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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Moderne Kraftfahrzeuge sind häufig mit Katalysatoren zur Nachbehandlung eines Abgases einer Brennkraftmaschine ausgerüstet. In vielen Fällen werden diese Katalysatoren überwacht und/oder geregelt.
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Bei einer unvollständigen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Ottomotor werden neben Stickstoff (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) eine Vielzahl von Verbrennungsprodukten ausgestoßen, von denen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) gesetzlich limitiert sind. Die geltenden Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge können nach heutigem Stand der Technik nur mit einer katalytischen Abgasnachbehandlung eingehalten werden. Durch die Verwendung beispielsweise eines Dreiwegekatalysators können die genannten Schadstoffkomponenten konvertiert werden.
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Eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für HC, CO und NOx wird bei Dreiwegekatalysatoren nur in einem engen Lambdabereich um den stöchiometrischen Betriebspunkt (Lambda = 1), dem sogenannten „Katalysatorfenster“ bzw. „Konvertierungsfenster“, erreicht.
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Zum Betrieb des Dreiwegekatalysators im Konvertierungsfenster wird in heutigen Motorsteuerungssystemen typischerweise eine Lambdaregelung eingesetzt, die auf den Signalen von vor und hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten Lambdasonden basieren kann. Für die Regelung der Luftzahl Lambda, die ein Maß für die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses der Brennkraftmaschine ist, kann der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Dreiwegekatalysator mit einer dort angeordneten eingangsseitigen Lambdasonde gemessen werden. Abhängig von diesem Messwert kann die Regelung z.B. die in Form eines Basiswertes von einer Vorsteuerungsfunktion vorgegebene Kraftstoffmenge oder Einspritzdauer verändern.
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Im Rahmen der Vorsteuerung werden Basiswerte einzuspritzender Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von zum Beispiel Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine vorgegeben. Für eine noch genauere Regelung kann zusätzlich die Sauerstoffkonzentration des Abgases stromabwärts des Dreiwegekatalysators mit einer weiteren Lambdasonde erfasst werden. Das Signal dieser ausgangsseitigen Lambdasonde kann für eine Führungsregelung verwendet werden, die der auf dem Signal der eingangsseitigen Lambdasonde basierenden Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator überlagert ist. Als hinter dem Dreiwegekatalysator angeordnete Lambdasonde wird in der Regel eine Sprung-Lambdasonde verwendet, die bei Lambda = 1 eine sehr steile Kennlinie besitzt und deshalb Lambda = 1 sehr genau anzeigen kann.
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Neben der Führungsregelung, die im allgemeinen nur kleine Abweichungen von Lambda = 1 ausregelt und vergleichsweise langsam ausgelegt ist, kann man eine andere Funktionalität nach großen Abweichungen von Lambda = 1 in Form einer Lambda-Vorsteuerung dafür vorsehen, dass das Konvertierungsfenster schnell wieder erreicht wird, was zum Beispiel nach Phasen mit Schiebebetriebsabschaltung wichtig ist, in denen der Dreiwegekatalysator mit Sauerstoff beladen wird. Die Beladung mit Sauerstoff beeinträchtigt die NOx-Konvertierung.
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Wegen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators kann hinter dem Dreiwegekatalysator noch über mehrere Sekunden Lambda = 1 vorliegen, nachdem vor dem Dreiwegekatalysator ein fettes oder mageres Lambda eingestellt wurde. Diese Eigenschaft des Dreiwegekatalysators, Sauerstoff temporär zu speichern, wird ausgenutzt, um kurzzeitige Abweichungen von Lambda = 1 vor dem Dreiwegekatalysator auszugleichen. Liegt vor dem Dreiwegekatalysator über längere Zeit Lambda ungleich 1 vor, wird sich das gleiche Lambda auch hinter dem Dreiwegekatalysator einstellen, sobald der Sauerstofffüllstand bei einem Lambda > 1 (Sauerstoffüberschuss) die Sauerstoffspeicherfähigkeit überschreitet oder sobald im Dreiwegekatalysator bei einem Lambda < 1 kein Sauerstoff mehr gespeichert ist.
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Zu diesem Zeitpunkt zeigt dann auch eine Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator ein Verlassen des Konvertierungsfensters an. Bis zu diesem Zeitpunkt deutet das Signal der Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator allerdings nicht auf den bevorstehenden Durchbruch hin, und eine auf diesem Signal basierende Führungsregelung reagiert deshalb oft erst so spät, dass die Kraftstoffzumessung nicht mehr rechtzeitig vor einem Durchbruch reagieren kann. Als Folge treten erhöhte Emissionen auf. Solche Regelungskonzepte haben deshalb den Nachteil, dass sie ein Verlassen des Konvertierungsfensters anhand der Spannung der Sprung-Lambdasonde hinter dem Dreiwegekatalysator erst spät erkennen.
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Um zu verhindern, dass der Sauerstoffspeicher leerläuft, also der gespeicherte Sauerstoff komplett verbraucht wird, sind auch zyklische Regelungskonzepte bekannt, bei denen abwechselnd Abgas in einem leicht fetten und einem leicht mageren Lambda-Bereich erzeugt wird. Dadurch wird der Sauerstoffspeicher in den mageren Betriebsphasen aufgefüllt und in den fetten Betriebsphasen verbraucht, was zudem zu einer gleichmäßigeren Alterung des gesamten Katalysators und damit zu einer insgesamt erhöhten Lebensdauer führt. Eine derartige Regelung ist beispielsweise in der
DE 10 2006 061 684 A1 beschrieben.
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Aus der
DE 10 2016 222 418 A1 ist ein modellbasiertes Regelungskonzept bekannt, bei dem jeweils ein Lambdasensor in Strömungsrichtung des Abgases vor und hinter dem Katalysator angeordnet ist und ein Katalysatormodell dazu verwendet wird, den Lambdawert, der hinter dem Katalysator gemessen wird, rechnerisch zu bestimmen. Weicht der tatsächlich gemessene Lambdawert von dem berechneten Lambdawert ab, wird das Katalysatormodell angepasst. Insbesondere wird dabei ein Füllstand des Katalysators an einer oder mehreren Abgaskomponenten, insbesondere an Sauerstoff, modelliert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung umfasst ein Vorgeben eines zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert hin- und herpendelnden Zielfüllstandsverlaufs von zumindest einer in dem Katalysator speicherbaren Abgaskomponente, ein Bestimmen eines aktuellen Füllstands der zumindest einen Abgaskomponente in dem Katalysator anhand eines theoretischen Katalysatormodells, und ein Steuern der Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines Abgases mit einer Zielkonzentration der zumindest einen Abgaskomponente so, dass eine Abweichung zwischen dem aktuellen Füllstand und dem aktuellen Zielfüllstand gemäß dem Zielfüllstandsverlauf verringert wird. Durch die Modulierung des Zielfüllstands kann einer drohenden Katalysatordeaktivierung entgegengewirkt werden, wobei die Adaption der Modulierung ein Durchbrechen von nicht konvertiertem Abgas durch den Katalysator verhindert.
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Bevorzugt umfasst dabei das Bestimmen des aktuellen Füllstands ein Bestimmen des Füllstands mehrerer Teilvolumina des Katalysators, die insbesondere in einer Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind, und erfolgt das Steuern der Brennkraftmaschine so, dass die größte Abweichung zwischen dem bestimmten Füllstand eines Teilvolumens des Katalysators und dessen Zielfüllstand verringert wird. Dadurch kann ein drohender Durchbruch von nicht konvertiertem Abgas leichter erkannt und entsprechend verhindert werden.
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Die reaktionskinetische Modellierung des Katalysators und die Unterteilung in mehrere Zonen erlauben es, drohende Durchbrüche von nicht konvertiertem Abgas durch den Katalysator infolge der Modulation anhand von aktuellen Zustandsgrößen des Katalysatormodells zu erkennen. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren daher ein unmittelbares Durchführen eines Wechsels zwischen Anheben und Absenken des Zielfüllstands unabhängig von dem vorgegebenen Zielfüllstandsverlauf, wenn ein Durchbruch droht. Damit lässt sich die Modulation so anpassen, dass die Sauerstoff-Lieferfähigkeit bzw. die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators optimal ausgenützt wird, ohne dass es zu tatsächlichen Durchbrüchen kommt. Darüber hinaus erlaubt die reaktionskinetische Modellierung des Katalysators eine Aktivierung der Modulation nur bei Bedarf, beispielsweise wenn eine Katalysatordeaktivierung droht. Durch bisherige Konzepte wird dieser Bedarf nicht erkannt, deshalb ist die Modulation immer aktiv.
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Insbesondere wird der untere Schwellwert des Zielfüllstandsverlaufs so gewählt, dass eine Mindest-Komponenten-Lieferfähigkeit des Katalysators nicht unterschritten wird, und der obere Schwellwert des Zielfüllstandsverlaufs so gewählt, dass eine Maximal-Komponenten-Speicherfähigkeit des Katalysators nicht überschritten wird. Dies dient dem Ziel, Durchbrüche zu vermeiden.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ein unmittelbares Durchführen eines Wechsels zwischen Anheben und Absenken des Zielfüllstands unabhängig von dem vorgegebenen Zielfüllstandsverlauf, wenn die Mindest-Komponenten-Lieferfähigkeit des Katalysators unterschritten zu werden droht bzw. wenn die Maximal-Komponenten-Speicherfähigkeit des Katalysators überschritten zu werden droht. Dadurch kann Durchbrüchen frühzeitig entgegengewirkt werden. Beispielsweise kann erkannt werden, dass ein Durchbruch droht, wenn eine dem Mindest- bzw. Maximalwert vorgelagerte Durchbruchsschwelle erreicht wird. Der Abstand dieser Durchbruchsschwelle vom jeweiligen Mindest- bzw. Maximalwert wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom zeitlichen Gradienten der Konzentration festgelegt, d.h. je größer der zeitliche Gradient der Konzentration, desto größer der Abstand der Durchbruchsschwelle vom Mindest- bzw. Maximalwert, so dass genug Reaktionszeit verbleibt.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner ein Bestimmen einer Konzentration der zumindest einen Abgaskomponente stromab des Katalysators anhand eines Messwerts, und ein Vergleichen der Konzentration mit einem oberen und einem unteren Konzentrationsschwellwert, wobei ein Wechsel zwischen Anheben und Absenken des Zielfüllstandes gemäß dem vorgegebenen Zielfüllstandsverlauf nur dann durchgeführt wird, wenn dadurch die erfasste Konzentration von dem nächstliegenden Konzentrationsschwellwert weggedrängt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Modulierung des Katalysatorfüllstands zu ungewollten Durchbrüchen von unkonvertiertem Abgas führt. Die Konzentration der Abgaskomponente kann beispielsweise mittels eines Lambdasensors bzw. aus dem Lambdawert rechnerisch abgeleitet werden.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner ein unmittelbares Durchführen eines Wechsels zwischen Anheben und Absenken des Zielfüllstands unabhängig von dem vorgegebenen Zielfüllstandsverlauf, wenn der obere Konzentrationsschwellwert überschritten bzw. der untere Konzentrationsschwellwert unterschritten wird, und ein Aktualisieren des theoretischen Katalysatormodells unter Verwendung des Messwerts. Dadurch wird ein eventuell vorkommender Durchbruch erkannt und sinnvoll gegengesteuert.
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Die Konzentrationsschwellwerte eigenen sich ebenfalls zum Bestimmen eines drohenden Durchbruchs. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren daher ferner ein unmittelbares Durchführen eines Wechsels zwischen Anheben und Absenken des Zielfüllstands unabhängig von dem vorgegebenen Zielfüllstandsverlauf, wenn der obere Konzentrationsschwellwert überschritten bzw. der untere Konzentrationsschwellwert unterschritten zu werden droht. Dadurch wird ein drohender Durchbruch erkannt und sinnvoll gegengesteuert.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ein Verkleinern des durch den oberen und den unteren Schwellwert des Zielfüllstandsverlaufs eingeschlossenen Wertebereichs, also einer Amplitude des Hin- und Herpendelns, wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitraumes, der insbesondere aus einem Bereich zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten ausgewählt ist, die Konzentration mindestens zwei-, drei- oder viermal den oberen Konzentrationsschwellwert über- oder den unteren Konzentrationsschwellwert unterschreitet und/oder ein Durchbruch droht. Dabei wird die Anpassung der Amplitude insbesondere dann durchgeführt, wenn ein Durchbruch mehrmals in dieselbe Richtung (also mehrmals fettes Abgas oder mehrmals mageres Abgas) drohte oder tatsächlich erfasst wurde. Auch bei kurz aufeinander folgenden drohenden oder tatsächlichen Durchbrüchen mit wechselnder Richtung kann eine Reduzierung der Amplitude vorteilhaft vorgesehen sein, weil solche wechselnden Durchbrüche durch eine prinzipiell zu hohe Modulationsamplitude verursacht werden können. Durch die Anpassung erst nach mehrmaligem drohendem oder tatsächlichem Durchbruch kann ermöglicht werden, die Speicher- bzw. Lieferfähigkeit optimal auszunutzen. Ein einmaliger drohender oder auch tatsächlicher Durchbruch zeigt insbesondere nicht zuverlässig an, dass die Liefer- oder Speicherfähigkeit des Katalysators falsch eingeschätzt wurde, er kann viel wahrscheinlicher auf eine falsche Modellierung des aktuellen Füllstands hindeuten. Erst bei mehrmaligem drohendem oder auch tatsächlichem Durchbruch ist es wahrscheinlich, dass eine falsch eingeschätzte Speicher- bzw. Lieferfähigkeit des Katalysators der Grund für die wiederholten Durchbrüche ist. Entsprechend kann nach festgestellten wiederholten Durchbrüchen das Verfahren so angepasst werden, dass dies in Zukunft verhindert wird. Dazu wird beispielsweise der obere Schwellwert des Zielfüllstandsverlaufs gesenkt, wenn die entsprechende Abgaskomponente stromab des Katalysators wiederholt den oberen Konzentrationsschwellwert überschreitet, bzw. der untere Schwellwert des Zielfüllstandsverlaufs angehoben, wenn die Abgaskomponente den unteren Konzentrationsschwellwert unterschreitet.
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Insbesondere ist der Füllstand jeweils auf eine maximale Speicher- bzw. Lieferfähigkeit des Katalysators bezüglich der zumindest einen Abgaskomponente bezogen. Dies verringert den Rechenaufwand und die Anpassung an unterschiedliche Katalysatordimensionierungen. Bevorzugt ist der obere Schwellwert des Füllstands dann kleiner als Eins und der untere Schwellwert des Füllstands größer als Null. Dadurch wird ein Durchbruch von unkonvertiertem Abgas sicher vermieden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Bestimmen der oberen bzw. unteren Schwellwerte des Füllstands und/oder ein Bestimmen der Konzentrationsschwellwerte in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße des Katalysators, insbesondere ausgewählt aus einer Temperatur, einem Alterungswert und einem durch den Katalysator strömenden Abgasmassenstrom, und/oder einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere ausgewählt aus einer aktuellen Lastanforderung, einer Diagnosefunktion und einer Temperatur. Damit werden besonders relevante Einflussgrößen, die die Reaktionskinetik in dem Katalysator entscheidend beeinflussen, berücksichtigt.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung der adaptive Anteil der Modulation ist. Die reaktionskinetische Modellierung des Katalysators und die Unterteilung in mehrere Zonen erlauben es, drohende Durchbrüche von nicht konvertiertem Abgas durch den Katalysator infolge der Modulation anhand von aktuellen Zustandsgrößen des Katalysatormodells zu erkennen. Damit lässt sich die Modulation so anpassen, dass die Sauerstoff-Lieferfähigkeit bzw. die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators optimal ausgenützt wird, ohne dass es zu tatsächlichen Durchbrüchen kommt. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber der
DE 10 2006 061 684 A1 , in der eine Verringerung der Schwellwerte für den Sauerstoff-Füllstand lediglich im Fall eines tatsächlichen Durchbruchs vorgesehen ist. Darüber hinaus erlaubt die reaktionskinetische Modellierung des Katalysators eine Aktivierung der Modulation nur bei Bedarf, beispielsweise wenn eine Katalysatordeaktivierung droht. Durch bisherige Konzepte wird dieser Bedarf nicht erkannt, deshalb ist die Modulation immer aktiv.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und umfasst zu diesem Behufe eine Brennkraftmaschine, ein Abgasnachbehandlungssystem und eine Recheneinheit. Das Fahrzeug profitiert von den Merkmalen des Verfahrens in entsprechender Weise.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- 1 zeigt eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine, die zur Durchführung einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung.
- 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine Anordnung, die zur Durchführung einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist und beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet sein kann, in schematischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Die Anordnung 100 umfasst eine Brennkraftmaschine 120, beispielsweise einen Diesel- oder Ottomotor, eine Kraftstoffaufbereitungsvorrichtung 110, einen Abgaskatalysator 130, der beispielsweise als Dreiwegekatalysator ausgebildet sein kann, eine Recheneinheit 140, beispielsweise ein Motorsteuergerät (ECU), sowie Sensoren 145, 147, die beispielsweise in Form von Lambdasensoren, Thermoelementen, Drucksensoren und/oder Messgeräten für Konzentrationen, Temperaturen, Drücke oder andere physikalische oder chemische Größen, die einen Zustand eines Abgassystems beschreiben oder beeinflussen können, bereitgestellt sind.
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Insbesondere bedient sich die Erfindung einer Modellierung der Reaktionskinetik von in dem Katalysator 130 ablaufenden Reaktionen und der Einspeicherung von Abgaskomponenten, insbesondere Sauerstoff, in den Katalysator 130 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 120. Dazu kann vorgesehen sein, dass die aktuellen Zustandsgrößen des Katalysators erfasst werden. Dies sind beispielsweise Füllstände wie der Sauerstoff-Füllstand oder der Füllstand von Fettgaskomponenten bzw. eine Füllstandsverteilung im Katalysator, die Speicherfähigkeit des Katalysators und die mittlere Temperatur des Katalysators bzw. eine Temperaturverteilung im Katalysator. Mit diesen Zustandsgrößen des theoretischen Katalysatormodells, das die zeitliche Entwicklung des Sauerstoff-Füllstands des realen Katalysators 130 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 120 abbildet, wird eine Modulation eines Zielfüllstands gemäß einem Zielfüllstandsverlauf so an die realen Betriebsbedingungen angepasst, dass Durchbrüche von fettem bzw. magerem Abgas durch den Katalysator 130 verhindert werden.
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Generell ist bei einer Modulation der Zielfüllstände vorgesehen, dass der jeweils aktuelle Zielfüllstand zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert liegt und sich zeitlich dergestalt verändert, dass der Zielfüllstand zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert hin- und herpendelt. Anders ausgedrückt soll die entsprechende Abgaskomponente abwechselnd in den Katalysator 130 vermehrt eingespeichert werden (d.h. der Füllstand soll steigen) und in einer nachfolgenden Phase aus dem Katalysator 130 netto ausgetragen werden (also mehr aus dem Katalysator entfernt werden, als durch frisches Abgas eingetragen wird, so dass der Füllstand sinkt). Insbesondere bewegt sich somit ein aktueller Zielfüllstand um einen im Wesentlichen konstanten, zeitlich gemittelten Zielfüllstand. Der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert entspricht demzufolge der Amplitude der Zielfüllstandsmodulation. Eine Frequenz der Modulation ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Richtungswechseln der Modulation, also den Zeitpunkten, an denen die Steuerung der Brennkraftmaschine vorgibt, von der Erzeugung eines fetten Abgases zu einer Erzeugung eines mageren Abgases zu wechseln bzw. umgekehrt. Durch eine solche Modulation kann verhindert werden, dass der Katalysator 130 durch eine einseitige Beanspruchung deaktiviert wird. Beispielsweise ist es nachteilig, wenn bestimmte Speicherplätze, beispielsweise in einer Zone am Eingang des Katalysators 130, über lange Zeiträume mit Fettgaskomponenten belegt bleiben. Ist dies der Fall, kann es beispielsweise energetisch aufwändig sein, den entsprechenden Speicherplatz wieder von der Fettgaskomponente zu befreien, und die Konvertierungsleistung des Katalysators 130 kann sinken, was wiederum zu erhöhten Schadstoffemissionen führen kann. Daher ist es vorteilhaft, solche Speicherplätze regelmäßig zu leeren. Dies ist insbesondere durch eine Modulation der Zielfüllstände des Katalysators 130 möglich.
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Insbesondere können die so ermittelten theoretischen Werte bezüglich des Füllstands des Katalysators 130 mit real messbaren Größen, insbesondere Abgaszusammensetzungen stromab des Katalysators 130, aber auch stromauf des Katalysators 130, abgeglichen werden und die Modulation des Zielfüllstands auf Basis einer Abweichung bzw. Übereinstimmung zwischen theoretisch und messtechnisch ermittelten Zustandsgrößen angepasst werden. Gibt der Zielfüllstandsverlauf beispielsweise vor, von einer Betriebsphase, in der die Brennkraftmaschine 120 ein fettes Abgas erzeugt, in eine Betriebsphase, in der die Brennkraftmaschine 120 ein mageres Abgas erzeugen soll, zu wechseln, während gleichzeitig ein Messwert des Sensors 147 stromab des Katalysators darauf hindeutet, dass bereits ein mageres Abgas den Katalysator 130 verlässt, wird in vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zielfüllstandsverlauf entsprechend angepasst und die Brennkraftmaschine 120 nicht zur Erzeugung eines noch magereren Abgases gesteuert.
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Eine derartige Anpassung kann insbesondere in einer Frequenzadaption liegen, bei der entsprechende Phasen, in denen die Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines fetten bzw. mageren Abgases gesteuert wird, verlängert oder verkürzt werden, wenn die Sensordaten nicht mit den erwarteten modellbasierten Werten übereinstimmen. In vorteilhaften Ausgestaltungen wird entsprechend umgekehrt die Brennkraftmaschine 120 auch nicht zur Anfettung des Abgasgemischs gesteuert, wenn der Sensor 147 bereits ein fettes Abgas anzeigt.
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Des Weiteren ist in einigen Ausgestaltungen vorgesehen, dass die Amplitude der Modulation des Zielfüllstandes angepasst bzw. adaptiert wird. Durch die Amplitude der Modulation kann die Geschwindigkeit, mit der sich eine Zone, in der die entsprechenden Speicherplätze für Abgaskomponenten geleert bzw. belegt werden, durch das Volumen des Katalysators 130 bewegt, beeinflusst werden. Die Frequenz der Modulation beeinflusst hingegen die Tiefe, in die die entsprechende Zone in das Volumen des Katalysators 130 eindringt.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mittels des theoretischen Katalysatormodells erkannt werden, wenn eine Deaktivierung des Katalysators 130 droht, und die Modulierung des Zielfüllstandes kann dann aktiviert werden, wenn dies der Fall ist. Droht hingegen keine Deaktivierung des Katalysators 130, kann der Zielfüllstand konstant bleiben, so dass keine abwechselnde Anfettung und Abmagerung des Abgases der Brennkraftmaschine 120 erforderlich ist. Anders ausgedrückt kann dann die Amplitude der Modulierung Null sein bzw. der obere und der untere Schwellwert für den Zielfüllstand des Katalysators 130 können gleich groß sein.
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Durch diese Vorgehensweise kann eine bessere Übereinstimmung der modellierten und realen Zustandsgrößen des Katalysators erreicht werden. Dadurch kann wiederum der Füllstand des Katalysators besser eingeregelt werden. Die Emissionen können dadurch weiter reduziert werden. Strengere gesetzliche Anforderungen können mit geringeren Kosten für den Katalysator erfüllt werden.
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In 2 ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines stark vereinfachten Flussdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
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In einem ersten Schritt 210 des Verfahrens 200 wird ein Zielfüllstandsverlauf zumindest einer Abgaskomponente, die die Brennkraftmaschine 120 bei deren Betrieb ausstößt, festgelegt. Dabei pendelt der Zielfüllstand im zeitlichen Verlauf insbesondere zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert hin und her. In bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens 200 werden in dem Schritt 210 diese oberen und unteren Schwellwerte festgelegt. Der Zielfüllstandsverlauf wird dabei bevorzugt so festgelegt, dass er um einen Mittelwert, der bei einem Optimum in Bezug auf ein Konvertierungsvermögen des Katalysators 130 liegt, herum verläuft. Anders ausgedrückt liegt der zeitliche Mittelwert des gemäß dem Zielfüllstandsverlauf pendelnden Zielfüllstands des Katalysators 130 bevorzugt im Zentrum des Katalysatorfensters.
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In einem Schritt 220 wird der aktuelle Füllstand des Katalysators 130 bestimmt. Dies geschieht anhand eines theoretischen Katalysatormodells, in das insbesondere Messwerte der in Bezug auf 1 erwähnten Sensoren 145, 147 als Eingangsgrößen eingehen. Beispielsweise wird der aktuelle Füllstand des Katalysators 130 auf Basis eines Signals einer Lambdasonde stromauf des Katalysators 130 modelliert. Gegebenenfalls können in die Modellierung des aktuellen Füllstands auch eine Temperatur bzw. Temperaturverteilung innerhalb des Katalysators 130 und/oder ein Abgasmassenstrom stromab der Brennkraftmaschine einfließen.
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In einem Schritt 230 wird die Brennkraftmaschine 120 so gesteuert, dass sie ein Abgas erzeugt, dessen Zusammensetzung dazu geeignet ist, eine Abweichung zwischen dem aktuellen Zielfüllstand gemäß dem in Schritt 210 festgelegten Zielfüllstandsverlauf und dem in Schritt 220 ermittelten aktuellen Füllstand zu minimieren. Ist beispielsweise der aktuelle Füllstand des Katalysators 130 in Bezug auf die Abgaskomponente Sauerstoff niedriger, als er gemäß dem Zielfüllstandsverlauf sein sollte, wird die Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines mageren Abgases gesteuert. Insbesondere kann dazu beispielsweise auf die Zusammensetzung eines der Brennkraftmaschine 120 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs Einfluss genommen werden, oder Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine können entsprechend angepasst werden.
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In einem Schritt 240 des Verfahrens 200 wird ein aktueller Betriebszustand des Katalysators 130 bestimmt. Insbesondere kann dabei eine aktuelle Zusammensetzung des Abgases stromab des Katalysators 130 bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise ein stromab des Katalysators 130 angeordneter Abgassensor 147 verwendet werden.
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In einem Schritt 250 wird überprüft, ob der aktuelle Betriebszustand mit dem modellierten Betriebszustand übereinstimmt und/oder ob ein Schwellwert, insbesondere einer Konzentration einer Abgaskomponente, unterschritten wurde. Ist dies der Fall, kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 220 zurück. Passen der in Schritt 220 modellierte Füllstand und die in Schritt 240 ermittelte Abgaszusammensetzung stromab des Katalysators 130 nicht zusammen bzw. wird der Konzentrationsschwellwert überschritten, wird in einem Schritt 260 ein Fehlerzähler iteriert und in einem Schritt 270 überprüft, ob der Fehlerzähler einen Schwellwert überschritten hat. Ein derartiger Konzentrationsschwellwert kann, wie eingangs erläutert, so gewählt sein, dass er ein drohendes Verlassen des Katalysatorfensters anzeigt, so dass ein drohender Durchbruch rechtzeitig erkannt werden kann, bevor es zu einem tatsächlichen Durchbruch kommt. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist für eine solche Bewertung ein Messwert der Lambdasonde 147 stromab des Katalysators 130 nicht unbedingt erforderlich, da bereits anhand des Katalysatormodells ein drohender Durchbruch von unkonvertiertem Abgas erkannt werden kann. Der erwähnte Fehlerzähler kann beispielsweise in Form einer Zähluhr bereitgestellt werden, die jeweils bei einer Iteration des Fehlerzählers zu laufen beginnt und nach einer vorbestimmten oder einstellbaren Zeitdauer, beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten, den Zählerstand des Fehlerzählers auf Null zurücksetzt. Ist der Schwellwert des Fehlerzählers nicht überschritten, kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 230 zurück und steuert die Brennkraftmaschine 120 mit veränderten Steuerparametern so, dass die Abweichung zwischen modelliertem und tatsächlichem Betriebszustand minimiert wird bzw. dass der Konzentrationsschwellwert unterschritten wird. Wird in dem Schritt 270 jedoch festgestellt, dass der Schwellwert des Fehlerzählers überschritten wurde, kehrt das Verfahren 200 zu dem ersten Schritt 210 zurück und verändert den Zielfüllstandsverlauf, insbesondere die oberen und/oder unteren Schwellwerte so, dass die Modulierung gemäß dem neuen Zielfüllstandsverlauf ein Überschreiten des Konzentrationsschwellwerts unwahrscheinlicher macht. Der Schwellwert des Fehlerzählers kann beispielsweise 1, 2 oder 3 sein, so dass bei zumindest zweimaliger Nicht-Übereinstimmung von modelliertem und realem Katalysatorzustand bzw. Überschreiten des Konzentrationsschwellwerts die Modulierung des Zielfüllstands des Katalysators entsprechend angepasst wird.
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Dadurch kann die Modulierung flexibel an einen Alterungszustand des Katalysators 130 und an aktuelle Betriebsbedingungen, beispielsweise eine Außentemperatur, eine Abgastemperatur, eine Lastanforderung oder dergleichen, angepasst werden. Dies ist erfindungsgemäß ohne Eingriff von außen möglich, so dass insbesondere keine Nachjustage erforderlich ist, sondern sich das Verfahren entsprechend selbst reguliert. Dadurch können die Standzeit des Katalysators ohne zusätzliche Wartungskosten erhöht und gleichzeitig Schadstoffemissionen verringert werden.
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Es ist zu betonen, dass eine Adaption im Falle eines tatsächlichen Durchbruchs bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die absolute Ausnahme ist. Vielmehr wird bereits bei drohenden Durchbrüchen, die mittels der Zustandsparameter des Katalysatormodells erkannt werden können, die Füllstandsmodulation so angepasst, dass der jeweils drohende Durchbruch einerseits abgewendet wird und andererseits in Zukunft weniger wahrscheinlich wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006061684 A1 [0010, 0024]
- DE 102016222418 A1 [0011]