DE10110500A1

DE10110500A1 - Verfahren zur Temperatursteuerung eines Katalysatorsystems

Info

Publication number: DE10110500A1
Application number: DE10110500A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-10-02
Also published as: EP1366278B1; CN1489669A; JP2004523688A; JP4467886B2; WO2002077430A1; US20040074228A1; US7051516B2; CN1308583C; EP1366278A1; DE50200961D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines in einem Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges angeordneten Katalysatorsystems (14, 16), bestehend aus mindestens einem Hauptkatalysator (16), insbesondere einem NO¶x¶-Speicherkatalysator, und gegebenenfalls einem oder mehreren Vorkatalysatoren (14). DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt, bei dem ein durch einen Fahrer angefordertes Fahrwunschmoment kleiner als ein Schubmoment des Fahrzeuges ist (Schubphase Ð¶s¶), eine Schubabschaltung durch Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (lambda) kleiner oder gleich 1,1 unterdrückbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines Katalysatorsystems mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 genannten Merkmalen.

Zur Nachbehandlung von Abgasen magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen ist bekannt, das Abgas über ein in einem Abgaskanal angeordnetes Katalysatorsystem, insbesondere ein NO_X-Katalysatorsystem, zu leiten. Das NO_X-Katalysatorsystem umfasst mindestens einen NO_X-Speicherkatalysator und üblicherweise einen oder mehrere vorgeschaltete Vorkatalysatoren. Dabei wird die Verbrennungskraftmaschine diskontinuierlich in mageren und fetten Lambdaintervallen betrieben, wobei Stickoxide (NO_X) des Abgases während der mageren Betriebsintervalle mit λ < 1 in den NO_X- Speicherkatalysator eingelagert werden und in den fetten Betriebsintervallen mit λ < 1 freigesetzt und reduziert werden (NO_X-Regeneration). Eine Konvertierung anderer Schadstoffbestandteile wie Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) erfolgt in bekannter Weise an katalytischen 3-Wege-Komponenten des Vor- und/oder des NO_X-Speicherkatalysators.

Verglichen mit reinen 3-Wege-Katalysatorsystemen sind NO_X-Katalysatorsysteme verhältnismäßig temperaturempfindlich. So kann bereits bei stromauf des NO_X- Speicherkatalysators vorliegenden Abgastemperaturen oberhalb von 800°C eine irreversible Schädigung des Katalysatorsystems erfolgen, so dass die Katalysatoraktivität über die Fahrzeuglebensdauer deutlich abnimmt. Dies betrifft sowohl die NO_X-Speicherung und -Regeneration während der mageren und fetten Betriebsintervalle als auch das HC-, CO- und NO_X-Konvertierungsverhalten bei stöchiometrischer Beaufschlagung. Um das Überschreiten einer kritischen Temperaturgrenze zu vermeiden, sind Abgaskühlungsmaßnahmen zur Senkung der Abgastemperatur bekannt. Eine weitere bekannte Maßnahme zur Verringerung der Abgastemperatur besteht in einer Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf λ < 1.

Ein besonderes Problem hinsichtlich der Temperaturbelastung des NO_X-Katalysatorsystems stellen im üblichen Fahrbetrieb unvermeidbare Schubphasen dar, die beispielsweise bei Verzögerungen des Fahrzeuges oder auf Gefällestrecken auftreten können, wobei ein vom Fahrer vorgegebenes Fahrwunschmoment kleiner als ein momentanes Schubmoment des Fahrzeuges ist. Während einer Schubphase wird die Kraftstoffzufuhr üblicherweise unterbrochen und die Verbrennungskraftmaschine nicht gefeuert betrieben (Schubabschaltung). Somit gelangen hohe Sauerstoffkonzentrationen ins Abgas und an das Katalysatorsystem, welches zu Beginn der Schubphase, insbesondere nach einem Hoch- oder Volllastbetrieb, noch hohe HC-Massen enthält. Infolge der exothermen Konvertierungsreaktion von HC mit dem Sauerstoff entstehen lokale Temperaturspitzen, welche zu einer verstärkten Oxidation und/oder Sinterung der katalytischen Edelmetallbeschichtungen führen und somit die katalytische Aktivität dauerhaft schädigen können. Dieses Problem ist umso gravierender, je höher die während einer der Schubphase vorausgegangenen Fahrzeugvortriebphase erreichten Temperaturen des Katalysatorsystems sind, das heißt insbesondere nach einem Hochlast- oder Volllast- Fahrzeugbetrieb. Das schädigende Potential der Schubabschaltung zeigt sich in Motorprüfstandsuntersuchungen, bei denen Belastungszyklen, bestehend aus hohen Lasten und hohen Abgastemperaturen im Wechsel mit ungefeuerten Schubphasen, zu einer stärkeren Desaktivierung des NO_X-Speicherkatalysatorsystems führen als entsprechende Belastungszyklen ohne zwischengeschaltete Schubphasen.

Um die schädigenden Auswirkungen der massiven Sauerstoffbeaufschlagung der Katalysatoren in Schubphasen zu mindern, ist bekannt, im gefeuerten Hoch- und Volllastbetrieb eine besonders intensive Gemischanreicherung durchzuführen. Hierdurch wird das Ausgangsniveau der Katalysatortemperatur zu Beginn einer Schubphase so niedrig gehalten, dass die aus der Sauerstoffbeaufschlagung resultierende Zusatzbelastung die kritische Katalysatorbelastbarkeit nicht erreicht. Diese starke Gemischanreicherung im Hochlastbetrieb zur Kompensation der negativen Auswirkungen der Schubabschaltung führt aber zu einem deutlichen Kraftstoffmehrverbrauch. Um diesen gering zu halten, ist ferner bekannt, die Höhe der Gemischanreicherung in Abhängigkeit von der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur zu regeln. Dabei wird etwa bei kurzen Hochlastbeschleunigungen und vergleichsweise niedrigen, unkritischen Katalysatortemperaturen eine geringere Gemischanreicherung eingestellt als bei einem gleichen Betriebspunkt, bei dem die Abgas- oder Katalysatortemperatur sich bereits nahe der kritischen Temperatur bewegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines Katalysatorsystems zur Verfügung zu stellen, welches schädigende Temperaturspitzen in Schubphasen, insbesondere nach einem Hoch- oder Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine weitgehend vermeidet. Das Verfahren sollte darüber hinaus einen Kraftstoffverbrauch möglichst gering halten, den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit nicht beeinträchtigen und sich einfach in ein Motorsteuerungskonzept integrieren lassen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem Betriebspunkt, bei dem ein durch einen Fahrer angefordertes Fahrwunschmoment kleiner als ein Schubmoment des Fahrzeuges ist (Schubphase), eine Schubabschaltung durch Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda kleiner oder gleich 1,1 unterdrückbar ist. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Beaufschlagung mit λ ≦ 1,00 erwiesen.

Liegt also betriebsbedingt, beispielsweise bei einem Bremsvorgang oder einem Gefälle, eine Schubphase vor, bei der nach herkömmlichen Verfahren grundsätzlich eine Schubabschaltung durchgeführt wird, so kann erfindungsgemäß diese unterdrückt werden, indem die Verbrennungskraftmaschine durch Beaufschlagung mit einem Luft-Kraftstoff- Gemisch gefeuert betrieben wird. Auf diese Weise wird bei einem nur geringen Mehrverbrauch gegenüber der ungefeuerten Schubabschaltung eine hohe Sauerstoffbeaufschlagung des Katalysatorsystems und damit schädigende Temperaturspitzen im Schub unterdrückt. Eine Katalysatorlebensdauer kann somit signifikant erhöht werden. Das Verfahren ist für NO_X-Katalysatorsysteme aufgrund der besonderen Temperaturempfindlichkeit von NO_X-Speicherkatalysatoren besonders vorteilhaft.

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während einer gefeuerten Schubphase wird gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens vorzugsweise im Bereich von λ = 0,95 bis 1,00 vorgegeben. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Luft-Kraftstoff- Verhältnis während der gefeuerten Schubphase in Abhängigkeit von einer gemessenen oder berechneten Temperatur des Abgases und/oder des NO_X-Katalysatorsystems vorgegeben. Liegt zu Beginn der Schubphase die Temperatur mindestens einer Komponente des Katalysatorsystems bereits verhältnismäßig nah an einer katalysatorspezifischen kritischen Temperaturschwelle, so wird ein verhältnismäßig niedriger Lambdawert, das heißt eine starke Gemischanreicherung, für die Schubphase vorgegeben, um die Temperatur möglichst stark abzusenken. Liegt hingegen eine relativ niedrige Temperatur des Abgases und/oder des Katalysatorsystems vor, kann ein Lambdawert nahe 1 vorgegeben werden. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass die Unterdrückung der Schubabschaltung nicht erfolgt, die Schubabschaltung also freigegeben wird, wenn die Temperatur des Abgases und/oder des NO_X-Katalysatorsystems eine vorgebbare niedrige Temperaturschwelle nicht übersteigt. Dabei wird es in der Regel zweckmäßig sein, abhängig von einer konkreten Katalysatorbeschaffenheit, insbesondere von einer Katalysatorbeschichtung und/oder einem Katalysatorträger, unterschiedliche Temperaturschwellen für Vor- und Haupt- beziehungsweise NO_X-Speicherkatalysator vorzugeben.

Die Vermeidung von Temperaturspitzen durch Unterdrückung der Schubabschaltung in Schubphasen erlaubt es, eine maximal zulässige Temperatur des Abgases und/oder des Katalysatorsystems im gefeuerten Hoch- und/oder Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (Fahrzeugvortrieb) gegenüber dem Stand der Technik anzuheben und eine sich somit einstellende geringere maximale Gemischanreicherung zu erzielen. Dabei wird vorliegend unter dem Begriff Fahrzeugvortrieb eine Betriebsphase verstanden, in der die Verbrennungskraftmaschine positive Arbeit verrichtet, sich also nicht in einer Schubphase befindet. Speziell für NO_X-Katalysatorsysteme hat sich eine gegenüber dem Stand der Technik um 30 bis 150 K, insbesondere eine um 50 bis 100 K, erhöhte maximale Abgas- und/oder Katalysatortemperatur bewährt, was einer Anhebung des sich infolge der Gemischanreicherung zur Einhaltung der Temperaturvorgabe einstellenden Lambdawertes im gefeuerten Betrieb um Δλ = 0,036 bis 0,18, insbesondere um 0,06 bis 0,12 entspricht. Im konkreten Fall ist die Vorgabe einer maximal zulässigen Temperatur des Abgases stromauf des Vorkatalysators in einer Fahrzeugvortriebsphase der Verbrennungskraftmaschine von 920 bis 1040°C, vorzugsweise von 950 bis 1000°C vorgesehen. Entsprechend kann eine maximal zulässige Temperatur des Abgases stromauf des NO_X-Speicherkatalysators im Fahrzeugvortrieb von 830 bis 920°C, insbesondere von 850 bis 880°C, festgelegt werden. Durch Anhebung der maximal zulässigen Temperatur im Fahrzeugvortrieb kann der durch die gefeuerten Schubphasen verursachte Kraftstoffmehrverbrauch weitgehend kompensiert oder sogar überkompensiert werden. Trotz des insgesamt höheren Temperaturniveaus erreicht die Temperatur des Katalysatorsystems wegen der unterdrückten Temperaturspitzen in der Schubphase nicht den kritischen Temperaturbereich.

Die letztgenannte Ausgestaltung des Verfahrens kann besonders vorteilhaft noch dahingehend weiterentwickelt werden, dass auch während der gefeuerten Schubphase die Verbrennungskraftmaschine mit einem sich in Abhängigkeit der vorgegebenen maximal zulässigen Temperatur des Abgases und/oder des NO_X-Katalysatorsystems einstellenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis beaufschlagt wird. Der sich durch diese Maßnahme ergebende relativ niedrige Lambdawert während der Schubphase von üblicherweise 0,7 bis 0,95, insbesondere von 0,8 bis 0,9, führt zwar gegenüber der letztgenannten Ausgestaltung des Verfahrens zu einer geringfügigen Minderung des erzielten Verbrauchsvorteils, fördert aber aufgrund noch geringerer Restsauerstoffgehalte im Schub die Lebensdauer des Katalysatorsystems. Temperaturspitzen werden wegen des unter Last und im Schub sich nahezu gleich einstellenden Lambdawertes praktisch vollständig eliminiert.

Ein Problem kann sich daraus ergeben, dass durch die Feuerung der Schubphasen stets ein gewisses Nutzmoment erzeugt wird, wodurch etwa eine vom Fahrer erwartete Geschwindigkeitsreduzierung in der Schubphase geringer ausfällt als erwartet. Dieses Problem kann durch eine weitere Weiterbildung des Verfahrens abgeschwächt werden, indem ein in der Schubphase erzeugtes Nutzmoment durch Verschiebung eines Zündzeitpunktes in Richtung "spät" und somit Verminderung des Motorwirkungsgrades zumindest teilweise kompensiert wird. Da durch die Spätzündung jedoch gleichzeitig die Abgastemperatur ansteigt, ist diese Maßnahme nur in begrenztem Umfang zur Vermeidung des Nutzmomentes zweckmäßig.

Das Nutzmoment ist besonders auf Gefällestrecken unerwünscht, da hier eine Gefährdung der aktiven Fahrsicherheit durch verlängerte Verzögerungswege auftreten kann. Ferner ist hier die schädigende Wirkung der höheren Abgastemperatur besonders ausgeprägt, da einer Gefällestrecke oftmals eine Vollgassteigungsstrecke vorausgeht, bei der maximale Drehzahlen und Abgastemperaturen erreicht werden. Gemäß einem besonders bevorzugten Verfahrens ist daher ferner vorgesehen, dass die Unterdrückung der Schubabschaltung und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Schubphase und/oder eine maximal zulässige Temperaturvorgabe für das Abgas und/oder das Katalysatorsystem während der Schubphase in Abhängigkeit von einer Abweichung einer Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung von einer, entsprechend einem aktuellen Motormoment in der Ebene zu erwartenden Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Soll- Fahrzeugbeschleunigung gesteuert wird. Demnach wird etwa durch Vergleich der tatsächlichen momentanen Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Soll- Fahrzeuggeschwindigkeit, die in Abhängigkeit von dem von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Moment für das Fahren in der Ebene ermittelt wird, zunächst eine Steigungs- beziehungsweise Gefälleerkennung durchgeführt. Hiervon wird abhängig gemacht, ob die erfindungsgemäße Unterdrückung der Schubabschaltung zugelassen wird, und wenn ja, mit welchem Luft-Kraftstoff-Verhältnis die Verbrennungskraftmaschine während der Schubphase gefeuert wird. Abhängig von dem erkannten Gefälle kann somit die Nutzmomenterzeugung vollständig oder teilweise unterbunden werden.

Es ist insbesondere vorgesehen, die Unterdrückung der Schubabschaltung aufzuheben, das heißt die Schubabschaltung zuzulassen, wenn das anhand der Abweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder -beschleunigung von der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder -beschleunigung erkannte Gefälle einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird ein übermäßig langer Bremsweg bei starken Gefällen vermieden. Ist umgekehrt die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder -beschleunigung niedriger als die Soll- Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder -beschleunigung in der Ebene, so liegt eine Steigungsstrecke vor und die Unterdrückung der Schubabschaltung ist zulässig.

Es kann ferner vorgesehen sein, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Schubphase und/oder die Vorgabe der maximal zulässigen Temperatur des Abgases und/oder des Katalysatorsystems in Abhängigkeit von dem erkannten Gefälle zu variieren. Dabei wird insbesondere das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder die maximale Temperaturvorgabe mit zunehmendem Gefälle stufenweise oder kontinuierlich zunächst bis auf λ = 1,00 angehoben, ehe bei Erreichen des vorgebbaren Grenzwertes die Schubabschaltung durchgeführt wird, das heißt Lambda auf zumindest nahe unendlich angehoben wird.

Die für die Gefälleerkennung notwendige Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit beziehungsweise -beschleunigung kann in bekannter Weise beispielsweise über die Motordrehzahl und einen eingelegten Gang und/oder anhand einer von Raddrehzahlsensoren gemessenen Raddrehzahl und einem dynamischen Radhalbmesser ermittelt werden. Abweichende Verfahren zur Geschwindigkeitserfassung sind ebenso denkbar. Die theoretische Soll- Fahrzeuggeschwindigkeit beziehungsweise -beschleunigung in der Ebene wird vorzugsweise in Abhängigkeit eines von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen und von der Motorsteuerung ermittelten Momentes ermittelt. Alternativ können als Ersatzgröße auch andere das Motormoment näherungsweise beschreibende Motorsteuerungsgrößen herangezogen werden, beispielsweise eine Fahrpedalstellung, die eingespritzte Kraftstoffmenge, ein Luftmassenmessersignal sowie ein Abgaslambdasignal. Das Motormoment beziehungsweise die Ersatzgröße wird dann mit einer Drehzahländerung bei Fahrzeugbetrieb in der Ebene mit Hilfe eines gespeicherten Kennfeldes korreliert. Weitere erforderliche Kennwerte wie Fahrzeugmasse, Luftwiderstandsbeiwert oder Rollwiderstandsbeiwert können als Festwerte beziehungsweise als Funktion der ermittelten Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit beziehungsweise -beschleunigung im Motorsteuergerät ebenfalls abgelegt werden. Die Vorgehensweise zur Ermittlung der Soll- Fahrzeuggeschwindigkeit oder -beschleunigung in der Ebene ist in ihren Grundzügen aus der Steuerung von Schaltvorgängen bei Automatikgetrieben bekannt und soll nicht weiter erläutert werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem Abgastrakt;

Fig. 2 zeitliche Verläufe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Katalysatortemperatur sowie einer Fahrzeuggeschwindigkeit während einer Schubphase mit Schubabschaltung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 zeitliche Verläufe der Größen gemäß Fig. 2 nach einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeitliche Verläufe der Größen gemäß Fig. 2 nach einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeitliche Verläufe der Größen gemäß Fig. 2 nach einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 gefälleabhängige Verläufe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sowie eines Zündwinkels während eines Schubs und während eines Fahrzeugvortriebs gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und

Fig. 7 gefälleabhängige Verläufe der Größen gemäß Fig. 6 nach einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem ihr nachgeschalteten Abgaskanal 12. Zur Reinigung eines von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommenden Abgases beherbergt der Abgaskanal 12 einen motornahen, kleinvolumigen Vorkatalysator 14, typischerweise ein 3-Wege-Katalysator, sowie einen diesem nachgeschalteten großvolumigen NO_X-Speicherkatalysator 16. Der NO_X-Speicherkatalysator 16 wird diskontinuierlich mit mageren und fetten Abgasatmosphären beaufschlagt, wobei in den mageren Betriebsphasen eine Einlagerung von Stickoxiden NOx stattfindet und in den fetten Betriebsphasen eine NO_X-Regeneration und -konvertierung. Die Regelung der Mager- Fett-Zyklen sowie des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses Lambda erfolgt typischerweise mit Hilfe einer stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Lambdasonde 18 sowie eines weiteren Gassensors 20, der stromab des NO_X-Speicherkatalysators 16 installiert ist. Der Gassensor 20 kann ebenfalls eine Lambdasonde oder vorzugsweise ein NO_X-Sensor sein. Ein Temperatursensor 22 ermittelt eine Abgastemperatur vor dem NO_X- Speicherkatalysator 16. Die von den Sensoren 18, 20, 22 bereitgestellten Signale sowie verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 finden Eingang in ein Motorsteuergerät 24, welches anhand gespeicherter Algorithmen und Kennfelder den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 steuert.

Fig. 2 verdeutlicht anhand des Verlaufes verschiedener Kenngrößen die katalysatorschädigende Temperaturbelastung während einer gemäß dem Stand der Technik zugelassenen Schubabschaltung. Der Graph 100 zeigt den Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit v. Die Geschwindigkeit v befindet sich zunächst auf einem konstanten hohen Niveau, nimmt dann in einer Verzögerungsphase kontinuierlich ab, beispielsweise weil der Fahrer eine Gasanforderung zurücknimmt, um schließlich ein konstant niedriges Niveau anzunehmen. Das Fahrzeug befindet sich während der Verzögerungsphase in einer Schubphase τ_S, in der das angeforderte Fahrwunschmoment kleiner ist als ein momentanes, vom Fahrzeug erbrachtes Schubmoment. Der zeitliche Verlauf des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ ist mit Graph 102 dargestellt. Während des anfänglichen Hochlastbetriebes erfolgt eine verhältnismäßig starke Gemischanreicherung mit λ < 1. Während der Schubphase τ_S, in welcher der Motor keine Arbeit verrichtet und die Fahrzeuggeschwindigkeit v allein durch das Schubmoment aufrechterhalten wird, erfolgt eine Schubabschaltung, indem eine Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird. Infolgedessen nimmt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einen zumindest nahezu unendlich positiven Wert an. Wegen der in der Schubabschaltung hohen Sauerstoffkonzentration des Abgases kommt es zu intensiven Konvertierungsreaktionen von zunächst noch hohen HC-Mengen an den Katalysatoren 14, 16. Graph 104 stellt den Verlauf der lokalen Temperatur in einer Beschichtung (Washcoat) in der Reaktionszone des NO_X-Speicherkatalysators 16 dar. Hier zeigt sich, dass nach einer anfänglich konstanten Katalysatortemperatur T im Hochlastbetrieb eine intensive Temperaturspitze zu Beginn der ungefeuerten Schubphase τ_S auftritt. In Abhängigkeit von der vor der Schubabschaltung vorliegenden Ausgangstemperatur kann diese dabei einen kritischen Temperaturbereich (schraffiert dargestellt) erreichen, in welchem der Katalysator 16 irreversibel geschädigt werden kann.

Um Temperaturspitzen in Schubphasen wirkungsvoll zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die Schubabschaltung in Schubphasen unter bestimmten Voraussetzungen unterdrückt, indem die Verbrennungskraftmaschine 10 während der Schubphase τ_S gefeuert betrieben wird. Dieses Prinzip ist in seiner einfachsten Ausführung in Fig. 3 anhand des gleichen Profils der Fahrzeuggeschwindigkeit v wie in Fig. 2 dargestellt (Graph 100). Gemäß dieser Ausführung wird während der Schubphase τ_S ein konstanter Lambdawert, der vorzugsweise zwischen λ = 0,95 und λ = 1,00 liegt, eingeregelt (Graph 102'). Während der Schubphase τ_S wird die Verbrennungskraftmaschine 10 demnach mit einem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis oder einem geringen Kraftstoff-Überschuss betrieben, so dass der vorhandene Sauerstoff beim Verbrennungsvorgang weitgehend verbraucht wird. Infolgedessen kann, wie anhand von Graph 104' ersichtlich ist, das Auftreten von Temperaturspitzen in der Schubphase τ_S nahezu vollständig unterdrückt werden. Zum Vergleich ist in Fig. 3 auch der Temperaturverlauf 104 bei Schubabschaltung gemäß Fig. 2 wiedergegeben. Das Fehlen von ausgeprägten Temperaturspitzen in Fig. 3 erlaubt eine signifikante Verlängerung der Lebensdauer des Katalysatorsystems und die Gewährleistung einer ausreichenden katalytischen Aktivität über die Lebensdauer. Allerdings verursacht die Feuerung der Schubphase τ_S einen gewissen Kraftstoffmehrverbrauch gegenüber der Zulassung der Schubabschaltung gemäß Fig. 2. Um dem Kraftstoffmehrverbrauch zu minimieren, ist daher zweckmäßig vorgesehen, die Unterdrückung der Schubabschaltung von der gemessenen oder berechneten aktuellen Temperatur des NO_X-Katalysatorsystems 14, 16 oder des Abgases abhängig zu machen. Dabei wird die Unterdrückung der Schubabschaltung nur zugelassen, wenn die zu Beginn der Schubphase τ_S vorliegende Temperatur bereits verhältnismäßig hoch, insbesondere 700°C, vorzugsweise 750°C, ist. Ferner kann die Lambdavorgabe während der Schubphase τ_S proportional zur vorliegenden Temperatur festgesetzt werden.

Eine Weiterentwicklung des in Fig. 3 dargestellten Prinzips zeigt Fig. 4 bei wiederum identischem Geschwindigkeitsprofil 100. Zusätzlich zur Unterdrückung der Schubabschaltung während der Schubphase τ_S erfolgt eine Anhebung einer maximal zulässigen Temperaturvorgabe des Abgases und/oder des Katalysatorsystems während des Hochlastbetriebs (Nichtschubbetrieb) um 30 bis 150 K, insbesondere um 50 bis 100 K, gegenüber den vorausgegangenen Beispielen. Ausgehend von einer üblichen zugelassenen Abgastemperatur vor NO_X-Speicherkatalysator von etwa 800°C entspricht dies einer Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 14 von 920 bis 1040°C, insbesondere 950 bis 1000°C. Die Anhebung der zulässigen Katalysatortemperatur führt zu einem insgesamt angehobenen Temperaturniveau (Graph 104") gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Ausführung. Dennoch wird wegen der weitgehend unterdrückten Temperaturspitze in der Schubphase τ_S der in der Darstellung schraffierte, kritische Temperaturbereich nicht erreicht und das Katalysatorsystem daher gegenüber der vorhergehend erläuterten Variante nicht wesentlich stärker temperaturbelastet. Vorteil dieser Ausführung ist der sich infolge der Temperaturmaßgabe einstellende höhere Lambdawert (Graph 102") und somit eine Kompensation oder sogar Überkompensation des durch den gefeuerten Schubbetrieb verursachten Kraftstoffmehrverbrauchs.

In Weiterentwicklung der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform zeigt Fig. 5 die Lambda- und Temperaturverläufe (102''' und 104'''), wenn statt einer festen Lambdavorgabe auch während der Schubphase τ_S eine sich in Abhängigkeit der maximalen Temperaturvorgabe für das Abgas und/oder das NO_X-Katalysatorsystem 14, 16 einstellende Lambdawert zugelassen wird. Diese Maßnahme führt üblicherweise zu Lambdawerten zwischen 0,7 und 0,95 während der Schubphase τ_S. insbesondere von 0,8 bis 0,9. Diese in der Schubphase τ_S resultierende stärkere Gemischanreicherung führt zwar zu einem teilweisen Verlust der Kraftstoffeinsparung gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, bewirkt aber wegen des unter Last und im Schub nahezu gleichen Lambdawertes eine zumindest nahezu vollständige Eliminierung von Temperaturspitzen zugunsten der Katalysatorlebensdauer.

Zwei weitere Ausführungsbeispiele tragen dem Problem eines durch den gefeuerten Schub erzeugten Nutzmomentes auf Gefällestrecken Rechnung. Hierbei ist vorgesehen, eine Gefälleerkennung durchzuführen, indem eine Abweichung Δv einer berechneten Soll- Fahrgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung in der Ebene (v_Soll) von einer aktuellen Ist- Fahrgeschwindigkeit (v_Ist) und/oder -beschleunigung ermittelt wird. In Fig. 6 zeigt der Graph 106 den Lambdaverlauf in einer Schubphase τ_S, der in Abhängigkeit von der ermittelten Geschwindigkeitsabweichung Δv geregelt wird. Solange das ermittelte Gefälle kleiner als ein vorgebbares kritisches Gefälle Δv_k ist, erfolgt eine Unterdrückung der Schubabschaltung, indem die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Lambda < 1 gefeuert betrieben wird. Gleichzeitig erfolgt die Zündung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ bei einem konstanten Zündzeitpunkt bei einem Kurbelwellenwinkel KWW vor dem oberen Totpunkt OT (Graph 110). Ist das Gefälle größer als Δv_k, so wird die Schubabschaltung zugelassen, resultierend in einen gegen Unendlich gehenden Lambdawert im Schub. Hierdurch wird eine durch das Nutzmoment hervorgerufene Verlängerung eines Verzögerungsweges und sich daraus ergebende Gefährdungen oder Irritationen des Fahrers vermieden. Die Zulassung der Schubabschaltung und/oder die Vorgabe des kritischen Gefälles Δv_k kann in Abhängigkeit der aktuellen Abgas- oder Katalysatortemperatur gesteuert werden. Graph 108 zeigt den gefälleabhängigen Lambdaverlauf im gefeuerten Fahrzeugvortrieb, wenn also keine Schubsituation vorliegt. Hier ist vorgesehen, oberhalb des kritischen Gefälles Δv_k die maximal zulässige Abgas- und/oder Katalysatortemperatur abzusenken, woraus sich entsprechend der erforderlichen Kühlung eine Lambdaabsenkung ergibt. Die Temperatur- beziehungsweise Lambdaabsenkung im Fahrzeugvortrieb bringt den Vorteil, dass bei einem Gefälle oberhalb von ΔV_k problemlos eine Schubabschaltung durchgeführt werden kann, wenn eine Schubphase τ_S einsetzt, ohne dass die dann aus der Sauerstoffbeaufschlagung resultierende Temperaturspitze den kritischen Temperaturbereich erreicht.

Gemäß einer weiteren, in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch λ während der gefeuerten Schubphase mit zunehmendem Gefälle kontinuierlich zunächst bis zu einem Lambda = 1 angehoben (Graph 106'). Gleichzeitig wird der Zündzeitpunkt gemäß Graph 110 bis zu einem Kurbelwellenwinkel KWW nach dem oberen Totpunkt OT verschoben, um einen Wirkungsgrad der Verbrennung und somit das entstehende Nutzmoment zu verringern. Wiederum wird bei Überschreiten des vorgegebenen kritischen Gefälles Δv_k die Schubabschaltung zugelassen. Befindet sich das Fahrzeug hingegen unter Motorlast (Nicht-Schub), wird die maximal zulässige Abgas- und/oder Katalysatortemperatur mit zunehmendem Gefälle kontinuierlich gesenkt, woraufhin sich gemäß Graph 108' ein abnehmender Lambdaverlauf einstellt. Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Verfahren führen ohne nennenswerte Verbrauchseinflüsse zu einer verbesserten Katalysatorlebensdauer. Alle Vorgänge können auch bedarfsgerecht auf den Katalysatorzustand, insbesondere die Katalysatortemperatur oder eine bereits bestehende Vorschädigung, abgestimmt werden. Dabei bietet das in Fig. 7 dargestellte Verfahren die beste Abstimmung hinsichtlich des Fahrverhaltens.

Sinngemäß sind die vorstehend beschriebenen Verfahrensausführungen auch auf Katalysatorsysteme auf 3-Wege-Basis anwendbar. Ebenso ist die Verwendung von Vorkatalysatoren nicht zwingend erforderlich.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgaskanal

14

Vorkatalysator

16

Hauptkatalysator/NO_X

-Speicherkatalysator

18

Lambdasonde

20

NO_X

-Sensor

22

Temperatursensor

24

Motorsteuergerät

100

zeitlicher Verlauf Fahrzeuggeschwindigkeit

102

zeitlicher Lambdaverlauf

104

zeitlicher Temperaturverlauf (Katalysatortemperatur)

106

gefälleabhängiger Lambdaverlauf im Schub

108

gefälleabhängiger Lambdaverlauf im Fahrzeugvortrieb

110

gefälleabhängiger Verlauf des Zündzeitpunktes
KWW Kurbelwellenwinkel
λ Luft-Kraftstoff-Verhältnis
OT oberer Totpunkt
t Zeit
T Katalysatortemperatur
τ_S

Schubphase
v Fahrzeuggeschwindigkeit
v_Ist

tatsächliche Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit
v_Soll

theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit in der Ebene (Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit)
Δv Abweichung/Gefälle
Δv_k

kritisches Gefälle

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines in einem Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges angeordneten Katalysatorsystems (14, 16), bestehend aus mindestens einem Hauptkatalysator (16) und gegebenenfalls einem oder mehreren Vorkatalysatoren (14), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebspunkt, bei dem ein durch einen Fahrer angefordertes Fahrwunschmoment kleiner als ein Schubmoment des Fahrzeuges ist (Schubphase τ_S), eine Schubabschaltung durch Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) kleiner oder gleich 1,1 unterdrückbar ist.

2. Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines in einem Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeuges angeordneten Katalysatorsystems (14, 16), bestehend aus mindestens einem Hauptkatalysator (16) und gegebenenfalls einem oder mehreren Vorkatalysatoren (14), dadurch gekennzeichnet, dass

a) in einem Betriebspunkt, bei dem ein durch einen Fahrer angefordertes Fahrwunschmoment kleiner als ein Schubmoment des Fahrzeuges ist (Schubphase, τ_S), eine Schubabschaltung durch Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) kleiner oder gleich eins unterdrückbar ist und
b) die Unterdrückung der Schubabschaltung und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) während der Schubphase (τ_S) und/oder eine maximal zulässige Temperaturvorgabe (T_max) für das Abgas und/oder das Katalysatorsystem (14, 16) während der Schubphase in Abhängigkeit von einer Abweichung (Δv) einer Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Ist) und/oder Ist-Fahrzeugbeschleunigung von einer, entsprechend einem aktuellen Motormoment in der Ebene zu erwartenden Soll- Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Soll) und/oder Soll-Fahrzeugbeschleunigung gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptkatalysator (16) ein NO_X-Speicherkatalysator eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) während der Schubphase (τ_S) mit einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis (λ) kleiner oder gleich 1,05, insbesondere kleiner oder gleich 1,02, beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) während der Schubphase (τ_S) mit einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis (λ) von 0,95 bis 1,00 beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) während der Schubphase (τ_S) in Abhängigkeit von einer gemessenen oder berechneten Temperatur (T) des Abgases und/oder des Katalysatorsystems (14, 16) vorgebbar ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdrückung der Schubabschaltung nicht erfolgt, wenn die Temperatur (T) des Abgases und/oder des Katalysatorsystems (14, 16) eine vorgebbare Temperaturschwelle nicht übersteigt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fahrzeugvortrieb (Nicht-Schubphase) der Verbrennungskraftmaschine (10) eine maximal zulässige Temperatur (T_max) des Abgases vor dem Vorkatalysator (14) von 920 bis 1040°C, insbesondere von 950 bis 1000°C, vorgegeben wird und das Luft- Kraftstoff-Verhältnis (λ) in Abhängigkeit von der Temperaturvorgabe (T_max) regelbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fahrzeugvortrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) eine maximal zulässige Temperatur (T_max) des Abgases vor dem NO_X-Speicherkatalysator (14) von 830 bis 920°C, insbesondere von 850 bis 880°C, festgelegt wird und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) in Abhängigkeit von der Temperaturvorgabe (T_max) regelbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schubphase (τ_S) die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem sich in Abhängigkeit der vorgegebenen maximal zulässigen Temperatur (T_max) des Abgases und/oder des Katalysatorsystems (14, 16) einstellenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) beaufschlagbar ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Unterdrückung der Schubabschaltung in der Schubphase erzeugtes Nutzmoment durch eine Spätverschiebung eines Zündzeitpunktes zumindest teilweise kompensiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schubphase (τ_S) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) und/oder eine maximal zulässige Temperaturvorgabe (T_max) für das Abgas und/oder das Katalysatorsystem (14, 16) mit einem anhand der Abweichung (Δv) der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Ist) und/oder Ist- Fahrzeugbeschleunigung von der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Soll) und/oder Soll- Fahrzeugbeschleunigung erkanntem, zunehmenden Gefälle stufenweise oder kontinuierlich angehoben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schubphase (τ_S) die Unterdrückung der Schubabschaltung aufgehoben wird, wenn das erkannte Gefälle einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schubphase (τ_S) der Zündzeitpunkt mit zunehmenden Gefälle stufenweise oder kontinuierlich spätverschoben wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fahrzeugvortrieb (Nicht-Schubphase) der Verbrennungskraftmaschine (10) eine maximal zulässige Temperaturvorgabe (T_max) des Abgases und/oder des Katalysatorsystems (14, 16) mit zunehmenden Gefälle stufenweise und/oder kontinuierlich absenkbar ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die theoretische Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Soll) und/oder Soll- Fahrzeugbeschleunigung in der Ebene in Abhängigkeit eines von der Verbrennungskraftmaschine (10) abgegebenen Momentes oder einer mit diesem korrelierenden Größe anhand von gespeicherten Kennwerten und/oder Kennfeldern ermittelt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit (v_Ist) und/oder Ist-Fahrzeugbeschleunigung anhand einer Motordrehzahl und einem eingelegten Gang und/oder anhand einer von mit Raddrehzahlsensoren gemessenen Raddrehzahl und einem dynamischen Radhalbmesser ermittelt wird.