DE10117434A1 - Verfahren zur Steuerung eines Betriebsmodus einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Steuerung eines Betriebsmodus einer magerlauffähigen VerbrennungskraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebsmodus einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Abgastrakt (14), der mindestens einen NO¶x¶-Speicherkatalysator (20) und einem diesem nachgeschalteten Gassensor (24) umfasst. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass DOLLAR A - ein Magerbetriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine (10) mit lambda > 1 in Abhängigkeit von vorgebbaren Schwellenwerten für eine Temperatur (TSK) des NO¶x¶-Speicherkatalysators (20) und für mindestens einen weiteren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder des Abgastraktes (14) zugelassen wird und DOLLAR A - mindestens ein Schwellwert in Abhängigkeit einer aktuellen NO¶x¶-Speicher- und/oder NO¶x¶-Konvertierungsfähigkeit des NO¶x¶-Speicherkatalysators (20) variiert wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebsmodus einer
magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruchs 1.
Zur Senkung eines Kraftstoffverbrauchs werden heutige Verbrennungskraftmaschinen über
möglichst weite Betriebsbereiche in einem mageren Betriebsmodus betrieben, das heißt mit
einem Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Luftüberschuss (λ < 1). Im Falle von
Verbrennungskraftmaschinen, die über eine Kraftstoffdirekteinspritzung verfügen, können
durch Realisierung eines so genannten Schichtladebetriebes, bei dem der eingespritzte
Kraftstoff sich im Wesentlichen im Bereich einer Zündkerze eines Zylinders konzentriert,
besonders magere Luft-Kraftstoff-Gemische und damit besonders hohe Verbrauchsvorteile
dargestellt werden. Ein gewisses Problem des mageren Betriebsmodus stellen bekanntlich
Stickoxide NOX des Abgases dar, die sich aufgrund des Sauerstoffüberschusses im
mageren Abgas an herkömmlichen Oxidations- oder 3-Wege-Katalysatoren nicht vollständig
zu umweltneutralem Stickstoff N2 umsetzen lassen. Zur Überwindung dieses Problems ist
bekannt, NOX-Speicherkatalysatoren einzusetzen, die neben einer 3-Wege-katalytischen
Komponente eine NOX-Speicherkomponente zur Absorption von NOX im mageren Abgas
aufweisen. Zum Zwecke einer NOX-Regeneration werden NOX-Speicherkatalysatoren im
diskontinuierlichen Betrieb alternierend mit magerem und fettem Abgas beaufschlagt, wobei
in den fetten Intervallen das im Magerbetrieb eingelagerte NOX freigesetzt und reduziert
wird. Diese aufgrund einer endlichen NOX-Speicherkapazität eines Speicherkatalysators
erforderlichen fetten Betriebsintervalle führen allerdings zu einer teilweisen Kompensation
des im Magerbetrieb erzielten Verbrauchsvorteils.
Eine NOX-Speicher- und Konvertierungsfähigkeit des Speicherkatalysators hängt von
verschiedenen Betriebsparametern ab und verändert sich zudem mit einer Alterung des
Katalysators. Insbesondere liegt nur in einem gewissen Temperaturbereich des NOX-
Speicherkatalysators eine ausreichende Speicherfähigkeit vor. Daher ist beispielsweise aus
der DE 199 32 290 A1 und der DE 199 29 292 A1 bekannt, eine Zulassung eines
Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine von der Katalysatortemperatur des NOX-
Speicherkatalysators abhängig zu machen und eine untere und obere Temperaturschwelle
für den zulässigen Magerbetriebsbereich vorzugeben, um NOX-Durchbrüche zu vermeiden.
Die DE 198 50 786 A1 offenbart ferner ein Verfahren, wonach diese obere und untere
Temperaturschwelle an die NOX-Speicherfähigkeit des Katalysators adaptiert wird, welche
anhand einer Dauer eines vorausgegangenen Magerintervalls oder NOX-
Regenerationsintervalls überwacht wird.
Es hat sich jedoch erwiesen, dass die Katalysatortemperatur allein kein ausreichendes
Kriterium für die NOX-Speicher- und Konvertierungsfähigkeit des Katalysators und somit für
die Zulassung des Magerbetriebsmodus darstellt. Vielmehr hängt das NOX-
Einspeicherverhalten des Katalysators von weiteren Einflussgrößen ab. So kann
beispielsweise ein gealterter Speicherkatalysator bei einer mittleren Katalysatortemperatur
von 350°C in Betriebspunkten mit niedrigen NOX-Rohemissionen noch eine ausreichende
NOX-Speicher- und -Konvertierungsfähigkeit aufweisen, dagegen bei hohen NOX-
Rohemissionen die Speicherfähigkeit so weit abnehmen, dass eine hierdurch verursachte
hohe Regenerationshäufigkeit den durch den Magerbetrieb gewonnenen Verbrauchsvorteil
vollständig aufzehrt. In einem solchen Falle zeigt die Anpassung der Temperaturschwellen
nicht den gewünschten Erfolg.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines
Betriebsmodus einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches
die geschilderten Mängel des Standes der Technik überkommt und durch genauere
Abstimmung eines Magerbetriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine auf einen
aktuellen Betriebspunkt sowie auf einen Zustand des NOX-Speicherkatalysators erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass
- - ein Magerbetriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit λ < 1 in Abhängigkeit von vorgebbaren Schwellenwerten für eine Temperatur des NOX- Speicherkatalysators und für mindestens einen weiteren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgastraktes zugelassen wird und
- - mindestens ein Schwellenwert in Abhängigkeit einer aktuellen NOX-Speicher- und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators variiert wird,
erfolgt eine Zulassung des Magerbetriebsmodus unter sehr genauer Berücksichtigung des
aktuellen Betriebspunktes sowie eine ständige Aktualisierung der Zulassungsbedingungen
an eine tatsächliche NOX
-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit des NOX
-
Speicherkatalysators. Im Ergebnis kann somit eine NOX
-Endemission deutlich reduziert
werden und gleichzeitig der Magerbetriebsmodus über weite Betriebsbereiche eines durch
die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges eingesetzt werden, wodurch
optimale Kraftstoffverbrauchswerte erzielt werden können.
Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Magerbetriebsmodus von einer NOX-
Rohemission der Verbrennungskraftmaschine abhängig gemacht wird, da diese
entscheidend eine NOX-Speicherrate des Speicherkatalysators beeinflusst. Ferner können
Rohemissionen weiterer Abgaskomponenten, insbesondere von unverbrannten
Kohlenwasserstoffen HC und/oder Kohlendioxid CO2 und/oder Kohlenmonoxid CO,
berücksichtigt werden. Diese behindern in hohen Konzentrationen die Einlagerung von NOX
in den Katalysator. Entsprechend kann für die Rohemission jeder dieser Komponenten oder
einer Summe der Komponenten ein oberer Schwellenwert vorgegeben werden, bei dessen
Überschreitung der Magerbetriebsmodus gesperrt wird. Dabei wird unter Rohemission eine
Konzentration und/oder ein Massenstrom der jeweiligen Abgaskomponente stromauf eines
ersten, der Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Katalysators verstanden. Im
Einzelfall kann eine Vorgabe einzelner Schwellenwerte für die Konzentration und den
Massenstrom zweckmäßig sein. Die Rohemission von NOX oder der weiteren
Abgaskomponenten kann entweder mittels entsprechend im Abgastrakt angeordneten
Gassensoren gemessen oder vorzugsweise in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunktes
der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer aktuellen Motordrehzahl und/oder
Motorlast, modelliert werden. Dabei wird, falls die Verbrennungskraftmaschine sich aktuell in
einem stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus mit λ ≦ 1 befindet, für die Modellierung
ein Magerbetriebsmodus angenommen. Eine derartige Modellierung von Rohemissionen,
beispielsweise anhand von gespeicherten Kennfeldern, ist hinreichend bekannt und wird hier
nicht näher erläutert.
Bezüglich der Temperatur des NOX-Speicherkatalysators kann eine lokale Temperatur einer
Beschichtung des Katalysators und/oder eines Katalysatorträgers und/oder eine
Temperaturverteilung über die gesamte Katalysatorlänge betrachtet werden. Dabei kann die
Katalysatortemperatur aus einer stromauf und/oder stromab des Speicherkatalysators
gemessenen Abgastemperatur ermittelt und/oder mittels einer im Katalysator selbst
angeordneten Temperaturmessstelle gemessen werden. Es ist jedoch ebenso bekannt und
zweckmäßig, die Katalysatortemperatur in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der
Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung entsprechender Kennfelder mit guter
Genauigkeit zu berechnen.
Um eine Anpassung der Schwellenwerte für den zulässigen Magerbetriebsbereich an
tatsächliche Erfordernisse vorzunehmen, erfolgt die Variation mindestens eines
Schwellenwertes, wenn die NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit des
Katalysators einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, das heißt hinter einer, für einen
frischen NOX-Speicherkatalysator abgeleiteten oder auf einen bereits irreversibel
teilgeschädigten Katalysator abgestimmten Leistungserwartung zurückbleibt. Zur
Beurteilung der NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit bieten sich verschiedene
Strategien an. Insbesondere kann der Magerbetrieb über einen stromab des NOX-
Speicherkatalysators beispielsweise mittels eines NOX-Sensors gemessenen NOX-Gehalt im
Abgas gesteuert und beendet werden, wenn ein temporärer oder ein über die
Magerbetriebsphase kumulierter NOX-Gehalt eine Erschöpfung der Speicherkapazität des
Katalysators anzeigt. In diesem Fall kann eine Dauer einer so gesteuerten
Magerbetriebsphase als Maß für eine eingelagerte NOX-Masse und somit für die Speicher-
und -Konvertierungsfähigkeit des Katalysators herangezogen werden. Ebenso kann der
gemessene, insbesondere der kumulierte NOX-Gehalt oder dessen Verlauf zur Beurteilung
der NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit herangezogen werden. Alternativ kann
auch eine Dauer mindestens einer vorausgegangenen NOX-Regenerationsphase als
Kriterium für die Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit des Katalysators eingesetzt
werden, wenn die Regeneration abhängig von einem stromab des Katalysators
beispielsweise mittels einer Lambdasonde gemessenen Sauerstoffgehalt gesteuert wird.
Auch hier kann statt der Dauer der Regenerationsphase auch der gemessene
Sauerstoffgehalt beziehungsweise dessen Verlauf als Kriterium dienen. Ferner kann die
NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit des Speicherkatalysators anhand eines
Kraftstoffverbrauchs und/oder anhand einer Häufigkeit der NOX-Regeneration bestimmt
werden. Unabhängig von der Wahl der Beurteilungsgröße wird das Verhalten des NOX-
Speicherkatalysators stets mit dem eines frischen ungeschädigten Katalysators oder - falls
bereits irreversible Schädigungen festgestellt wurden - mit einem bestenfalls zu
erwartenden Verhalten verglichen.
Es wird vorzugsweise immer derjenige Schwellenwert eines Betriebsparameters der
Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgastraktes variiert, in dessen Bereich sich der
Betriebzustand während der vorausgegangenen Magerphase befand oder zumindest
vorwiegend befand, wobei für den Bereich entsprechende Grenzen vorzugeben sind. Lag
der gegebenenfalls gemittelte Betriebszustand im Betrachtungszeitraum im Grenzbereich
mehrerer Schwellenwerte, so werden vorzugsweise alle betroffenen Schwellenwerte variiert.
Lag hingegen der Betriebszustand in keinem Bereich eines Schwellenwertes, kann
vorteilhaft zumindest ein Schwellenwert variiert werden. Es ist insbesondere vorgesehen,
einen oberen Schwellenwert für eine im Magerbetriebsmodus zulässige Rohemission
abzusenken, wenn während der vorausgegangenen Magerbetriebsphase die mittlere NOX-
Rohemission der Verbrennungskraftmaschine sich im Bereich dieses oberen
Schwellenwertes befand und die NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit den
vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Umgekehrt kann bei ausreichender Speicher- und
Konvertierungsfähigkeit dieser Schwellenwert angehoben werden. In analoger Weise wird
für die anderen betrachteten Schwellenwerte vorgegangen. Zudem kann es insbesondere im
Falle eines unteren Schwellenwertes für eine im Magerbetriebsmodus zulässige
Katalysatortemperatur sinnvoll sein, eine gemessene oder berechnete irreversible
Schädigung des NOX-Speicherkatalysators statt oder zusätzlich zum aktuell gemessenen
Katalysatorverhalten zu berücksichtigen.
Die Verbrennungskraftmaschine verfügt vorzugsweise über eine Kraftstoffdirekteinspritzung
und ist im Magerbetriebsmodus schichtladefähig. Dabei liegt im Schichtladebetrieb ein in
einen Zylinder eingespritzter Kraftstoff zum Zündzeitpunkt im Wesentlichen im Bereich einer
Zündkerze konzentriert vor, während im übrigen Brennraum des Zylinders praktisch reine
Luft vorherrscht. Auf diese Weise lassen sich im Schichtladebetrieb besonders magere Luft-
Kraftstoff-Verhältnisse und somit ein besonders niedriger Kraftstoffverbrauch realisieren. Die
Ausbildung der Schichtladungswolke sowie ihr Transport zur Zündkerze kann in bekannter
Weise durch wandführende Maßnahmen, beispielsweise durch eine muldenförmige
Ausgestaltung eines Kolbenbodens, unterstützt werden. Ferner sind luftführende
Maßnahmen bekannt und zweckdienlich, die etwa in Form einer in einem Saugrohr des
Zylinders angeordneten Ladungsbewegungsklappe realisiert werden können und spezielle
Luftströmungen im Brennraum bewirken.
Weitere vorteilhafte 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 eine Blockdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit zugeordneter
Abgasanlage;
Fig. 2 einen in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur und einer NOX-
Rohemission zulässigen Bereich für einen Magerbetriebsmodus und
Fig. 3 ein Fließschema einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens.
Die in Fig. 1 dargestellte magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine 10 weist in diesem
Beispiel vier Zylinder 12 auf, die jeweils über ein nicht dargestelltes Kraftstoff-
Direkteinspitzungssystem verfügen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner mittels
eines Wand- und luftgeführten Gemischaufbereitungsverfahrens in einem Schichtlademodus
betreibbar. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes Abgas wird in einem
insgesamt mit 14 bezeichneten Abgastrakt nachbehandelt. Der Abgastrakt 14 besteht im
Wesentlichen aus einem in einem Abgaskanal 16 installierten Katalysatorsystem, mit einem
kleinvolumigen und motornah angeordneten Vorkatalysator 18, beispielsweise einem 3-
Wege- oder Oxidationskatalysator, sowie einem typischerweise an einer Unterbodenposition
angeordneten NOX-Speicherkatalysator 20. Der NOX-Speicherkatalysator 20 umfasst neben
einer 3-Wege-Katalysatorkomponente einen NOX-Absorber zur Einspeicherung von im
Magerbetriebsmodus nicht vollständig konvertierbaren Stickoxiden NOX. Eine stromab der
Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnete Lambdasonde 22 misst einen Sauerstoffgehalt
des Abgases und ermöglicht somit eine Regelung eines den Zylindern 12 zuzuführenden
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Stromab des Speicherkatalysators 20 ist ein weiterer
Gassensor 24 installiert, der vorzugsweise ein NOX-Sensor ist. Der NOX-Sensor 24 erkennt
beispielsweise einen NOX-Durchbruch während eines Magerbetriebs und regelt somit eine
diskontinuierliche Mager/Fett-Beaufschlagung des Speicherkatalysators 20 zum Zwecke
seiner NOX-Regeneration. Eine Temperaturmessstelle 26 misst stromauf des NOX-
Speicherkatalysators 20 eine Abgastemperatur und erlaubt Rückschlüsse auf die
Temperatur des Speicherkatalysators 20. Alternativ kann die Katalysatortemperatur auch in
an sich bekannter Weise anhand ausgewählter Betriebsparameter der
Verbrennungskraftmaschine 10 modelliert werden. Alle Sensorsignale sowie
Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 und des Abgastraktes 14 werden an
eine Motorsteuerung 28 übermittelt. Hier erfolgt eine Auswertung der Signale und Daten und
eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 anhand gespeicherter Algorithmen und
Kennfelder.
Die Fähigkeit des NOX-Speicherkatalysators 20, Stickoxide zu speichern, ist nicht in jedem
Betriebspunkt ausreichend, um eine NOX-Emission in Einklang mit zulässigen Grenzwerten
zu gewährleisten. Insbesondere weist der NOX-Speicherkatalysator 20 nur in einem
bestimmten Temperaturfenster eine ausreichende NOX-Speicher- und
-Konvertierungsfähigkeit auf, weshalb üblicherweise ein oberer und ein unterer
Schwellenwert für eine im Magerbetriebsmodus zulässige Katalysatortemperatur
vorgegeben werden. Liegt die Katalysatortemperatur außerhalb des durch die
Schwellenwerte begrenzten Bereiches, wird der Magerbetrieb gesperrt und die
Verbrennungskraftmaschine 10 in einem stöchiometrischen oder fetten Betrieb gefahren.
Erfindungsgemäß werden neben der Katalysatortemperatur zusätzliche Schwellenwerte für
mindestens einen weiteren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 oder des
Abgastraktes 14 vorgegeben, insbesondere für eine maximal zulässige NOX-Rohemission
der Verbrennungskraftmaschine 10. Ferner können vorzugsweise alle vorgegebenen
Schwellenwerte adaptiert werden, wenn die NOX-Speicher- und/oder -
Konvertierungsfähigkeit des Speicherkatalysators 20 unterhalb eines angeforderten Wertes
liegt.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit eines Zulässigkeitsbereiches für den Magerbetriebsmodus
von einer Katalysatortemperatur TSK des NOX-Speicherkatalysators 20 sowie von einer
NOX-Rohemission NORE der Verbrennungskraftmaschine 10. Dabei ist der für den
Magerbetrieb mit λ < 1 zugelassene Bereich weiß dargestellt und der Bereich, in dem die
Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem fetten oder stöchiometrischen Gemisch mit λ ≦ 1
betrieben werden muss, schraffiert dargestellt. Der Magerbetriebsbereich wird begrenzt
durch einen unteren Temperaturschwellenwert TSKMN und einen oberen
Temperaturschwellenwert TSKMX für die Katalysatortemperatur TSK. Auf der anderen Seite
wird der Magerbetrieb gesperrt, wenn die NOX-Rohemission NORE oberhalb eines
maximalen Schwellenwertes NOREMX liegt. Eine Vorgabe weiterer Schwellenwerte ist
denkbar. Beispielsweise könnte in einer dritten, nicht dargestellten Dimension ein oberer
Schwellenwert für eine Rohemission von Abgasbestandteilen wie HC, CO2 und CO
vorgesehen sein, die die Einlagerung von NOX in den Katalysator behindern.
Alle vorgegebenen Schwellenwerte sind variabel gestaltet und können in vorgebbaren
Grenzen in Abhängigkeit einer aktuellen NOX-Speicher- und/oder -Konvertierungsfähigkeit
des Speicherkatalysators 20 variiert werden. Dabei wird vorzugsweise derjenige
Schwellenwert verändert, in dessen Grenzbereich ein Betriebspunkt im betrachteten
Zeitraum einer vorausgegangenen Magerbetriebsphase lag. Lag beispielsweise, wie im
Punkt 100 dargestellt, die gegebenenfalls gemittelte NOX-Rohemission der
vorausgegangenen Magerbetriebsphase nahe an dem oberen Schwellenwert NOREMX, so
wird dieser Schwellenwert NOREMX abgesenkt, wenn eine unzureichende NOX-
Speicherfähigkeit oder -Konvertierungsfähigkeit, beispielsweise anhand einer Länge der
Magerbetriebsphase oder einer stromab des Speicherkatalysators 20 gemessenen NOX-
Emission, erkannt wird. Auf der anderen Seite kann im Punkt 100 unter bestimmten, noch zu
erläuternden Voraussetzungen eine Anhebung des Schwellenwertes NOREMX erfolgen,
wenn eine ausreichende NOX-Speicherfähigkeit vorliegt. Lag der Betriebspunkt im
betrachteten Intervall dagegen im Grenzbereich des oberen Temperaturschwellenwertes
TSKMX (Punkt 102), so erfolgt eine Absenkung dieser Temperaturschwelle bei
unzureichender Speicherfähigkeit und gegebenenfalls einer Anhebung bei ausreichender
Speicherfähigkeit. Befindet sich der Betriebspunkt in der Nähe mehrerer Schwellenwerte, so
können auch alle betroffenen Schwellenwerte adaptiert werden. Befindet sich der
Betriebspunkt, wie in Punkt 104 dargestellt, in keinem Grenzbereich eines Schwellenwertes,
so können bei unzureichender NOX-Speicher- und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit
mehrere, mindestens aber ein Schwellenwert variiert werden. Da die Katalysatortemperatur
TSK und die NOX-Rohemission NORE den größten Einfluss auf die Speicherfähigkeit haben,
erfolgt vorzugsweise eine Anpassung dieser Schwellenwerte. Im Falle eines Betriebspunktes
nahe der unteren Temperaturgrenze TSKMN (Punkt 106) erfolgt bei unzureichender NOX-
Speicher- und NOX-Konvertierungsfähigkeit eine Anhebung des Schwellenwertes TSKMN. In
diesem Fall ist jedoch bevorzugt vorgesehen, die Lage des Schwellenwertes TSKMN auch in
Abhängigkeit eines mittels eines Diagnoseverfahrens ermittelten Alterungszustandes
(irreversible Schädigungen) vorzugeben, da der einer Anspringtemperatur des Katalysators
entsprechende Schwellenwert TSKMN vorwiegend vom Alterungszustand abhängt.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem
Betriebspunkt 100 der Fig. 2. Der Verfahrensablauf lässt sich in zwei Hauptabschnitte
gliedern, nämlich Überprüfung der NOX-Speicher- und NOX-Konvertierungsfähigkeit des
Speicherkatalysators 20 und Festlegung der Schwellenwerte des Magerbetriebsbereiches
einerseits (Schritte S1 bis S5) und Zulassung oder Sperrung des Magerbetriebs in einem
aktuellen Betriebspunkt andererseits (S6 bis S11). Zunächst erfolgt in S1 eine Initialisierung,
bei der unter anderem die Schwellenwerte für den Magerbetriebsbereich und ein Grenzwert
für NOX-Speicher- und NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators 20
vorgegeben werden. Diese Vorgaben erfolgen anhand von Erfahrungswerten eines
ungeschädigten und vollständig regenerierten Speicherkatalysators. In einer ersten Abfrage
in S2 wird eine Überprüfung der Speicher- und Konvertierungsfähigkeit des
Speicherkatalysators 20 vorgenommen. In diesem Beispiel erfolgt diese Überprüfung
anhand einer in der vorausgegangenen Magerphase mittels des NOX-Sensors 24 stromab
des NOX-Speicherkatalysators 20 gemessenen und aufintegrierten NOX-Emission NOHK.
Liegt diese NOX-Emission NOHK oberhalb eines in S1 vorgegebenen Grenzwertes
NOHKGW, wird in S3 der obere Schwellenwert NOREMX für die NOX-Rohemission der
Verbrennungskraftmaschine 10 um das Inkrement ΔNORE abgesenkt. Es wird hier nämlich
davon ausgegangen, dass der Schwellenwert NOREMX zu hoch angesetzt war und der
NOX-Speicherkatalysator 20 aufgrund der hohen NOX-Rohemission (vgl. Punkt 100 in Fig.
2) keine ausreichende Speicherfähigkeit aufwies. Wird hingegen die Abfrage in S2 verneint
und somit eine ausreichende NOX-Speicher- und NOX-Konvertierungsfähigkeit festgestellt,
geht das Verfahren zu der Abfrage S4 über, wo überprüft wird, ob die NOX-Rohemission
NORE der vorausgegangenen Magerphase sehr dicht an der oberen Emissionsschwelle
NOREMX lag. Wird diese Abfrage bejaht, wird die NOX-Emissionsschwelle NOREMX in S5
um das Inkrement ΔNORE erhöht. Durch die Schleife der Schritte S4 und S5 wird
gewährleistet, dass der zulässige Magerbereich nicht unnötig eingeschränkt wird. Bei
Verneinung der Abfrage in S4 erfolgt keine Variation der Emissionsschwelle NOREMX,
diese wird vielmehr beibehalten.
In S6 wird eine aktuelle NOX-Rohemission NOREF durch Messung der NOX-Konzentration
stromauf des Katalysatorsystems 18, 20 oder durch Berechnung anhand aktueller
Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 ermittelt. Befindet sich die
Verbrennungskraftmaschine 10 aktuell in einem stöchiometrischen oder mageren
Betriebsmodus, wird für diese Berechnung ein magerer Betriebsmodus angenommen. Die
Berechnung kann zum Beispiel anhand von abgespeicherten Kennfeldern erfolgen, welche
eine Information über die zu erwartende NOX-Rohemission in Abhängigkeit einer aktuellen
Motordrehzahl und/oder Motorlast und/oder anderer betriebsrelevanter Größen enthalten.
Zur Vermeidung dynamischer Effekte kann eine Mittelung der so ermittelten NOX-
Rohemission NOREF über eine Mindestzeit erfolgen. In einer Abfrage S7 wird überprüft, ob
die in S6 ermittelte Rohemission NOREF unterhalb des in S2 bis S5 festgelegten
Emissionsschwellenwertes NOREMX liegt. Ist dies der Fall, wird in S8 die aktuelle
Katalysatortemperatur TSK des NOX-Speicherkatalysators 20 durch Messung oder
Modellierung ermittelt. Anschließend wird in S9 abgefragt, ob diese aktuelle
Katalysatortemperatur TSK im zulässigen Temperaturbereich liegt, das heißt größer ist als
die untere Temperaturschwelle TSKMN und kleiner als die obere Temperaturschwelle
TSKMX. Wird auch diese Abfrage bejaht, befindet sich der aktuelle Betriebspunkt der
Verbrennungskraftmaschine 10 sowie der Abgasanlage 14 in dem für den
Magerbetriebsmodus zulässigen Bereich. Folglich wird der Magerbetriebsmodus in S10
zugelassen. Bei Verneinung einer der Abfragen S7 und S9 liegt mindestens ein
Betriebsparameter außerhalb des zulässigen Bereiches, so dass in S11 der
Magerbetriebsbereich gesperrt wird und die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem
stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch beaufschlagt wird.
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Zylinder
14
Abgastrakt
16
Abgaskanal
18
Vorkatalysator
20
NOX
-Speicherkatalysator
22
Lambdasonde
24
Gassensor/NOX
-Sensor
26
Temperaturmessstelle
28
Motorsteuerung
λ Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda
NOHK NOX
λ Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda
NOHK NOX
-Emission hinter NOX
-Speicherkatalysator
NOHKGW Grenzwert für die NOX
NOHKGW Grenzwert für die NOX
-Emission
NORE NOX
NORE NOX
-Rohemission
NOREF aktuelle (gemessene oder modellierte) NOX
NOREF aktuelle (gemessene oder modellierte) NOX
-Rohemission
NOREMX oberer Schwellenwert für die NOX
NOREMX oberer Schwellenwert für die NOX
-Rohemission
ΔNORE Inkrement des Schwellenwertes für die NOX
ΔNORE Inkrement des Schwellenwertes für die NOX
-Rohemission
TSK Katalysatortemperatur des NOX
TSK Katalysatortemperatur des NOX
-Speicherkatalysators
TSKMN unterer Schwellenwert für die Katalysatortemperatur
TSKMX oberer Schwellenwert für die Katalysatortemperatur
TSKMN unterer Schwellenwert für die Katalysatortemperatur
TSKMX oberer Schwellenwert für die Katalysatortemperatur
Claims (18)
1. Verfahren zur Steuerung eines Betriebsmodus einer magerlauffähigen
Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Abgastrakt (14), der mindestens einen NOX-
Speicherkatalysator (20) und einem diesem nachgeschalteten Gassensor (24) umfasst,
wobei
ein Magerbetriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine (10) mit λ < 1 in Abhängigkeit von vorgebbaren Schwellenwerten für eine Temperatur (TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) und für mindestens einen weiteren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder des Abgastraktes (14) zugelassen wird und
mindestens ein Schwellenwert in Abhängigkeit einer aktuellen NOX-Speicher- und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) variiert wird.
ein Magerbetriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine (10) mit λ < 1 in Abhängigkeit von vorgebbaren Schwellenwerten für eine Temperatur (TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) und für mindestens einen weiteren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder des Abgastraktes (14) zugelassen wird und
mindestens ein Schwellenwert in Abhängigkeit einer aktuellen NOX-Speicher- und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine
weitere Betriebsparameter eine NOX-Rohemission (NORE) der
Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder eine Rohemission einer weiteren
Abgaskomponente umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere
Abgaskomponente unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Kohlendioxid (CO2)
und/oder Kohlenmonoxid (CO) umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die NOX-
Rohemission (NORE) und/oder die Rohemission der weiteren Abgaskomponente
gemessen oder in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine
(10) unter Annahme des Magerbetriebsmodus modelliert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rohemission eine Konzentration und/oder ein Massenstrom von NOX oder der anderen
Abgaskomponente stromauf eines ersten, der Verbrennungskraftmaschine (10)
nachgeschalteten Katalysators (18) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur (TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) eine lokale Temperatur einer
Katalysatorbeschichtung und/oder eines Katalysatorträgers und/oder eine
Temperaturverteilung umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TSK)
mittels einer stromauf und/oder stromab und/oder im NOX-Speicherkatalysator (20)
angeordneten Temperaturmessstelle (26) gemessen und/oder in Abhängigkeit eines
Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine (10) berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Variation des mindestens einen Schwellenwertes erfolgt, wenn die NOX-Speicher-
und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) einen
vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magerbetrieb
abhängig von einem stromab des NOX-Speicherkatalysators (20) gemessenen NOX-
Gehalt im Abgas gesteuert wird und die NOX-Speicher- und/oder NOX-
Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) anhand einer Dauer
mindestens einer vorausgegangenen Magerbetriebsphase und/oder anhand des
gemessenen NOX-Gehaltes oder dessen Verlauf bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine NOX-
Regeneration abhängig von einem stromab des NOX-Speicherkatalysators (20)
gemessenen Sauerstoffgehalt im Abgas gesteuert wird und die NOX-Speicher- und/oder
NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) anhand einer Dauer
mindestens einer vorausgegangenen NOX-Regenerationsphase und/oder anhand des
gemessenen Sauerstoffgehaltes oder dessen Verlauf bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
NOX-Speicher- und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators
(20) anhand eines Kraftstoffverbrauches und/oder anhand einer Häufigkeit der NOX-
Regeneration bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
derjenige Schwellenwert eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine (10)
und/oder des Abgastraktes (14) variiert wird, in dessen Bereich sich ein Betriebszustand
während der vorausgegangenen Magerbetriebsphase befand.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Schwellenwert
(NOREMX) für eine für den Magerbetriebsmodus zulässige NOX-Rohemission (NORE)
abgesenkt wird, wenn während der vorausgegangenen Magerbetriebsphase die NOX-
Rohemission (NORE) der Verbrennungskraftmaschine (10) sich im Bereich des oberen
Schwellenwertes (NOREMX) befand und die NOX-Speicher- und/oder NOX-
Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) den vorgegebenen
Grenzwert unterschreitet.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer
Schwellenwert (TSKMX) für eine für den Magerbetriebsmodus zulässige
Katalysatortemperatur (TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) abgesenkt wird, wenn
während der vorausgegangenen Magerbetriebsphase die Katalysatortemperatur (TSK)
sich im Bereich des oberen Schwellenwertes (TSKMX) befand und die NOX-Speicher-
und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) den
vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer
Schwellenwert (TSKMN) für eine für den Magerbetriebsmodus zulässige
Katalysatortemperatur (TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) angehoben wird, wenn
während der vorausgegangenen Magerbetriebsphase die Katalysatortemperatur (TSK)
sich im Bereich des unteren Schwellenwertes (TSKMN) befand und die NOX-Speicher-
und/oder NOX-Konvertierungsfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators (20) den
vorgegebenen Grenzwert unterschreitet oder eine gemessene oder berechnete
irreversible Schädigung des NOX-Speicherkatalysators (20) festgestellt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Magerbetriebsmodus zugelassen wird, wenn die aktuelle Katalysatortemperatur
(TSK) des NOX-Speicherkatalysators (20) größer als der untere
Temperaturschwellenwert (TSKMN) und kleiner als der obere Temperaturschwellenwert
(TSKMX) ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Magerbetriebsmodus zugelassen wird, wenn die aktuelle, gemessene oder unter
Annahme eines mageren Betriebs berechnete NOX-Rohemission (NORE) der
Verbrennungskraftmaschine (10) den oberen Schwellenwert (NOREMX) für die NOX-
Rohemission unterschreitet.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine (10) über eine Kraftstoffdirekteinspritzung verfügt und
im Magerbetriebsmodus schichtladefähig ist.
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