Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Füllstands eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines

Füllstands eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.

DE 10 2015 209 820 A1 offenbart eine Regelung eines Katalysators einer Brennkraftmaschine mittels der Signale aus zwei Lambdasonden und abhängig von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine.

Derartige Katalysatoren werden verwendet, um Schadstoffkomponenten zu konvertieren. Eine hohe Konvertierungsrate wird durch Betrieb des Katalysators in einem Konvertierungsfenster um einen stöchiometrischen Betriebspunkt, d.h. bei einem Lambda-Wert 1 , erreicht. Dazu wird auf jeder Seite des Katalysators eine Lambdasonde angeordnet. Diese messen den Lamda-Wert vor bzw. nach dem Katalysator. Abhängig von den Signalen der beiden Lambdasonden wird die Brennkraftmaschine so geregelt, dass der Katalysator im Konvertierungsfenster betrieben wird. Aufgrund einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ändert sich der Lambda-Wert nach dem Katalysator erst mit Verzögerung. Daher wird ein Verlassen des Konvertierungsfensters durch die Lambdasonde Hinter dem Katalysator erst zu spät anzeigt. Dadurch können erhöhte Emissionen auftreten.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine demgegenüber verbesserte Regelung des Katalysators anzugeben. Offenbarung der Erfindung

Dies wird durch das Verfahren und die Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.

Das Verfahren zur Regelung eines Füllstands eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sieht vor, dass der Füllstand abhängig von einer Soll-Größe für den Füllstand geregelt wird, wobei die Soll-Größe abhängig von einer zu erwartenden Betriebs-Größe für den Füllstand ermittelt wird, wobei die zu erwartende Betriebs-Größe abhängig von Information von wenigstens einem Sensor bestimmt wird, der Information über einen

Betriebszustand des Kraftfahrzeugs erfasst. Das Verfahren wird insbesondere zur Regelung eines Sauerstoff-Füllstands eingesetzt. Signale einer oder mehrerer Lambdasonden dienen der Bestimmung eines Ist-Füllstands. Die Soll- Größe wird abhängig von zu erwartenden Betriebsbedingungen festgelegt. Die Soll-Größe kann beispielsweise ein Soll-Sauerstoff-Füllstand oder ein Soll- Sauerstoff-Füllstandsprofil sein. Dadurch wird der Soll-Füllstand nicht nur unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsbedingungen oder der Entwicklungen in jüngster Vergangenheit eingestellt, sondern auch abhängig von zu erwartenden Betriebsbedingungen. Dadurch ist es möglich, das Verlassen des

Konvertierungsfensters zu vermeiden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Lambda-Regelung die

Brennkraftmaschine in einem Konvertierungsfenster um einen Lambda-Wert 1 betreibt, wobei abhängig von der zu erwartenden Betriebs-Größe ein zu erwartender Sauerstoff-Füllstand im Katalysator bestimmt wird, wobei geprüft wird, ob das Konvertierungsfenster beim zu erwartenden Sauerstoff-Füllstand verlassen würde, und wobei abhängig von der Soll-Größe wenigstens ein Aktuator der Brennkraftmaschine zu Beeinflussung des Sauerstoff-Füllstands im Katalysator angesteuert wird. Der Aktuator ist beispielsweise ausgebildet, die Kraftstoff-Menge und/oder die Luftmasse in der Brennkraftmaschine und damit den Restsauerstoffgehalt im Abgas zu beeinflussen. Dadurch wird ein mögliches Verlassen des Konvertierungsfensters zum einen frühzeitig erkannt und gegebenenfalls effektiv vermieden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sensor Navigationsdaten für das Kraftfahrzeug oder Fahrzeugumgebungsinformation erfasst. Diese Informationen erlauben zumindest kurzzeitig, für z.B. die 1 bis 5 Sekunden, die auch einer Streckentotzeit durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators entsprechen, Vorhersagen über den zukünftigen Betriebszustand der

Brennkraftmaschine zu treffen. Dadurch ist eine ausreichend genaue

Vorausschau für die Vermeidung des Verlassene des Konvertierungsfensters möglich.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Soll-Größe ein Soll-Sauerstoff-Füllstand oder ein Soll-Sauerstoff-Füllstandsprofil ist. Dies ist eine gut geeignete Soll- Größe für existierende Lambda-Regelungen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zu erwartende Betriebs-Größe abhängig von einer aktuellen Betriebsbedingung, einer zu erwartenden Betriebsbedingung und/oder einer vergangenen Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine oder des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig von deren Änderung bestimmt wird. Dies stellt ein verbessertes Modell für die zu erwartende Betriebs-Größe dar. Dabei bilden aktuelle Betriebsbedingungen einen geeigneten Startpunkt und vergangene Betriebsbedingungen oder Änderungen eine Möglichkeit, einen Trend der Entwicklung der zu erwartenden Betriebsbedingung vorherzusagen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Maß für eine Stabilität der aktuellen Betriebsbedingung, der zu erwartenden Betriebsbedingung und/oder der vergangenen Betriebsbedingung bestimmt wird, wobei die zu erwartende Betriebsgröße und/oder die Soll-Größe abhängig vom Maß bestimmt wird.

Daraus lässt sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ableiten, ob die zukünftigen Bedingungen, beispielsweise für die nächsten 1 bis 5 Sekunden, stabil bleiben.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Maß für die Stabilität abhängig von mehreren erfassten Werten einer Betriebsbedingung bestimmt wird. Dies verbessert die Genauigkeit der Vorhersage zukünftiger Bedingungen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus der Information, die vom Sensor erfasst wurde, ein zu erwartender Betriebszustand bestimmt wird, wobei die Soll-Größe abhängig vom zu erwartenden Betriebszustand bestimmt wird. Dies ermöglicht den Füllstand im Katalysator für Betriebszustände zuverlässig zu beeinflussen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebs-Größe für eine Betriebsart der Brennkraftmaschine bestimmt wird abhängig von mindestens einer der folgenden Information über Navigationsdaten, Abstandsradardaten, Kameradaten, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine, eine Last der Brennkraftmaschine, einen Abgasmassenstrom in einem Abgassystem der Brennkraftmaschine, eine Temperatur eines Abgas der Brennkraftmaschine, eine Einspritzzeit für Kraftstoff in die Brennkraftmaschine, eine Schubabschaltung, einen Betrieb der

Brennkraftmaschine abgekoppelt von einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, eine Betriebsart eines Elektromotors für das Kraftfahrzeug, eine Zylinder- oder Zylinderbankabschaltung, eine Betriebsart der Brennkraftmaschine mit Einfach- oder Mehrfacheinspritzung. Diese Größen sind in vielen modernen

Kraftfahrzeugen ohnehin verfügbar und können besonders gut zur Vorhersage verwendet werden.

Bezüglich der Vorrichtung zur Regelung eines Füllstands eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Schnittstelle, einen Speicher und einen Prozessor umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, ein erstes Signal und ein zweites Signal an der Schnittstelle zu erfassen, und die Brennkraftmaschine abhängig von einer Soll-Größe für einen Füllstand zu regeln, wobei der Speicher

Instruktionen enthält, bei deren Ausführung durch den Prozessor eines der erwähnten Verfahren ausgeführt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden

Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch Teile eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 2 schematisch Schritte in einem Verfahren zur Regelung eines Sauerstoff- Füllstands eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine.

In der folgenden Beschreibung wird die Vorrichtung und das Verfahren am Beispiel eines Dreiwege-Katalysators einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Erfindung ist auch bei anderen Katalysatoren oder Brennkraftmaschinen anwendbar.

Figur 1 stellt schematisch Teile eines Kraftfahrzeugs 100 dar. Das Kraftfahrzeug 100 umfasst eine Brennkraftmaschine 102, deren Abgas durch einen Abgastrakt 104 ausgeleitet wird. Im Abgastrakt 104 ist ein Katalysator 106 angeordnet, durch den Abgas strömen kann. Zwischen einem Eingang des Katalysators 106, über den Abgas in den Katalysator 106 gelangt, und einem Eingang des

Abgastrakts 104, über den Abgas aus der Brennkraftmaschine 102 in den Abgastrakt gelangt, ist eine erste Lambda-Sonde 108 angeordnet, die einen ersten Sauerstoffgehalt im Abgas erfasst und daraus ein erstes Signal als Information über den ersten Sauerstoffgehalt bestimmt. Zwischen einem

Ausgang des Katalysators 106 und einem Ausgang des Abgastrakts 104 ist eine zweite Lambda-Sonde 1 10 angeordnet, die einen zweiten Sauerstoffgehalt im Abgas erfasst und daraus ein zweites Signal als Information über den zweiten Sauerstoffgehalt bestimmt. Mit dem ersten Signal und oder dem zweiten Signal wird beispielsweise der Sauerstoff-Fülltands im Katalysator 106 modelliert.

Beispielsweise wird mit dem ersten Signal und oder dem zweiten Signal ein Modell für den Sauerstoff-Füllstand gerechnet.

Eine Vorrichtung 112 zur Regelung eines Füllstands, insbesondere eines Sauerstoff-Füllstands im Katalysator 106 umfasst eine Schnittstelle 114, einen Speicher 1 16 und einen Prozessor 118. Die Vorrichtung 1 14 ist ausgebildet, das erstes Signal und das zweites Signal an der Schnittstelle 114 zu erfassen. Das erste Signal wird durch eine erste Signalleitung 120 zwischen der ersten

Lambda-Sonde 108 und der Schnittstelle 114 übertragen. Das zweite Signal wird durch eine zweite Signalleitung 122 zwischen der zweiten Lambda-Sonde 110 und der Schnittstelle 1 14 übertragen. Die Vorrichtung 1 12 ist ausgebildet, die Brennkraftmaschine 102 abhängig von einer Soll-Größe für den Füllstand für den Katalysator 106 zu regeln. Der Speicher 1 16 enthält Instruktionen, bei deren Ausführung durch den Prozessor 1 18 das im Folgenden anhand der Figur 2 beschriebene Verfahren ausgeführt wird. Die Schnittstelle 114 ist zudem ausgebildet, Information von wenigstens einem weiteren Sensor 124 zu empfangen, der mit der Schnittstelle über eine dritte Signalleitung 126 verbunden ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Lambda-Sonde 108, die zweite Lambda-Sonde 1 10 und/oder der weitere Sensor 124 über einen Kommunikationsbus, z.B. ein Controller Area Network oder eine FlexRay Verbindung angebunden sind. Ein Datenbus 128 verbindet die Schnittstelle 114, den Speicher 1 16 und den Prozessor 1 18.

Das in Figur 2 schematisch dargestellte Verfahren geht von einer Lambda- Regelung für die Brennkraftmaschine 102 aus, durch die der Katalysator 106 in einem Konvertierungsfenster um einen Lambda-Wert 1 betrieben werden kann. Von einem Aktuator oder mehreren Aktuatoren werden mittels Lambda-Regelung je nach Typ der Brennkraftmaschine Zündzeitpunkte, Einspritzzeitpunkt oder - dauer, Drosselklappenwinkel, Öffnungs- oder Schließzeiten der Einspritzventile, der Ein- oder der Auslassventile entsprechend geregelt. Beim Betrieb im

Konvertierungsfenster ist eine gleichzeitig hohe Konvertierungsrate für

Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxid im Dreiwegekatalysator, d. h. dem Katalysator 106, beim stöchiometrischen Betriebspunkt der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 102, d.h. einem Lambda-Wert 1 , möglich. Aufgrund sich abrupt ändernder Fahrsituationen muss auch die Verbrennung in der

Brennkraftmaschine 102 gelegentlich sehr rasch geändert werden. Aufgrund der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 106 und der dadurch entstehenden Totzeit für die Erfassung des Lambda-Werts an der zweiten Lambda-Sonde, wird ein Verlassen des Konvertierungsfensters von der herkömmlichen Lambda- Regelung zu spät erkannt. Eine Abhilfe schafft die im Folgenden beschriebene Regelung des Sauerstoff-Füllstands im Katalysator 106.

Zur Regelung des Sauerstoff-Füllstands des Katalysators 106 wird nach dem Start des Verfahrens in einem Schritt 202 zunächst das erste Signal von der ersten Lambda-Sonde 108 und das zweite Signal von der zweiten Lambda- Sonde 110 erfasst.

Anschließend wird ein Schritt 204 ausgeführt.

Im Schritt 204 wird die Information über den Betriebszustand des Kraftfahrzeugs vom wenigstens einem Sensor 124 erfasst. Der Sensor 124 erfasst zum Beispiel Navigationsdaten für das Kraftfahrzeug oder Fahrzeugumgebungsinformation. Beispielsweise erfasst der Sensor 124 Hindernisse, Verkehrszeichen,

Straßenbedingungen. Der Sensor 124 kann beispielsweise ein Abstandsradar oder eine Kamera sein. Damit kann beispielsweise ein bevorstehender Brems- oder Beschleunigungsvorgang vorausberechnet werden. Wie in den folgenden Schritten beschrieben, kann der Soll-Sauerstoff-Füllstand des Katalysators 106 derart eingestellt werden, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das

Konvertierungsfenster in den nächsten Sekunden verlassen wird, minimiert wird.

Anschließend wird ein Schritt 206 ausgeführt.

Im Schritt 206 wird eine zu erwartende Betriebs-Größe für den Saufstoff- Füllstand des Katalysators 106 ermittelt. Die zu erwartende Betriebs-Größe wird abhängig von der Information über den Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 100 erfasst. Die zu erwartende Betriebs-Größe wird beispielsweise abhängig von einer aktuellen Betriebsbedingung, einer zu erwartenden Betriebsbedingung und/oder einer vergangenen Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine 102 oder des Kraftfahrzeugs 100 und/oder abhängig von deren Änderung bestimmt.

Zusätzlich oder alternativ kann ein Maß für eine Stabilität der aktuellen

Betriebsbedingung, der zu erwartenden Betriebsbedingung und/oder der vergangenen Betriebsbedingung bestimmt werden. Die zu erwartende Betriebs- Größe kann in diesem Fall abhängig von einem Maß für eine Stabilität der aktuellen Betriebsbedingung bestimmt werden. Beispielsweise erfolgt eine Bewertung der Stabilität durch einen Vergleich mehrere nacheinander erfasster Werte für die vom wenigstens einen weiteren Sensor 124 erfasste Information über den Betriebszustand des Kraftfahrzeugs. Das Maß für die Stabilität kann auch abhängig von mehreren erfassten Werten der Betriebsbedingung bestimmt werden.

Zusätzlich oder alternativ kann aus der Information, die von dem Sensor 124 erfasst wurde, ein zu erwartender Betriebszustand bestimmt werden.

Beispielsweise wird aus Navigationsdaten zusätzlich vorausschauende

Fahrzeuginformation erfasst und ausgewertet. Dadurch lässt sich ein zukünftiger Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 100 oder der Brennkraftmaschine 102 mit großer Wahrscheinlichkeit richtig vorausberechnen. Als Betriebszustand kann eine Betriebsart der Brennkraftmaschine 102 für die nächsten Sekunden vorausberechnet werden. Beispiele für eine Betriebsart sind Gangwahl eines Getriebes in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 100 oder ein Zustand einer Start-Stopp-Funktion der Brennkraftmaschine. Optional wird die Betriebs-Größe für eine Betriebsart der Brennkraftmaschine 102 bestimmt abhängig von Information über Navigationsdaten,

Abstandsradardaten, Kameradaten, eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 102, eine Last der Brennkraftmaschine 102, einen Abgasmassenstrom in einem Abgassystem der Brennkraftmaschine 102, eine Temperatur eines Abgas der Brennkraftmaschine, einer Einspritzzeit für Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 102, eine Schubabschaltung, ein Betrieb der Brennkraftmaschine 102

abgekoppelt von einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeug, eine Betriebsart eines Elektromotors für das Kraftfahrzeug 100, eine Zylinder- oder

Zylinderbankabschaltung, eine Betriebsart der Brennkraftmaschine 102 mit Einfach- oder Mehrfacheinspritzung.

Anschließend wird ein Schritt 208 ausgeführt.

Im Schritt 208 wird die Soll-Größe abhängig von der zu erwartenden Betriebs- Größe bestimmt. Abhängig von der zu erwartenden Betriebs-Größe wird ein zu erwartender Sauerstoff-Füllstand im Katalysator 106 bestimmt. Dazu wird beispielsweise das Modell für den Sauerstoff-Füllstand gerechnet. Beispielsweise wird dabei geprüft, ob das Konvertierungsfenster beim zu erwartenden

Sauerstoff-Füllstand in den nächsten Sekunden verlassen würde. Wenn dies der Fall ist, ist beispielsweise bei zu erwartendem Sauerstoff-Überschuss im

Katalysator 106 ein fettes Gemisch für den Betrieb der Brennkraftmaschine 102 mit Luftmangel vorgebbar. Bei zu erwartendem Sauerstoff-Mangel ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine 102 mit magerem Gemisch für den Betrieb der

Brennkraftmaschine 102 mit Luftüberschuss möglich.

Falls in Schritt 206 die Stabilität der Betriebsbedingung bestimmt wurde, kann die Soll-Größe auch abhängig von der Stabilität bestimmt werden. Beispielsweise wird die Soll-Größe unabhängig von der zu erwartenden Betriebs-Größe bestimmt, wenn die Stabilität der Betriebsbedingung erkannt wurde.

Wenn aus der Information, die von dem weiteren Sensor 124 erfasst wurde, in Schritt 206 ein zu erwartender Betriebszustand bestimmt wurde, kann vorgesehen sein, die Soll-Größe abhängig vom zu erwartenden Betriebszustand zu bestimmen. Anschließend wird ein Schritt 210 ausgeführt.

Im Schritt 210 wird der Sauerstoff-Füllstand abhängig von der Soll-Größe für den Sauerstoff-Füllstand geregelt. Die Soll-Größe ist beispielsweise ein Soll- Sauerstoff-Füllstand oder ein Soll-Sauerstoff-Füllstandsprofil. Zur Regelung wird beispielsweise abhängig von der Soll-Größe wenigstens ein Aktuator der Brennkraftmaschine 102 zur Beeinflussung des Sauerstoff-Füllstands im

Katalysator 106 angesteuert. Der Aktuator beeinflusst beispielsweise das Gemisch zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine 102.

Anschließend wird der Schritt 202 ausgeführt.