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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit
Abgasreinigungssystem, wobei ein Motorlambdawert in Abhängigkeit von einer
modellierten oder gemessenen Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der
Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen
Motorlambdawert eingestellt wird, daß eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die
ermittelte Temperatur an der wenigstens einen Stelle der Abgasanlage einen
vorbestimmten ersten Temperaturwert überschreitet, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Katalysatoren von Brennkraftmaschinen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, altern bei
Beaufschlagung mit hohen Temperaturen, wobei sich das Anspringverhalten
verschlechtert, d. h. eine gleiche Konvertierungsrate wird erst bei höherer
Katalysatortemperatur erreicht, und/oder die Spitzenkonvertierungsrate, die bei 3-Wege-
Katalysatoren üblicherweise > 99% für HC, CO und NOx beträgt, nimmt ab. Dieser
Prozeß nimmt mit steigender Alterungsrate überproportional zu.
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Im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine können sehr hohe Abgas- und
Katalysatortemperaturen von ggf. über 1.000°C auftreten, die ggf. binnen kurzer
Einwirkdauer einen Abgaskatalysator in unzulässiger Weise schädigen, so daß
Emissionsgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden. Dies ist insbesondere bei
Abgasreinigungssystemen mit zumindest einem motornahen Katalysator (Vorkatalysator
oder Hauptkatalysator) der Fall, da über die kurze nicht-adiabate Abgasleitung auch nur
wenig Wärme abgeführt wird.
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Es ist bekannt, die Abgastemperatur bei zumindest nahezu Motorvollast durch
unterstöchiometrischen Motorbetrieb zu begrenzen. Der in den Brennraum eingebrachte
Kraftstoff wird wegen des Sauerstoffmangels nicht vollständig verbrannt. Dadurch
erreichen die Brennraumgase bei gleicher zugeführter Energie eine geringere
Temperatur. Zusätzlich kühlt die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffes die
Brennraumgase. Ferner wird in diesem Betriebsmodus der Restsauerstoff im Abgas
abgesenkt, so daß weniger Exothermie in dem bzw. den Katalysatoren erzeugt wird.
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Üblicherweise wird eine maximal zulässige Abgaskatalysatortemperatur vorgegeben und
das Motorlambda in Abhängigkeit von der Abweichung der ermittelten
Abgaskatalysatortemperatur von der maximal zulässigen Abgaskatalysatortemperatur
eingestellt. Ebenso ist es bekannt, zusätzlich eine oder mehrere Abgas- bzw.
Katalysatortemperaturen an verschiedenen Stellen des Abgasreinigungssystems auf
Abweichungen von vorbestimmten Maximaltemperaturen zu überwachen und das
Motorlambda in Abhängigkeit von der kritischsten Stelle einzustellen.
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Nachteilig ist, daß mit diesen Maßnahmen eine unerwünschte Verbrauchserhöhung
verbunden ist. Daher werden Bestrebungen unternommen, den Mehrverbrauch dieser
Bauteilschutzmaßnahmen so weit wie möglich zu begrenzen. So wird beispielsweise in
der DE 196 09 923 ein gestuftes Phase-In von Überhitzungsschutzmaßnahmen
beschrieben. Es wird zunächst eine erste, schwächer ausgeprägte Maßnahme ergriffen,
deren Erfolg hinsichtlich einer Temperaturabsenkung geprüft wird, wobei im Falle nicht
ausreichender Temperaturabsenkung eine zweite, stärker wirksame Maßnahme
ergriffen wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß eine gewisse Überlastung der
Abgasreinigung in Kauf genommen wird, um eine Verbrauchsminderung zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art
dahingehend zu verbessern, daß eine Minderung des Mehrverbrauchs durch eine
Abgas- und Abgasreinigungsanlagentemperatur bedingte Motorlambdaeinstellung ohne
Überlastung der Abgasreinigung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in
Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Motorlambdawert erst dann zur
Absenkung der Abgastemperatur vom Wert für den Normalbetrieb in einen
temperaturabhängigen Motorlambdawert verändert wird, wenn die ermittelte Temperatur
den vorbestimmten ersten Temperaturwert für einen vorbestimmten Zeitraum
überschritten hat.
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Dies hat den Vorteil, daß kurzfristige Überschreitungen der Grenztemperatur für das
Abgasreinigungssystem, welche durch anschließende Abkühlphasen zeitnah wieder
ausgeglichen werden, erkannt werden können, so daß dort keine Abweichung vom Wert
des Motorlambdawertes vom Normalbetrieb durchgeführt wird, so daß sich im
Gesamtbetrieb ein reduzierter Kraftstoffverbrauch durch weniger aggressiv greifende
Bauteilschutzmaßnahmen mittels Veränderung des Motorlambdawertes ergeben. Ferner
wird eine unterschiedliche Wichtung der verschiedenen temperaturkritischen Stellen bei
der bauteilschutzbedingten Einstellung des Motorlambdawertes erzielt und es wird
zwischen kurzzeitigen Belastungen, beispielsweise bei Beschleuningungsvorgängen,
und länger andauernder Belastung, beispielsweise bei Vollgasfahrt bergauf,
unterschieden.
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Zum Berücksichtigen von unterschiedlichen Dynamiken der Temperaturveränderung an
verschiedenen Stellen in der Abgasanlage wird der vorbestimmte Zeitraum für
unterschiedliche kritische Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt.
Beispielsweise wird der vorbestimmte Zeitraum um so länger gewählt, je näher die
kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine liegt.
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Bevorzugt wird die Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle stromauf, stromab
und/oder an einem Hauptkatalysator und/oder Vorkatalysator bestimmt.
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Um eine irreversible Schädigung des Abgasreinigungssystems zu verhindern, wird der
Motorlambdawert vor Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes vom Wert für den
Normalbetrieb in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt, wenn die
ermittelte Temperatur innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes einen zweiten
vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, welcher größer ist als der vorbestimmte
erste Temperaturwert.
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Zum Berücksichtigen von unterschiedlichen Dynamiken der Temperaturveränderung an
verschiedenen Stellen in der Abgasanlage wird der vorbestimmte zweite Temperaturwert
für unterschiedliche kritischen Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt.
Beispielsweise wird der vorbestimmte zweite Temperaturwert um so höher gewählt, je
näher die kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine
liegt.
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Zweckmäßigerweise wird der Motorlambdawert sofort oder gefiltert vom Wert des
Normalbetriebs in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der
Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in
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Fig. 1 eine graphische Darstellung eines ersten Temperaturverlaufes der
Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator sowie eines Motorlambdawertes
über die Zeit mit und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung eines zweiten Temperaturverlaufes der
Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator sowie eines Motorlambdawertes
über die Zeit mit und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren und
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Fig. 3 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes der Abgastemperatur
vor einem Vorkatalysator und vor einem Hauptkatalysator über die Zeit mit
und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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Erfindungsgemäß wird eine Einwirkdauer der Temperatur bzw. der Überschreitung einer
vorbestimmten ersten Temperatur als Kriterium für die Einstellung eines
Motorlambdawertes herangezogen. Für einen vorbestimmten Zeitraum kann eine
Dauerbelastungs-Temperaturgrenze um eine vorgegebene Temperaturdifferenz ohne
Vorgabe eines vom Normalbetrieb abweichend, temperaturabhängigen
Motorlambdawertes überschritten werden. Hält die Temperaturüberlastung länger an, so
wird der Motorlambdawert sofort oder gefiltert auf den temperaturabhängigen
Motorlambdawert überführt, um Schäden durch eine thermische Dauerbelastung zu
vermeiden bzw. zu mindern.
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Ferner wird der Ort des Auftretens der Temperaturüberschreitung im Abgassystem bei
der Ermittlung des temperaturabhängigen Motorlambdawertes berücksichtigt. Nahe am
Zylinderkopf herrscht wegen der bis zu dieser Laufstrecke noch geringen thermischen
Trägheit der Abgasanlage eine sehr schnell der Last folgende Temperaturdynamik, die
weiter stromab und insbesondere hinter dem bzw. den Katalysatoren deutlich nachläßt.
Somit laufen Erhitzungs- und Abkühlvorgänge vor einem motornahen Vorkatalysator
schneller ab als in der Mitte eines motorferner angeordneten großvolumigen
Hauptkatalysators. Daher kann eine Temperaturüberlastung im Abgas stromauf eines
motornahen ersten Katalysators für einen längeren Zeitraum zugelassen werden als
eine Temperaturüberlastung an nachfolgenden kritischen Stellen der Abgasanlage, da
bei negativen Last- oder Drehzahländerungen oder bei Einstellung eines
temperaturabhängigen Motorlambdawertes an einer motornahen Stelle mit einer
schnelleren Auskühlung und somit Behebung der kritischen Situation gerechnet werden
kann.
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Überschreitet jedoch die Meßtemperatur bereits innerhalb des vorbestimmten Zeitraums
einen vorbestimmten zweiten Temperaturwert, welcher höher ist als der vorbestimmte
erste Temperaturwert für diese Meßstelle, d. h. mit anderen Worten, wenn die
Temperaturdifferenz zwischen Meßtemperatur und vorbestimmten ersten
Temperaturwert größer als ein vorbestimmter Wert wird, so ist es sinnvoll, den
temperaturabhängigen Motorlambdawert bereits vor Ablauf des vorgegebenen
Zeitraumes einzustellen, um irreversible Katalysatorschädigungen auszuschließen.
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Fig. 1 und 2 veranschaulichen graphisch einen erfindungsgemäßen, dynamischen
Bauteilschutz. Hierbei ist auf einer horizontalen Achse 10 die Zeit, auf einer ersten
vertikalen Achse 12 eine Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator und auf einer
zweiten vertikalen Achse 14 ein Motorlambdawert aufgetragen. Wert 16 auf der
Achse 14 entspricht einem Motorlambdawert von 1, Linie 18 entspricht dem
vorbestimmten ersten Temperaturwert (in diesem Beispiel 900°C) und Linie 20
entspricht dem vorbestimmten zweiten Temperaturwert (in diesem Beispiel 940°C).
Graph 22 zeigt den Temperaturverlauf der Abgastemperatur über die Zeit ohne
Bauteilschutzeingriff, Graph 24 zeigt den Temperaturverlauf der Abgastemperatur über
die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der Technik und Graph 26 zeigt den
Temperaturverlauf der Abgastemperatur über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren. Graph 28 zeigt den Verlauf des Motorlambdawertes
über die Zeit ohne Bauteilschutzeingriff, Graph 30 zeigt den Verlauf des
Motorlambdawertes über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der Technik und
Graph 30 zeigt den Verlauf des Motorlambdawertes über die Zeit mit
Bauteilschutzeingriff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bezugsziffer 34
bezeichnet einen ersten Zeitpunkt T0, Bezugsziffer 36 bezeichnet einen zweiten
Zeitpunkt T1, Bezugsziffer 38 bezeichnet einen dritten Zeitpunkt T2, Bezugsziffer 40
bezeichnet einen vierten Zeitpunkt T3 und Bezugsziffer 42 bezeichnet einen fünften
Zeitpunkt T4. In Fig. 2 bezeichnet Bezugsziffer 44 einen sechsten Zeitpunkt TKR. Die
Zeitdifferenz zwischen dem dritten und vierten Zeitpunkt 38 und 40 entspricht dem
vorbestimmten Zeitraum 46.
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Fig. 1 veranschaulicht graphisch einen Lastsprung Teillast-Vollast zum Zeitpunkt T0 34,
beispielsweise bei Einfahrt in eine längere, starke Steigung. Das
Abgasreinigungssystem umfaßt beispielhaft einen motornahen Vorkatalysator und einen
weiter stromab angeordneten Hauptkatalysator, wobei in Fig. 1 der zeitliche Verlauf der
Abgastemperatur (Achse 12) vor dem Vorkatalysator veranschaulicht ist. Die
Abgastemperatur steigt vor dem Vorkatalysator nach dem Zeitpunkt T0 34 infolge des
Lastsprunges zum Zeitpunkt T0 34 schnell an und nähert sich zum Zeitpunkt T1 36 einer
kritischen Temperaturschwelle in Form der vorbestimmten ersten Temperaturwertes 18
bei 900°C. Im Stand der Technik (Graphen 24, 30) wird das Motorlambda (Graph 30)
bereits ab dem Zeitpunkt T1 36 auf Werte < 1 eingestellt (Graph 24), um
Abgastemperaturen > 900°C sicher auszuschließen. Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird zunächst in einem Zeitintervall 46 zwischen T2 38 bis T3 40 geprüft, ob
die Temperaturdifferenzschwelle von 40K bzw. der vorbestimmte zweite Temperaturwert
von 940°C überschritten wird. In dem Beispiel gemäß Fig. 1 ist dies nicht der Fall, so
daß nach Verstreichen des Zeitintervalls 46 von beispielsweise 5 Sekunden durch
allmähliches (oder sofortiges) Einstellen eines entsprechenden Motorlambdawertes
(Graph 32) nach dem Zeitpunkt T3 40 die Abgastemperatur (Graph 26) unter die
Dauerbelastungsschwelle 18 absenkt wird. Damit setzt der aus der Veränderung des
Motorlambdawertes resultierende Mehrverbrauch erst zu einem späteren Zeitpunkt ein.
Insgesamt liegt die Abgastemperatur (Graph 26) für das Intervall T2 38 bis T4 42
oberhalb der Dauerbelastungsgrenze 18.
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In dem alternativen Beispiel gemäß Fig. 2 wird noch innerhalb des Zeitintervalls 46 zum
Zeitpunkt TKR 44 die Temperaturdifferenzschwelle (harte Schwelle) bzw. der
vorbestimmte zweite Temperaturwert 20 von 940°C überschritten und der
Motorlambdawert (Graph 32) wird mit steilem Gradienten auf den zur Unterschreitung
der Dauerbelastungsgrenze 18 erforderlichen Wert gesetzt. Damit fällt das
Intervall T2 38 bis T4 42 kürzer aus als im Beispiel gemäß Fig. 1.
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Fig. 3 veranschaulicht die Bedeutung unterschiedlicher Zeitintervalle (vorbestimmter
Zeitraum) für die Zulassung thermischer Überlastung für zwei verschiedene Positionen
bzw. Meßstellen in der Abgasanlage. Auf einer vertikalen Achse 48 ist die Temperatur
und auf einer horizontalen Achse 40 ist die Zeit aufgetragen. Linie 52 bezeichnet eine
maximal zulässige Temperatur für den Vorkatalysator und Linie 54 bezeichnet eine
maximal zulässige Temperatur für den Hauptkatalysator. Graph 56 zeigt den Verlauf der
Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator ohne Bauteilschutzeingriff und Graph 60 zeigt
den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator mit Bauteilschutzeingriff
gemäß der Erfindung. Graph 62 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem
Hauptkatalysator ohne Bauteilschutzeingriff, Graph 64 zeigt den Verlauf der
Abgastemperatur vor dem Hauptkatalysator mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der
Technik und Graph 66 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Hauptkatalysator
mit Bauteilschutzeingriff gemäß der Erfindung.
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Während vor dem Vorkatalysator (Graph 60) aufgrund der niedrigen thermischen
Trägheit der Abgasanlage eine Änderung der Einstellung des Motorlambdawertes
(Graph 64) sehr schnell eine Absenkung der Temperatur bewirkt, ist bei einer Meßstelle
mitten im Hauptkatalysator auch bei sofortigem Einstellen eines temperaturbedingt
niedrigen Motorlambdawertes nach Überschreiten einer kritischen
Temperaturschwelle 54 nur mit einem langsamen Abnehmen der Bauteiltemperatur zu
rechnen. Lange Zeitintervalle würden hier das Risiko einer thermischen Überlastung
ansteigen lassen.
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Bei der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator (Graph 60) wird nach einem
Lastsprung zum Zeitpunkt TA 68 die Dauerbelastungsschwelle 52 überschritten und zum
Zeitpunkt TB 70 der Bauteilschutz eingeleitet. Zum Zeitpunkt TC 72 ist die
Abgastemperatur wieder unter der Dauerbelastungsschwelle 52.
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Bei der Temperatur im Hauptkatalysator (Graph 64) nach einem gleichartigen
Lastsprung wird zum Zeitpunkt TA' 74 der Bauteilschutz eingeleitet. Das Zeitintervall
vom Zeitpunkt TA' 74 bis zum Zeitpunkt TB' 76 entspricht dem Zeitintervall vom
Zeitpunkt TA 68 bis zum Zeitpunkt TB 70. Die Temperatur steigt wegen der höheren
thermischen Trägheit der vorgeschalteten Abgasanlage langsamer an als die
Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator. Aus diesem Grunde dauert aber auch die
Auskühlung länger und insgesamt ist das bauteilkritische Intervall vom Zeitpunkt TA' 74
bis zum Zeitpunkt TC' 78 (Graph 64) länger als das Intervall vom Zeitpunkt TA 68 bis
zum Zeitpunkt TC 72. Insbesondere temperaturempfindliche NOx-Speicherkatalysatoren
werden durch die lange Einwirkdauer sehr stark geschädigt, auch wenn die
Temperaturspitze den Dauerbelastungswert 54 weniger stark übersteigt als die
Abgastemperatur (Graph 60) vor dem Vorkatalysator. Bei dem erfindungsgemäßen
verfahren gemäß Graph 66 fällt die Temperaturspitze und die Dauer der
Temperaturüberschreitung (Intervall vom Zeitpunkt TA' 74 bis zum Zeitpunkt TC" 80)
wesentlich geringer aus.