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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.
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Ein derartiges Verfahren und ein
derartiges Steuergerät
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 der 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.
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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.
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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. 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.