Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben
eines Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine zu
schaffen, mit dem die Alterung des Speicherkatalysators
erkannt werden kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auf dieser Grundlage führt das Steuergerät 18 eine Diagnose
des Alterungszustands des Katalysators 12 durch.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.