DE10137134A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschime insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschime insbesondere eines Kraftfahrzeugs

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Dabei wird Kraftstoff einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) zugeführt und dort verbrannt. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird einem Katalysator (12) zugeführt. Weiterhin wird eine dem Katalysator (12) zugehörige Temperatur ermittelt. In einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) wird eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators (12) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff einem Brennraum zugeführt und dort verbrannt wird, bei dem bei der Verbrennung entstehendes Abgas einem Katalysator zugeführt wird, und bei dem eine dem Katalysator zugehörige Temperatur ermittelt wird. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs sowie eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
  • Ein derartiges Verfahren, ein derartiges Steuergerät und eine derartige Brennkraftmaschine sind beispielsweise bei einer sogenannten Benzin-Direkteinspritzung bekannt. Dort wird der Kraftstoff in einem Homogenbetrieb während der Ansaugphase oder in einem Schichtbetrieb während der Verdichtungsphase in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Homogenbetrieb ist vorzugsweise für den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen, während der Schichtbetrieb für den Leerlauf- und Teillastbetrieb geeignet ist. Beispielsweise in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment wird bei einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet.
  • Insbesondere zur Ausführung des Schichtbetriebs ist es erforderlich, dass ein Katalysator vorhanden ist, mit dem entstehende Stickoxide in einem Speicherkatalysator zwischengespeichert werden können, um sie während eines nachfolgenden Homogenbetriebs in einem Dreiwegekatalysator zu reduzieren. Der Speicherkatalysator wird im Schichtbetrieb mit den Stickoxiden beladen und im Homogenbetrieb wieder entladen. Dieses Be- und Entladen sowie die damit verbundene Konvertierung von Stickoxiden in Stickstoff und Sauerstoff führt zu einer Alterung des Katalysators.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei einer sogenannten Saugrohr-Einspritzung angewendet werden kann, bei der der Kraftstoff nicht direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, sondern als Kraftstoff/Luft-Gemisch dem Brennraum zugeführt wird. In diesem Fall ist der beschriebene Schichtbetrieb mit einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine vergleichbar.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem die Alterung des Speicherkatalysators erkannt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt wird. Bei einem Steuergerät und einer Brennkraftmaschine der jeweils eingangs genannten Art wird die Aufgabe entsprechend gelöst.
  • In dem Teillastbetriebspunkt befindet sich die Brennkraftmaschine in einem eher niedrigen Lastbereich, in dem nur geringfügige Änderungen der Energiezufuhr zu der Brennkraftmaschine stattfinden. Damit wird in diesem Betriebspunkt die Durchführung einer Diagnose des Katalysators nicht durch Laständerungen oder Temperaturänderungen oder dergleichen gestört. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine genaue und zuverlässige Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchzuführen.
  • Bei vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung wird die Diagnose in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt. Damit werden Ungenauigkeiten der Diagnose des Katalysators z. B. aufgrund einer noch nicht betriebswarmen Brennkraftmaschine vermieden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Diagnose eine Temperatur in und/oder nach dem Katalysator gemessen wird. Diese Temperatur bzw. eine daraus ermittelte Temperaturerhöhung verändert sich in Abhängigkeit von der Alterung des Katalysators. Je geringer die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators alterungsbedingt noch ist, desto geringer ist diese Temperaturerhöhung. Damit ist es möglich, aus der Temperaturerhöhung auf den Alterungszustand des Katalysators zu schließen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass diese Diagnose des Katalysators keinen aktiven Eingriff in die Regelung und/oder Steuerung der Brennkraftmaschine erfordert, sondern beobachtend und damit passiv durchgeführt wird. Ebenfalls ist das Diagnoseverfahren vorteilhafterweise abgasneutral.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn die ermittelte Temperatur mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird. Der Referenzwert kann dabei z. B. auf einem neuen Katalysator basieren. Wird der Referenzwert unzulässig überschritten, so wird von dem Steuergerät ein erforderlicher Austausch des Katalysators angezeigt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während der Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine in den Brennraum direkt eingespritzt wird, wird die Diagnose in der zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dadurch wird bei der Anwendung der Erfindung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine eine weitgehend gleichbleibende Energiezufuhr gewährleistet, so dass die Genauigkeit der Diagnose des Katalysators weiter verbessert wird.
  • Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Computerprogramms, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Das Computerprogramm weist Programmcode auf, der dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird. Weiterhin kann der Programmcode auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein, beispielsweise auf einem sogenannten Flash-Memory. In diesen Fällen wird also die Erfindung durch das Computerprogramm realisiert, so dass dieses Computerprogramm in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist.
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
  • Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden.
  • In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.
  • Bei dem Katalysator 12 handelt es sich um einen Dreiwegekatalysator 12', der mit einem Speicherkatalysator 12" kombiniert ist. Der Katalysator 12 ist damit unter anderem dazu vorgesehen, Stickoxide (NOx) zwischenzuspeichern. In dem Katalysator 12 ist ein Temperatursensor 13 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist in dem Abgasrohr unmittelbar nach dem Katalysator 12 ein Temperatursensor 14 vorgesehen.
  • Ein Steuergerät 18 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Flash-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
  • In einer ersten Betriebsart, einem sogenannten Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 in Abhängigkeit von dem erwünschten Drehmoment teilweise geöffnet bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig über die Drosselklappe 11 angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 10 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im Homogenbetrieb unter anderem von der Stellung der Drosselklappe 11 ab. Im Hinblick auf eine geringe Schadstoffentwicklung wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch möglichst auf Lambda gleich Eins eingestellt.
  • In einer zweiten Betriebsart, einem sogenannten Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 10 sowie zeitlich in geeignetem Abstand vor dem Zündzeitpunkt. Es entsteht damit ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch. Dieses wird mit Hilfe der Zündkerze 10 entzündet, so dass der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird. Das entstehende Drehmoment hängt im Schichtbetrieb weitgehend von der eingespritzten Kraftstoffmasse ab. Im Wesentlichen ist der Schichtbetrieb für den Leerlaufbetrieb und den Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen.
  • Der Speicherkatalysator 12" des Katalysators 12 wird während des Schichtbetriebs mit Stickoxiden beladen. In einem nachfolgenden Homogenbetrieb wird der Speicherkatalysator 12" wieder entladen und die Stickoxide werden von dem Dreiwegekatalysator 12' reduziert.
  • Der Speicherkatalysator 12" nimmt während seiner fortlaufenden Be- und Entladung mit Stickoxiden mit der Zeit Schwefel auf. Dies führt zu einer Einschränkung der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators 12", die nachfolgend als Alterung bezeichnet wird. Die andauernde Konvertierung von Stickoxiden zu Stickstoff und Sauerstoff führt bei dem Dreiwegekatalysator 12' zu einer Minderung der Konvertierungsfähigkeit und damit zu einer Alterung.
  • Die Konvertierung der Stickoxide in dem Dreiwegekatalysator 12' stellt eine exotherme Reaktion dar, bei der Wärme entsteht. Daraus resultiert eine Erhöhung der Temperatur der durch den Katalysator 12 hindurchströmenden Abgase. Diese Temperaturerhöhung wird von dem Temperatursensor 13 und/oder von dem Temperatursensor 14 gemessen. Gleichzeitig erfolgt durch die exotherme Reaktion auch eine Erhöhung der Temperatur des Katalysators 12 selbst, die alternativ oder zusätzlich von dem Temperatursensor 13 und gegebenenfalls auch von dem Temperatursensor 14 gemessen wird.
  • Aufgrund der Alterung des Dreiwegekatalysators 12' nimmt die Fähigkeit zur Konvertierung von Stickoxiden in dem Dreiwegekatalysator 12' ab. Dies führt zu einer Verminderung der durch die Konvertierung hervorgerufenen exothermen Reaktion und damit zu einer Verminderung der daraus resultierenden Temperaturerhöhung.
  • Von dem Steuergerät 18 wird die aktuell gemessene Temperaturerhöhung während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 überwacht. Diese aktuelle Temperaturerhöhung wird mit einer Temperaturerhöhung verglichen, die bei einem neuen Dreiwegekatalysator 12' bzw. einem neuen Katalysator 12 gemessen worden ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann dies dadurch erfolgen, dass die aktuelle Temperaturerhöhung mit einer modellierten Temperaturerhöhung verglichen wird. Alternativ oder zusätzlich können dem Vergleich die absoluten Temperaturen zugrunde gelegt werden.
  • Auf dieser Grundlage führt das Steuergerät 18 eine Diagnose des Alterungszustands des Katalysators 12 durch.
  • Voraussetzung für die Durchführung der genannten Diagnose während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 ist ein Betriebspunkt, bei dem die Energiezufuhr zu der Brennkraftmaschine 1 möglichst gar nicht oder zumindest nur geringfürig schwankt. Hierfür wird der Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 gewählt. Vorzugsweise wird ein stationärer Teillastbetriebspunkt gewählt.
  • In dem Teillastbetriebspunkt befindet sich die Brennkraftmaschine 1 aufgrund der eher niedrigen Last zumeist im Schichtbetrieb. Daraus resultiert eine weitgehend gleichbleibende Energiezufuhr zu dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1.
  • Insgesamt ergeben sich damit für die Durchführung der Diagnose des Alterungszustands des Katalysators 12 einerseits der Teillastbetriebspunkt und andererseits der Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1 als Voraussetzungen.
  • Zum Beispiel aufgrund einer Katalysatorregenerierung ist es möglich, dass sich die Brennkraftmaschine 1 auch im Teillastbetrieb im Homogenbetrieb befindet. In derartigen Fällen wird die Diagnose nicht durchgeführt oder abgebrochen.
  • Es wird damit in einer ersten Phase von dem Steuergerät 18 geprüft, in welchem Betriebszustand sich die Brennkraftmaschine 1 befindet. Liegt der Teillastbetriebspunkt und der Schichtbetrieb vor, so werden noch weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 überprüft, die ebenfalls für die Durchführung der Diagnose des Katalysators 12 vorliegen müssen. Dabei handelt es sich z. B. um die Betriebstemperatur und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 und/oder den Fahrerwunsch, also die angeforderte Last. Ebenfalls wird überprüft, ob die Temperatur des Katalysators 12 über dessen sogenannter Anspringtemperatur liegt.
  • Liegen die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 in einem für die Diagnose erforderlichen Wertebereich oder über einer erwünschten Schwelle, so wird in einer zweiten Phase von dem Steuergerät 18 die Diagnose durchgeführt. Sollten sich die Betriebsgrößen während der Durchführung der Diagnose aus dem zulässigen Wertebereich herausbewegen, so wird die Diagnose abgebrochen.
  • In der zweiten Phase wird von dem Steuergerät 18 die Temperaturerhöhung hinter dem Katalysator 12 gemessen. Wie bereits erläutert wurde, wird diese Temperaturerhöhung von dem Steuergerät 18 ausgewertet, indem ein Vergleich mit einem Referenzwert stattfindet. Dieser Referenzwert kann auf einem neuen Katalysator oder einem sogenannten Grenzkatalysator oder einem sonstigen, speziell für diesen Zweck vorgesehenen oder modellierten Katalysator basieren.
  • Des Weiteren ist es möglich, nach einer Verbrennung zusätzlich Kraftstoff in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 einzuspritzen. Dies bewirkt eine zusätzliche Temperaturerhöhung und damit eine höhere Genauigkeit der Diagnose. In ähnlicher Weise ist es möglich, zusätzlichen Kraftstoff über eine Tankentlüftung dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen.
  • Als weitere Möglichkeit kann während einer Teillastbetriebsphase der Brennkraftmaschine 1 die Diagnose z. B. zuerst ohne eine zusätzliche Kraftstoffzuführung und danach mit einer zusätzlichen Kraftstoffzuführung durchgeführt werden. Die daraus resultierenden Temperaturerhöhungen können miteinander verglichen werden. Aus der Differenz kann dann von dem Steuergerät 18 auf den Alterungszustand und damit auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12 geschlossen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff einem Brennraum (4) zugeführt und dort verbrannt wird, bei dem bei der Verbrennung entstehendes Abgas einem Katalysator (12) zugeführt wird, und bei dem eine dem Katalysator (12) zugehörige Temperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators (12) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose eine Temperatur in und/oder nach dem Katalysator (12) gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Temperatur mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Teillastbetriebspunkt gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während der Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während der Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine (1) in den Brennraum (4) direkt eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose in der zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
7. Computerprogramm für ein Steuergerät (18) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Programmcode, der dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird.
8. Computerprogramm nach Anspruch 7, wobei der Programmcode auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
9. Steuergerät (18) für eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei Kraftstoff einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) zugeführt und dort verbrannt wird, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas einem Katalysator (12) zugeführt wird, und wobei eine dem Katalysator (12) zugehörige Temperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät (18) in einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators (12) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt wird.
10. Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei Kraftstoff einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) zugeführt und dort verbrannt wird, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas einem Katalysator (12) zugeführt wird, und wobei eine dem Katalysator (12) zugehörige Temperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Steuergerät (18) in einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators (12) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt wird.
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