes Segments bestimmt, wobei n > 1 gilt. Die aus der Konvertierung der Schadstoffe resultierende Temperaturerhöhung im Katalysator wird dabei mitberücksichtigt.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 034 115 A1 beschreibt einen Partikelfilter, der zur Nachbehandlung des Abgases einer Dieselkraftmaschine eingesetzt wird und einen Oxidationskatalysator als integrales Bauteil mit umfassen kann, wobei der Oxidationskatalysator zur Erhöhung der Temperatur des Abgases bzw. des Filters in der Art verwendet wird, dass im Abgas befindliche unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Rahmen einer exothermen Reaktion oxidiert werden.
Um eine Überhitzung des Partikelfilters zu verhindern, wird die Temperaturverteilung im Filter entlang der Strömungsrichtung des Abgases mittels Wärmemodell näherungsweise berechnet d. h. abgeschätzt, wozu der Filter hypothetisch in eine Vielzahl von Teilen d. h. Zellen aufgeteilt wird. Dabei wird auch die in dem Filter generierte Reaktionswärme ΔH, die aus der Konvertierung der im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe resultiert, berücksichtigt d. h. als Eingangsgröße für das Wärmemodell verwendet.
Herkömmliche Modelle unterteilen das Abgasnachbehandlungssystem in diskrete Zellen – wie das in der DE 100 36 942 A1 bzw. in der DE 10 2005 034 115 A1 beschriebene Modell – oder betrachten das Abgasnachbehandlungssystem als ein einziges lineares d. h. eindimensionales Element. Dabei ergibt sich aber ein Konflikt zwischen dem dynamischen Wärmemodell und dem kinetischen Modell. Um die Temperatur bzw. Temperaturverteilung im Abgasnachbehandlungssystem mit Hilfe des dynamischen Wärmemodells ausreichend genau bestimmen zu können, ist eine ausreichend hohe Anzahl n an Zellen erforderlich, beispielsweise n > 20. Eine derart hohe Anzahl an Zellen führt aber bei Einsatz des vergleichsweise komplexen kinetischen Modells zu langen Rechenzeiten, die das herkömmliche Modell für den Online-Betrieb bzw. den Onboard-Einsatz ungeeignet machen.
Daher wird die Anzahl an Zellen nach dem Stand der Technik begrenzt, häufig indem das Abgasnachbehandlungssystem als eine einzige lineare d. h. eindimensionale Zelle betrachtet wird, wodurch die axiale Temperaturverteilung auf einen konkreten Temperaturwert reduziert wird. Eine größere Anzahl an Zellen setzt eine ausreichende Rechnerleistung voraus, weshalb derartige Modelle nur für Simulationen und theoretische Berechung in der Entwicklungsphase zum Einsatz kommen.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem die Bestimmung der Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem und die Bestimmung der während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierten Reaktionswärme ΔH online ermöglicht wird, und dies mit einer größeren Genauigkeit als bei Einsatz eines herkömmlichen Verfahrens.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen des verschiedene Abgasbestandteile aufweisenden Abgases aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mittels eines dynamischen Wärmemodells bestimmt wird und die während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierte Reaktionswärme ΔH, die aus der Konvertierung mindestens eines im Abgas befindlichen Abgasbestandteils resultiert, mittels eines kinetischen Modells bestimmt wird, und bei dem

• für das dynamische Wärmemodell das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens zwei diskrete Zellen (n > 2), die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, dargestellt wird,
• für das kinetische Modell das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens eine diskrete Zelle (N > 1) dargestellt wird, wobei
• die mittels des kinetischen Modells bestimmte Reaktionswärme ΔH als Eingangsgröße für das Wärmemodell verwendet wird, und
• die Anzahl n der diskreten Zellen für das Wärmemodell größer gewählt wird als die Anzahl N der diskreten Zellen für das kinetische Modell d. h. es gilt: n > N.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wird das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem nicht als eine einzelne Zelle betrachtet, sondern zumindest für das dynamische Wärmemodell in mindestens zwei diskrete Zellen unterteilt, so dass die axiale Temperaturverteilung im Online-Betrieb mit einer größeren Genauigkeit bestimmt werden kann als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.
Die Anzahl n der diskreten Zellen für das Wärmemodell wird größer gewählt als die Anzahl N der diskreten Zellen für das kinetische Modell d. h. es gilt: n > N. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren differiert die Zellenanzahl der beiden verwendeten Modelle, nämlich des dynamischen Wärmemodells einerseits und des kinetischen Modells andererseits.
Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die Anzahl n an Zellen für das dynamische Wärmemodell vergleichsweise hoch zu wählen, um die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem möglichst genau zu bestimmen, wohingegen die Zellenanzahl N für das wesentlich komplexere kinetische Modell kleiner gewählt wird, um die benötigte Rechenzeit bzw. die notwendige Rechnerleistung zu begrenzen und somit das Verfahren für einen Online-Betrieb verwendbar zu machen. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Qualität der ermittelten Temperaturverteilung nicht durch die Komplexität des kinetischen Modells beschränkt d. h. gemindert.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, welches online einsetzbar ist und gleichzeitig die Bestimmung der Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mit einer größeren Genauigkeit gestattet als dies mittels herkömmlicher Verfahren möglich ist.
Der Begriff "axiale Temperaturverteilung" charakterisiert dabei die Temperaturverteilung entlang der Hauptströmungsrichtung des Abgases d. h. entlang einer gedachten Wegstrecke, der das Abgas beim Durchströmen des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems folgt. Die gedachte Wegstrecke ergibt sich dabei in der Regel durch Verbinden der Strömungsrichtung des Abgases am Eintritt in das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem und der Strömungsrichtung des Abgases am Austritt aus dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem heraus.
Die Temperaturverteilung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ist dabei – zumindest falls es sich bei dem betrachteten Abgasnachbehandlungssystem um einen Oxidationskatalysator oder einen LNT handelt – von untergeordneter Bedeutung, so dass die Temperaturänderung in radialer Richtung erfindungsgemäß vernachlässigt wird, was die Modelle wesentlich vereinfacht und den Online-Einsatz weiter begünstigt. Wird hingegen ein Partikelfilter betrachtet, kann es erforderlich werden die Temperaturverteilung in radialer Richtung in die Betrachtung d. h. in die Modelle mit ein zu beziehen. In der weiteren Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird aber zur Vereinfachung die Temperaturänderung in radialer Richtung grundsätzlich vernachlässigt.
Aus diesem Grund sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen als Zellen lineare d. h. eindimensionale Elemente verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Verfahrensvarianten gemäß den Unteransprüchen werden im folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Anzahl n der diskreten Zellen für das Wärmemodell größer oder gleich einem Vielfachen der Anzahl N der diskreten Zellen für das kinetische Modell ist d. h. es gilt: n > x·N, wobei x einen natürliche Zahl ist.
Diese Verfahrensvariante bietet Vorteile bei der Berechung, denn es muss berücksichtigt werden, dass die beiden verwendeten Modelle, nämlich das dynamische Wärmemodell einerseits und das kinetische Modell andererseits, in Wechselbeziehung zueinander stehen und jedes Modell Eingangswerte für das jeweils andere Modell liefert.
Die mittels des kinetischen Modells bestimmte Reaktionswärme ΔH dient beispielsweise als Eingangsgröße für das Wärmemodell zur Bestimmung der Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem. Andererseits liefert das dynamische Wärmemodell die Zellentemperatur Tⁱ d. h. die Temperatur der Zelle i des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems als Eingangsgröße an das kinetische Modell.
Werden nun gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform für das dynamische Wärmemodell fünfmal so viele Zellen verwendet wie für das kinetische Modell (x = 5), beispielsweise mit n = 20 und N = 4, so werden die mittels Wärmemodell ermittelten Temperaturen T_i der ersten fünf Zellen (i = 1 bis 5) gemittelt – d. h. addiert und durch fünf dividiert – und diese Durchschnittstemperatur der ersten Zelle (j = 1) des kinetischen Modells als Zellentemperatur bereitgestellt.
Andererseits wird die mittels kinetischem Modell ermittelte Reaktionswärme ΔH^j=1 der ersten Zelle (j = 1) des kinetischen Modell auf die fünf ersten Zellen des Wärmemodells aufgeteilt und der so ermittelte Anteil jeder der ersten fünf Zellen des Wärmemodells zugewiesen, wobei vereinfachend davon ausgegangen wird, dass in jeder der ersten fünf Zellen (i = 1 .. 5) des Wärmemodells ein gleichgroßer Betrag an Reaktionswärme freigesetzt wird. Im Rahmen dieser Zuweisung ist eine Transformation der mittels kinetischem Modell ermittelten Reaktionswärme ΔH^j=1 in einen durch diese Reaktionswärme hervorgerufenen Temperaturanstieg ΔT erforderlich, was die folgende Gleichung zum Ausdruck bringt. ΔTΔH i=1..5 = 0.2·ΔT(ΔHj=1)
Der Temperaturanstieg ΔT ist dabei eine Funktion der Reaktionswärme.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Rahmen der Bestimmung der Temperaturverteilung mittels Wärmemodell für jede Zelle i die Temperatur T^i-1 der benachbarten, stromaufwärts gelegenen Zelle i – 1 als Eingangsgröße verwendet wird, wobei für die erste stromaufwärts gelegene Zelle i = 1 die Temperatur am Einlass des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems als Eingangsgröße verwendet wird.
Die Temperatur Tⁱ der Zelle i kann dabei mittels der folgenden Differentialgleichung bestimmt werden.
In dieser Gleichung ist k ein Korrekturfaktor, der in der Regel nahe 1 liegt. ΔT_ΔH kennzeichnet die mittels kinetischem Modell ermittelte Reaktionswärme in der Zelle i. M steht für die Masse des Trägersubstrats des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems und m_exh für den Abgasmassenstrom, während n die Gesamtanzahl der Zellen des Wärmemodells wiedergibt.
Gemäß der oben stehenden Gleichung wird die Temperatur in der Abgasleitung auch meßtechnisch erfasst (Tsen_out) und zwar mittels Temperatursensor am Ausgang des Abgasnachbehandlungssystems. Diese Temperatur Tsen_out wird dem Wärmemodell im Rahmen einer Rückführung zur Anpassung des Modells bereitgestellt, so dass vorliegend eine sogenannte Überwachungsstruktur vorgesehen ist. Dabei steht K⁰ für die Empfindlichkeit bzw. Verstärkung dieser Überwachungsstruktur bzw. Rückführung und Tmod_out für die mittels Wärmemodell bestimmte Temperatur am Auslass des Abgasnachbehandlungssystems.
Es gilt: Tmodout = Tn
Dabei stellt Tⁿ die Temperatur der letzten Zelle n dar.
Das Vorsehen einer Überwachungsstruktur verbessert die Qualität d. h. die Genauigkeit der mittels Wärmemodell ermittelten Temperaturverteilung, da eine Anpassung des Modells an die tatsächlich vorliegenden Temperaturen erfolgt, die ohne die Messung einer Temperatur Tsen und Rückführung dieser Temperatur nicht möglich wäre.
Mit dem Term L(Tamb – Ti)wird der Wärmeverlust an die Umgebung berücksichtigt, wobei Tamb für die Umgebungstemperatur steht und L einen Wärmeverlustfaktor darstellt. Soll der Wärmeübergang an die Umgebung nicht mit in die Betrachtung einbezogen werden, kann dieser Term grundsätzlich auch weggelassen werden.
Vorteilhaft sind aus den genannten Gründen Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen mindestens eine Temperatur in der mindestens einen Abgasleitung meßtechnisch erfasst wird und im Rahmen einer Rückführung dem dynamischen Wärmemodell als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das kinetische Modell dazu verwendet wird, die Konvertierung mindestens einer der folgenden Abgasbestandteile in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem zu bestimmen: Stickoxide (NO_x), Rußpartikel, Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Sauerstoff (O₂).
Umfasst das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Speicherkatalysator, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen das kinetische Modell dazu verwendet wird, die Sättigung φ_LNT,rech des Speicherkatalysators zu bestimmen.
Umfasst das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter, sind Ausführungsformen des Verfahren vorteilhaft, bei denen das kinetische Modell dazu verwendet wird, die Beladung φ_DPF,rech des Partikelfilters zu bestimmen.
Die beiden zuvor genannten Ausführungsformen liefern zusätzliche Informationen über den Betriebszustand des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems und können zur Überwachung und/oder Steuerung des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems herangezogen werden. Erreicht der mittels kinetischem Modell ermittelte Sättigungsgrad φ_LNT,rech eine vorgebbare Sättigungsgrenze, kann dies als Signal zur Einleitung der Reinigung des Speicherkatalysators durch Anreicherung des Abgases angesehen und genutzt werden, um zu verhindern, dass der Sättigungsgrad eine maximal zulässige Sättigung überschreitet, was beispielsweise dazu führen kann, dass im Abgas befindliche Stickoxide den Speicherkatalysator ungehindert passieren und in die Umwelt gelangen.
In analoger Weise kann eine Filterregeneration eingeleitet werden, falls die Filterbeladung φ_DPF,rech einen vorgebbaren maximal zulässigen Wert für die Beladung erreicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Verfahrensvariante gemäß der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Blockdiagramms.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Blockdiagramms.
Die Anzahl n der Zellen des Wärmemodells 1 ist größer gewählt als die Anzahl N der Zellen für das kinetische Modell 2. Es gilt: n > N.
Damit ergibt sich die Möglichkeit, die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mit Hilfe einer hohen Anzahl n an Zellen möglichst genau zu bestimmen und gleichzeitig die Rechenzeit für das komplexere kinetische Modell 2 durch eine kleiner gewählte Zellenanzahl N zu begrenzen. Dadurch wird ein Online-Einsatz des Verfahrens ermöglicht.
Mittels des kinetischen Modells 2 wird die Reaktionswärme ΔH^j für jede Zelle (j = 1 ... N) des kinetischen Modells 2 bestimmt. Bei der Reaktionswärme kann es sich – in Anhängigkeit von dem zu betrachtenden Abgasnachbehandlungssystem – um die freigesetzte Wärme infolge Oxidation in einem Oxidationskatalysator, aufgrund der Reduktion der Stickoxide in einem Speicherkatalysator oder um die freigesetzte Wärme bei der Regeneration eines Partikelfilters handeln oder – falls ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem Gegenstand des Verfahrens ist – um eine Kombination der genannten Reaktionswärmen. Die genannten Reaktionswärmen haben nur beispielhaften Charakter.
Da die Zellenanzahl der beiden Modelle 1, 2 differiert, kann die für eine Zelle j des kinetischen Modells 2 ermittelte Reaktionswärme ΔH^j nicht direkt einer einzelnen Zelle i des dynamischen Wärmemodells 1 zugeordnet werden. Daher wird die ermittelte Reaktionswärme ΔH^j der Zelle j nur anteilig einer Zelle i des dynamischen Wärmemodells 1 zugewiesen.
Für den Temperaturanstieg ΔT_ΔH ⁱ⁼¹ beispielsweise der ersten Zelle (i = 1) des Wärmemodells 1 infolge der mittels kinetischem Modell ermittelten Reaktionswärme ΔH^j=1 der ersten Zelle (j = 1) des kinetischen Modells gilt: ΔTΔH i=1 = N/n·ΔT (ΔHj=1)
In analoger Weise liefert das dynamische Wärmemodell 1 die Zellentemperatur Tⁱ d. h. die Temperatur der Zeile i an das kinetische Modell 2 (nicht dargestellt). Aufgrund der unterschiedlichen Zellenanzahl i, j der beiden Modelle 1, 2 müssen zur Ermittlung der Temperatur T^j der Zelle j des kinetischen Modells 2 mindestens zwei Zellen des Wärmemodells 1 herangezogen werden, deren Temperaturen Tⁱ anteilig addiert und gemittelt werden.
Bei der Bestimmung der Temperaturverteilung mittels Wärmemodell 1 wird für jede Zelle i die Temperatur T^i-1 der benachbarten, stromaufwärts gelegenen Zelle i – 1 als Eingangsgröße verwendet.
Für die erste stromaufwärts gelegene Zelle i = 1 wird die Einlasstemperatur Tⁱⁿ des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems als Eingangsgröße herangezogen. Die Temperatur Tⁿ der letzten Zelle (i = n) ist gleichzeitig die Austrittstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems.
Die Abkürzungen für die im Abgas enthaltenen Schadstoffe, nämlich CO, HC, NO_x und soot, sowie die Abkürzung für Sauerstoff O₂ sollen verdeutlichen, dass mit dem kinetischen Modell gegebenenfalls die Sättigung φ_LNT,rech des Speicherkatalysators und/oder die Beladung φ_DPF,rech des Partikelfilters bestimmt werden kann, soweit sie Gegenstand des Verfahrens sind.
Des weiteren kann das kinetische Modell 2 zur Bestimmung der Konvertierung einer oder mehrere dieser Abgasbestandteile herangezogen werden.

1: dynamisches Wärmemodell
2: kinetisches Modell
AGR: Abgasrückführung
CO: Kohlenmonoxid
deNO_x: Reinigung des Speicherkatalysators
deSoot: Regeneration des Partikelfilters
deSO_x: Desulfurisation, Entschwefelung
ΔH: Reaktionswärme
ΔH^j: Reaktionswärme der Zelle j des kinetischen Modells
HC: unverbrannte Kohlenwasserstoffe Zelle des dynamischen Wärmemodells
j: Zelle des kinetischen Modells
k: Korrekturfaktor
K⁰: Empfindlichkeit bzw. Verstärkung der Überwachungsstruktur
M: Masse des Trägersubstrats des Abgasnachbehandlungssystems
m_exh: Abgasmassenstrom
n: Anzahl der Zellen des dynamischen Wärmemodells
N: Anzahl der Zellen des kinetischen Modells
NO_x: Stickoxide
L: Wärmeverlustfaktor
LNT: Lean NO_x Trap, Speicherkatalysator
φ_DPF,rech: mittels kinetischem Modell ermittelte Beladung des Partikelfilters
φ_LNT,rech: mittels kinetischem Modell ermittelter Sättigungsgrad des Speicherkatalysators
SCR: Selective Catalytic Reduction
soot: Ruß
SO_x: Schwefeloxide
Tamb: Umgebungstemperatur
Tⁱ: Temperatur der Zelle i des Wärmemodells
Tⁿ: Temperatur der Zelle n des Wärmemodells
ΔT_ΔH ⁱ: Temperaturanstieg der Zelle i des Wärmemodells infolge der Reaktionswärme ΔH^j=1 der Zelle j des kinetischen Modells
Tsen_out: mittels Temperatursensor am Ausgang des Abgasnachbehandlungssystems erfaßte Temperatur
Tmod_out: mittels Wärmemodell bestimmte Temperatur am Ausgang des Abgasnachbehandlungssystems
Tⁱⁿ: Einlasstemperatur des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems
Tⁿ: Temperatur der letzten Zelle n des Wärmemodells
x: natürliche Zahl

Claims

Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung mindestens eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Zylinder und mindestens eine Abgasleitung zum Abführen des verschiedene Abgasbestandteile aufweisenden Abgases aus diesem mindestens einen Zylinder aufweist, wobei die axiale Temperaturverteilung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem mittels eines dynamischen Wärmemodells (1) bestimmt wird und die während der Abgasnachbehandlung in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem generierte Reaktionswärme ΔH, die aus der Konvertierung mindestens eines im Abgas befindlichen Abgasbestandteils resultiert, mittels eines kinetischen Modells (2) bestimmt wird und bei dem • für das dynamische Wärmemodell (1) das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens zwei diskrete Zellen (n ≥ 2), die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, dargestellt wird, und • für das kinetische Modell (2) das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem durch mindestens eine diskrete Zelle (N ≥ 1) dargestellt wird, wobei • die mittels des kinetischen Modells (2) bestimmte Reaktionswärme ΔH als Eingangsgröße für das Wärmemodell (1) verwendet wird, und • die Anzahl n der diskreten Zellen für das Wärmemodell (1) größer gewählt wird als die Anzahl N der diskreten Zellen für das kinetische Modell (2) d. h. es gilt: n > N.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zellen lineare d. h. eindimensionale Elemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der diskreten Zellen für das Wärmemodell (1) größer oder gleich einem Vielfachen der Anzahl N der diskreten Zellen für das kinetische Modell (2) ist d. h. es gilt: n > x·N, wobei x einen natürliche Zahl ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Bestimmung der Temperaturverteilung mittels Wärmemodell (1) für jede Zelle i die Temperatur T^i-1 der benachbarten, stromaufwärts gelegenen Zelle i – 1 als Eingangsgröße verwendet wird, wobei für die erste stromaufwärts gelegene Zelle i = 1 die Temperatur am Einlass des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems als Eingangsgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Temperatur Tsen in der mindestens einen Abgasleitung meßtechnisch erfasst wird und im Rahmen einer Rückführung dem dynamischen Wärmemodell (1) als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kinetische Modell (2) dazu verwendet wird, die Konvertierung mindestens einer der folgenden Abgasbestandteile in dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem zu bestimmen: Stickoxide (NO_x), Rußpartikel, Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Sauerstoff (O₂).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Speicherkatalysator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das kinetische Modell (2) dazu verwendet wird, die Sättigung φ_LNT,rech des Speicherkatalysators zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das kinetische Modell (2) dazu verwendet wird, die Beladung φ_DPF,rech des Partikelfilters zu bestimmen.