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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Steuergerät nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Dabei versteht es sich, dass der
Verbrennungsmotor jeweils mehrere Brennräume, Turbolader und Katalysatoren aufweisen
kann.
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Turbolader
liefern bei niedrigen Motordrehzahlen üblicherweise nicht genügend Ladedruck
für eine
wirkungsvolle Aufladung des Verbrennungsmotors. Dabei wird unter
einer wirkungsvollen Aufladung eine signifikante Steigerung der
Brennraumfüllungen und
damit des Drehmomentes des Verbrennungsmotors im Vergleich zu einem
frei ansaugenden Verbrennungsmotor verstanden. Dies liegt an der
bei niedrigen Drehzahlen geringen Enthalpie des Abgases. Als Folge
entwickeln Motoren mit Turbo-Aufladung erst ab einer Drehzahlschwelle,
die in der Regel bei etwa 1500–2000
min–1 liegt,
sprunghaft mehr Ladedruck und damit mehr Drehmoment. Im Vergleich der
jeweils bei Volllast oberhalb und unterhalb der Drehzahlschwelle
erzeugten Werte ist der Wert des unterhalb der Drehzahlschwelle
erzeugten Drehmoments so gering, dass man auch von einem Turboloch
spricht. Um die Fahrbarkeit zu verbessern, wird generell versucht,
das von aufgeladenen Verbrennungsmotoren bei hohen Lasten und niedrigen
Drehzahlen erzeugte Drehmoment zu erhöhen.
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Bei
variabler Stellung der Einlass- und/oder Auslassnockenwelle kann
das Drehmoment durch ein Überströmen von
Ansaugluft aus dem Ansaugsystem durch den Brennraum in das Abgassystem vergrößert werden.
Dazu werden die Auslassventile beim Ladungswechsel-OT (OT = oberer
Totpunkt) später
geschlossen und/oder die Einlassventile früher geöffnet. Die während der
damit vergrößerten Ventilüberschneidung
bei gleichzeitig offenem Einlassventil und Auslassventil eines Brennraums
vom Ansaugsystem in das Abgassystem überströmende Luftmasse nimmt nicht
an der anschließend
bei geschlossenen Ventilen erfolgenden Verbrennung im Brennraum
teil. Sie führt
jedoch aus zwei Gründen
zu der gewünschten
Erhöhung
des vom Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments. Erstens wird der Restgasanteil
einer Brennraumfüllung
als Folge des Überströmens verringert,
so dass für
eine nachfolgende Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung steht,
und zweitens erhöht
die überströmende Luftmasse
den Abgasmassenstrom und damit die Leistung des Turboladers. Ein
Ansteigen der Klopfneigung als Folge des sinkenden Restgasgehalts
kann durch eine Anfettung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Brennraum,
das eine effizientere Zündung
ermöglicht,
verhindert werden. Der Begriff der Anfettung wird im Folgenden auch
als Maß für den im
Vergleich mit einem stöchiometrischen
Kraftstoff/Luft-Gemisch überschüssigen Kraftstoff
benutzt.
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Durch
die Anfettung werden jedoch reduzierende Abgasbestandteile erzeugt,
die zusammen mit oxidierenden Bestandteilen der übergeströmten Luftmasse am Katalysator
exotherm reagieren. Bei länger
andauerndem Betrieb des Verbrennungsmotors mit überströmender Luft kann dies zu einer
unerwünscht
starken Aufheizung und thermischen Schädigung des Katalysators führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Verfahrens und eines Steuergeräts der jeweils eingangs genannten Art,
mit dem sich eine solche Schädigung
jeweils sicher verhindern lässt.
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Diese
Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 10
gelöst.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Durch
die Merkmale des Anforderns eines ersten Ausmaßes einer Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luftgemisches,
des Prüfens,
ob ein Überhitzungsrisiko
für den
Katalysator besteht, und des Ergreifens einer Maßnahme, die eine durch exotherme
Reaktionen im Katalysator freigesetzte Wärmemenge beim Bestehen eines Überhitzungsrisikos beschränkt, kann
eine beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit überströmender Luft auftretende Aufheizung
des Katalysators rechtzeitig verringert werden, bevor die Temperatur
des Katalysators kritische Werte annimmt.
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Bevorzugt
ist auch, dass das Abschätzen
in Abhängigkeit
von einer aktuellen Temperatur des Katalysators und einer Temperaturerhöhung erfolgt,
die aufgrund exothermer Reaktionen reduzierender und oxidierender
Abgasbestandteile zu erwarten ist. Diese beiden Größen charakterisieren
das Überhitzungsrisiko.
Ihre Berücksichtigung
erlaubt daher eine Steuerung der Überströmung ohne die Gefahr einer thermischen
Beschädigung
des Katalysators.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Ausmaß der Anfettung
so vorbestimmt wird, dass sich im Abgas ein für die Funktion des Katalysators
erforderliches Verhältnis
von reduzierenden und oxidierenden Abgasbestandteilen einstellt.
Der Kraftstoff lässt
sich in einer Ausgestaltung insbesondere so dosieren, dass die Verbrennung
fetter Brennraumfüllungen
reduzierende Abgasbestandteile wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe
und Kohlenmonoxid in einer solchen Menge erzeugt, dass sich zusammen
mit dem Sauerstoff der übergeströmten Luftmasse
im Abgas stöchiometrische
Verhältnisse
ergeben. Als erwünschte
Folge kann eine Abgasreinigung, die über einen Drei-Wege-Katalysator
erfolgt, aufrecht erhalten werden.
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Bevorzugt
ist auch, dass die zum Schutz des Katalysators ergriffene Maßnahme einen
Schritt einer Verringerung der überströmenden Luftmasse aufweist.
Damit wird der für
eine exotherme Reaktion im Abgassystem zur Verfügung stehende Sauerstoff beschränkt. Als
Folge wird die bei solchen Reaktionen frei werdende Wärmemenge
beschränkt,
so dass eine Überhitzung
vermieden wird.
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Eine
weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die zum Schutz
des Katalysators ergriffene Maßnahme
einen Schritt einer Anforderung eines zweiten Ausmaßes einer
Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches aufweist, wobei
das zweite Ausmaß so
bemessen ist, dass nur ein Teil der überströmenden Luftmasse im Katalysator
exotherm reagieren kann.
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Diese
Ausgestaltung eröffnet
die Möglichkeit,
große
Luftmengen überströmen zu lassen
und die bei exothermen Reaktionen frei werdende Wärme durch
eine Beschränkung
des für
exotherme Reaktionen zur Verfügung
stehenden Kraftstoffs zu beschränken.
Große überströmende Luftmengen
vergrößern den
Abgasmassenstrom und damit die Antriebsleistung für den Turbolader.
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Bevorzugt
ist auch, dass das zweite Ausmaß der
Anfettung als ein Kraftstoffäquivalent
einer überströmenden Luftmasse
bestimmt wird, die bei einer vollständigen exothermen Reaktion
noch keine Überhitzung
des Katalysators bewirkt.
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Äquivalenz
bedeutet hier, dass die äquivalente
Kraftstoffmasse zusammen mit der dem Sollwert entsprechenden überströmenden Luftmasse
ein stöchiometrisches
Mischungsverhältnis
ergibt. Nur dieser Teil der insgesamt überströmenden Luftmasse reagiert dann
im Katalysator mit der äquivalenten Kraftstoffmasse.
Der übrige
Teil der überströmenden Luftmasse
reagiert nicht, steht aber dennoch für den Antrieb der Turbine zur
Verfügung.
Bei dieser Ausgestaltung wird die Möglichkeit, große Luftmengen überströmen zu lassen,
mit einer für
den Katalysator gerade noch tolerierbaren Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches
kombiniert. Große überströmende Luftmengen
vergrößern den
Abgasmassenstrom und damit die Antriebsleistung für den Turbolader.
Die Anfettung trägt
sowohl zu einer Begrenzung der NOx-Emissionen als auch zu einem kühleren Abgas
bei, mit dem Bauteile wie Turbolader, die im Abgassystem stromaufwärts des
Katalysators angeordnet sind, vor Überhitzung geschützt werden.
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Für einen
sicheren Schutz solcher Bauteile vor einer Überhitzung sieht eine weitere
Ausgestaltung vor, dass ein drittes Ausmaß einer Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luftgemisch
des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit
von einer Temperatur einer Komponente des Abgassystems gebildet
wird, die in Strömungsrichtung
der Abgase vor dem Katalysator angeordnet ist, das dritte Ausmaß mit dem ersten
Ausmaß verglichen
wird und die Anfettung mit dem größeren Ausmaß eingestellt wird.
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Durch
diese Ausgestaltung wird ein optimaler Kompromiss zwischen Forderungen
nach einem Schutz von Bauteilen und einer möglichst guten Abgasreinigung
erzielt.
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Ferner
ist bevorzugt, dass das dritte Ausmaß der Anfettung mit dem zweiten
Ausmaß der
Anfettung verglichen wird und dass dann, wenn das zweite Ausmaß kleiner
als das dritte Ausmaß ist,
der Wert der überströmenden Luftmasse
verringert wird.
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Als
Folge wird eine Beschränkung
der überströmenden Luftmasse
erst dann vorgenommen, wenn ein Bauteileschutz eine Anfettung fordert,
die in Verbindung mit der überströmenden Luftmasse
zu einer kritisch großen
Wärmefreisetzung
führen
würde. Dem
Bauteileschutz wird damit erst dann eine höhere Priorität zugestanden,
wenn dies erforderlich ist. Dadurch kann die erwünschte Überströmung so lange wie möglich beibehalten
werden.
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Durch
eine im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung erfolgende Vorgabe eines
Basiswerts der überströmenden Luftmasse,
der von einer Temperatur des Katalysators unabhängig ist, und so vorbestimmt
ist, dass der Verbrennungsmotor bei Einstellung der überströmenden Luftmasse
auf den Basiswert mehr Drehmoment erzeugt als ohne überströmende Luftmasse,
kann ein für
die erwünschte
Drehmomentsteigerung optimaler Wert der überströmenden Luftmasse als Initialwert
für Betriebspunkte
mit Volllast bei kleiner Drehzahl bestimmt werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
Verbrennungsmotor als technisches Umfeld der Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm als erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 ein
weiteres Flussdiagramm als zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 10 mit wenigstens einem Brennraum 12,
der von einem Kolben 14 beweglich abgedichtet wird. In
der gezeichneten Position nähert
sich der aufwärts
laufende Kolben 14 dem so genannten Ladungswechsel-OT,
bei dem ein Einlassventil 16 bereits öffnet, während ein Auslassventil 18 noch
offen ist. In dieser als Ventilüberschneidung
bezeichneten Phase strömt
eine Luftmasse mL_abg von einem Ansaugsystem 20 durch den
Brennraum 12 in ein Abgassystem 22. Die überströmende Luftmasse
mL_abg vergrößert den
Abgasmassenstrom m_abg über
die Turbine 24 eines Turboladers 26 und verringert
durch ihre Spülwirkung zusätzlich den
Restgasanteil an Füllungen
des Brennraums 12. Beide Effekte vergrößern die auf die Turbine 24 und
damit auch auf einen Verdichter 28 des Turboladers 26 übertragene
Leistung. Als erwünschte
Folge wird die Förderleistung
der Turbine bei niedrigen Drehzahlen und hoher Drehmomentanforderung
vergrößert.
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Der
Kurbelwellenwinkelbereich der Ventilüberschneidung wird von einem
Steuergerät 30 in
Abhängigkeit
von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 mit Stellsignalen
WEV (Winkeleinlassventil) und/oder WAV (Winkelauslassventil) gesteuert.
Dazu weist die in der 1 dargestellte Ausgestaltung
ein erstes Stellglied 32 zur Verstellung einer Ventilerhebungskurve
des Einlassventils 16 und/oder ein zweites Stellglied 34 zur
Verstellung einer Ventilerhebungskurve des Auslassventils 18 auf. Die
Stellglieder 32, 34 verstellen in einer Ausgestaltung
die Phasenlage einer Einlassnockenwelle 36 relativ zur
Phasenlage einer Auslassnockenwelle 38 und damit die Ventilüberschneidung.
Es versteht sich aber, dass auch andere Verstellmechanismen, z.
B. Verstellungen des Ventilhubs zur Steuerung der Ventilüberschneidung
benutzt werden können.
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Die über das
Ansaugsystem 20 in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse
mL wird in der 1 durch die Pfeile 42 repräsentiert.
Ihr Betrag wird vom Luftmassenmesser 40 erfasst und als
Signal mL an das Steuergerät 30 übergeben.
Das Steuergerät 30 verarbeitet
darüber
hinaus Signale weiterer Sensoren 44, 46 und 48.
Der Sensor 44 erfasst einen Fahrerwunsch FW und damit eine
Drehmomentanforderung durch einen Fahrer eines Kraftfahrzeuges,
das vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Ein Winkelsensor 46 erfasst
einen Kurbelwellenwinkel KWW als Winkelstellung eines mit der Kurbelwelle
gekoppelten Geberrades 50. Bin Abgassensor 48, der
vorzugsweise vor einem Dreiwegekatalysator 52 angeordnet
ist, liefert ein Signal Lambda als Maß für die Konzentration reduzierender
und oxidierender Abgasbestandteile vor dem Eintritt in den 3-Wege-Katalysator 52.
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Es
versteht sich, dass das Steuergerät 30 zur Steuerung
des Verbrennungsmotors 10 alternativ oder ergänzend Signale
weiterer Sensoren über
Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur,
Abgastemperatur, Katalysator-Temperatur, Kühlwassertemperatur, Brennraumdruck,
Verbrennungsgeräusch
etc. verarbeiten kann. Die Erfindung ist daher nicht auf eine Verwendung
der dargestellten Sensorik mit Sensoren 40, 44, 46, 48 beschränkt. Wesentlich
ist jedoch, dass das Steuergerät 30 aus
Signalen der verwendeten Sensoren Betriebszustände mit hoher Drehmomentanforderung
bei kleiner Drehzahl n erkennt und sowohl eine Luftzahl Lambda_abg
im Abgas als auch eine Luftzahl Lambda_br im Brennraum 12 ermitteln kann.
Darüber
hinaus muss die Masse mL_abg der überströmenden Luft, die nicht an der
Verbrennung im Brennraum 12 teilnimmt, bestimmbar sein.
Die insgesamt in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse
mL ist dem Steuergerät 30 durch
Messung mit dem Luftmassenmesser 40 oder durch eine Modellierung
der Luftmasse über
die Stellglied der Drosselklappe und die aus dem Signal KWW abgeleitete
Drehzahl n möglich.
Der Anteil der überströmenden Luft
und der in den Brennräumen 12 eingeschlossenen
Luft hängt
von der Steuerung der Gaswechselventile 16, 18 und
den Drücken
im Ansaugsystem 20 und Abgassystem 22 ab und wird
im Steuergerät 30 z.
B. in Abhängigkeit
von diesen Größen modelliert.
Dabei können
die Drücke
im Ansaugsystem 20 und/oder im Abgassystem 22 selbst
gemessen oder modelliert werden.
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Die
Gemischbildung findet in der Ausgestaltung der 1 im
Brennraum 12 statt, in dem zu der Luft im Brennraum 12 Kraftstoff über einen
Injektor 54 eingespritzt wird. Dazu wird der Injektor 54 vom Steuergerät 30 mit
einer Einspritzimpulsbreite ti geöffnet. Eine Zündkerze 56,
die vom Steuergerät 30 mit
einem Zündsignal
zw (Zündwinkel)
angesteuert werden, dient zur Zündung
der Füllungen
des Brennraums 12. Die Füllungen des Brennraums 12 mit
Luft werden vom Steuergerät 30 über ein
Füllungsstellglied
eingestellt. Bei einer variablen Steuerung des Hubes des Einlassventils 16 kann
das Einlassventil 16 als Füllungsstellglied verwendet
werden. Alternativ oder ergänzend
steuert das Steuergerät 30 den Öffnungswinkel
einer Drosselklappe 58 als Füllungsstellglied mit einem
Steilsignal DK (Drosselklappe).
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
in Form eines Flussdiagramms, das vom Steuergerät 30 ausgeführt wird.
Das Steuergerät 30 ist
daher dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, wenigstens
einen der in dieser Anmeldung erläuterten Verfahrensabläufe auszuführen oder
zu steuern. Das Steuergerät 30 ist
bevorzugt das bei modernen Verbrennungsmotoren 10 bereits
vorhandene Steuergerät.
Der Schritt 60 des Flussdiagramms in der 2 repräsentiert
in diesem Zusammenhang ein übergeordnetes
Hauptprogramm HP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10,
also insbesondere ein Programm zur Steuerung der Gemischbildung
und des Drehmoments des Verbrennungsmotors 10 durch Eingriffe
auf die Füllung
der Brennräume 12 mit
Luft, die dazu passende Kraftstoffdosierung und die Auslösung von
Zündungen.
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Aus
dem Hauptprogramm 60 wird periodisch oder Interrupt-gesteuert
ein Schritt 62 erreicht, in dem überprüft wird, ob der Verbrennungsmotor 10 mit
einer überströmenden Luftmasse
mL_abg betrieben werden soll. Dies wird z. B. bei einer niedrigen Drehzahl
n des Verbrennungsmotors bei gleichzeitig großer Drehmomentanforderung der
Fall sein. Die Abfrage im Schritt 62 wird dann bejaht und
es erfolgt die Bildung eines Sollwertes mL_abg_soll für die einzustellende überströmende Luftmasse
mL_abg, wobei die Bildung in einer Ausgestaltung in Abhängigkeit
von der Drehzahl n und einer Drehmomentanforderung gebildet wird.
Ein im Schritt 64 gebildeter Sollwert mL_abg_soll der überströmenden Luftmasse mL_abg
wird zunächst
bevorzugt auf einen Basiswert mL_abg_opt gesetzt, bei dem sich eine
aus Drehmomentgründen
gewünschte Überströmung ergibt.
Im Schritt 65 wird der im Schritt 64 gebildete Sollwert
mL_abg_soll durch Ausgabe von Steilsignalen WEV und/oder WAV, die
zu einer ausreichend großen
Ventilüberschneidung
führen,
eingestellt. Der Zusammenhang zwischen dem im Schritt 64 gebildeten
Sollwert mL_abg_soll und der dazu erforderlichen Stellsignale WEV
und/oder WAV wird innerhalb des Steuergerätes 30 durch einen
Kennfeldzugriff oder eine Modellbildung in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern
gebildet.
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Anschließend erfolgt
im Schritt 66 die Bildung eines Lambda-Sollwertes Lambda_soll
für das Abgas
vor dem Eintritt in den 3-Wege-Katalysator 52. Dabei wird
der Lambda-Sollwert Lambda_soll bevorzugt zunächst so gebildet, dass sich
im Abgas ein für die
Funktion des Katalysators 52 erforderliches Verhältnis von
reduzierenden und oxidierenden Abgasbestandteilen einstellt. Für einen
3-Wege-Katalysator 52 ist dies bei einem Lambdawert von
1 der Fall. Da das Abgas überströmende Luft
enthält,
erfordert die Einstellung eines Lambdawertes von 1 am Eintritt des
Katalysators 52 eine Anfettung des im Brennraum 12 verbrannten
Gemisches aus Kraftstoff und Luft. Bin erstes Ausmaß der Anfettung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Brennraum 12 entspricht
einem ersten Lambdawert Lambda_1 und ist dadurch bestimmt, dass
sich im Abgas das für
die Funktion des Katalysators 52 erforderliche Verhältnis von
reduzierenden und oxidierenden Abgasbestandteilen einstellt.
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Als
Folge bildet sich im Abgassystem 22 ein reaktionsfähiges Gemisch
aus Sauerstoff und unverbranntem Kraftstoff, das im Katalysator 52 exotherm reagiert.
Die bei der exothermen Reaktion freigesetzte Wärmemenge Q kann, je nach Menge
der überströmenden Luft
mL_abg, dem Lambdawert vor dem Katalysator 52 und der Temperatur
des Katalysators 52, so groß sein, dass der Katalysator 52 überhitzt werden
würde.
Um eine solche schädliche Überhitzung
zu vermeiden, wird im Schritt 68 überprüft, ob ein solches thermisches
Risiko TR für
den Katalysator 52 besteht. Das Überhitzungsrisiko TR wird in
einer Ausgestaltung durch eine Modellierung der Temperaturen von
Abgas und Abgaskomponenten über Betriebsparameter
des Verbrennungsmotors 10 wie Luftmasse mL, Zündwinkel
zw, Drehzahl n, Fahrzeuggeschwindigkeit und Umgebungstemperatur modelliert.
Insbesondere wird eine exotherme Temperaturerhöhung im Katalysator 52 modelliert.
Beispielsweise kann dafür
die Temperatur des Abgases stromaufwärts des Katalysators ohne chemische
Reaktionen modelliert werden. Die Temperatur des Katalysators 52 wird
dann aus dieser Eintrittstemperatur und der zusätzlichen Erwärmung aufgrund
exothermer Reaktionen im Katalysator 52 geschätzt. Zusätzlich kann
Einfluss einer teilweise im Abgas stromaufwärts des Katalysators 52 erfolgenden
exothermen Reaktion abgeschätzt
werden. Aus den modellierten Temperaturen, den exothermen Temperaturerhöhungen und
den maximalen Temperaturen wird die maximale exotherme Erwärmung bestimmt,
bei der der Katalysator 52 gerade noch nicht zerstört wird.
Dieser maximalen exothermen Erwärmung
wird eine maximal zulässige überströmende Luftmasse
zugeordnet, wobei diese Zuordnung unter der Voraussetzung gilt,
dass im Abgas vor dem Katalysator 52 stöchiometrische Verhältnisse
herrschen. Ist die aus Drehmomentgründen einzustellende optimale überströmende Luftmasse
mL_abg_opt größer als
die so bestimmte maximal zulässige überströmende Luftmasse,
wird die Abfrage im Schritt 68 mit "ja" beantwortet.
Wenn diese Abfrage verneint wird, schließt sich ein Schritt 70 an,
in dem der im Schritt 66 für das Abgas gebildete Lambda-Sollwert
durch Verstellen des Lambdawerts im Brennraum 12 eingestellt
wird. Dabei erfolgt die Einstellung durch Anpassen der Kraftstoffdosierung über den
Injektor 54 in einer offenen Steuerkette oder auch in einer über den
Abgassensor 48 geschlossenen Regelschleife. Der Verbrennungsmotor
wird dann anschließend
zunächst weiter
im Hauptprogramm 60 mit dem entsprechenden ersten Ausmaß der Anfettung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches, also mit dem Lambdawert Lambda_1
im Brennraum 12 betrieben.
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Wird
bei der Abfrage im Schritt 68 dagegen ein Überhitzungsrisiko
TR festgestellt, verzweigt das Programm weiter zu dem Schritt 72,
in dem eine Maßnahme
ergriffen wird, die eine durch exotherme Reaktionen im Katalysator 52 freigesetzte
Wärmemenge
Q beschränkt.
Die Beschränkung
erfolgt bevorzugt durch eine Verringerung der Masse der für eine exotherme
Reaktion zur Verfügung
stehenden Reaktionspartner Kraftstoff und/oder Luft im Abgas. In
einer ersten Ausgestaltung weist die zum Schutz des Katalysators 52 ergriffene
Maßnahme
einen Schritt einer Verringerung der überströmenden Luftmasse mL_abg auf.
Dies wird in der 2 durch die gestrichelte Verbindung 71 der
Schritte 72 und 64 repräsentiert, die einen beschränkenden
Einfluss des Schrittes 72 auf die Bildung des Sollwertes mL_abg_soll
im Schritt 64 symbolisiert. Die Verringerung der überströmenden Luftmenge
mL_abg hat den Vorteil, dass der für eine optimale Abgasreinigung
erforderliche Lambdawert im Abgas vor dem Katalysator 52 bei
verringerter Wärmeentwicklung
Q im Katalysator 52 aufrechterhalten werden kann. Nachteilig
ist die Verringerung der überströmenden Luftmasse
mL_abg jedoch für
die Drehmomententwicklung des Verbrennungsmotors 10, da
die auf die Turbine 24 des Turboladers 26 übertragene
Leistung mit abnehmender überströmender Luftmasse mL_abg
absinkt.
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Dieser
Nachteil kann verringert oder vermieden werden, wenn ergänzend oder
alternativ zu einer Verringerung der überströmenden Luftmasse mL_abg die
Masse des für
eine exotherme Reaktion zur Verfügung
stehenden Kraftstoffs durch eine verringerte Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches
verringert wird. Diese Ausgestaltung wird in der 2 durch
die gestrichelte Verbindung 73 der Blöcke 72 und 66 symbolisiert.
Diese gestrichelte Verbindung 73 symbolisiert, dass die
zum Schutz des Katalysators 52 ergriffene Maßnahme einen
Schritt einer Anforderung eines zweiten Ausmaßes einer Anfettung des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches aufweist,
wobei das zweite Ausmaß so
bemessen ist, dass nur ein Teil der überströmenden Luftmasse im Katalysator 52 exotherm
reagieren kann. Der zugehörige
Lambdawert des sich dabei im Brennraum 12 einstellenden
Kraftstoff/Luft-Gemisches
wird im Folgenden auch als Lambda_2 bezeichnet. Mit dieser Ausgestaltung
kann die aus Drehmomentgründen gewünschte überströmende Luftmasse
mL_abg trotz der Gefahr einer Überhitzung
des Katalysators 52 beibehalten werden, wobei dieser Vorteil
jedoch mit dem Nachteil einer suboptimalen Abgasreinigung durch
eine Abmagerung des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches
vom ersten Ausmaß der
Anfettung auf ein zweites, kleineres Ausmaß der Anfettung erkauft wird.
Das zweite Ausmaß der
Anfettung wird im Schritt 72 bevorzugt als ein Kraftstoffäquivalent
einer überströmenden Luftmasse
bestimmt, die bei einer vollständigen
exothermen Reaktion noch keine Überhitzung
des Katalysators 52 bewirkt.
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Die
Temperatur des Katalysators 52 kann gemessen und/oder durch
ein im Steuergerät 30 gerechnetes
Katalysatortemperaturmodell geschätzt werden. Solche Modelle
gehören
zum Stand der Technik und bedürfen
daher an dieser Stelle keiner näheren
Erläuterung.
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Weitere
Ausgestaltungen berücksichtigen zusätzlich Forderungen
nach einem Schutz anderer Bauteile des Abgassystems 22 vor
einer thermischen Überlastung.
Besonders gefährdet
ist in diesem Zusammenhang der Turbolader 24, dessen Temperatur ebenfalls
gemessen oder vom Steuergerät 30 mit
einem Temperaturmodell aus anderen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 berechnet
wird.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm einer solchen Ausgestaltung. Das Flussdiagramm
der 3 ersetzt den Schritt 72 aus der 2.
Im Flussdiagramm der 3 schließt sich an die bereits beschriebenen
Schritte 60–70 der 2 ein
Schritt 74 an, wenn im Schritt 68 ein Überhitzungsrisiko
TR festgestellt worden ist. Im Schritt 74 wird ein zweites Ausmaß der Anfettung
des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches als Kraftstoffäquivalent
der überströmenden Luftmasse
bestimmt, die bei einer vollständigen
exothermen Reaktion auch keine Überhitzung
des Katalysators bewirkt. Dem zweiten Ausmaß entspricht entspricht ein
zweiter Lambdawert Lambda_2, wobei Lambda_2 umso kleiner ist, je
größer das
zweite Ausmaß ist.
Anschließend
erfolgt im Schritt 76 die Bestimmung eines dritten Maßes der Anfettung
des Brennraum-Kraftstoff/Luft-Gemisches, das einem dritten Lambdawert
Lambda_3 entspricht. Das dritte Maß wird gerade so bestimmt,
dass bei seiner Einstellung der Turbolader 26 vor einer Überhitzung
geschützt
wird. Der Überhitzungsschutz
basiert dabei auf der geringeren Verbrennungsenthalpie durch unvollständige Verbrennung
auf Grund des im im Überschuss
dosierten Kraftstoffs, die zu einer Verringerung der Abgastemperatur
führt.
Es versteht sich, dass dadurch nicht nur der Turbolader 26,
sondern auch andere Komponenten des Abgassystems 22 oder
des Verbrennungsmotors 10, die in Strömungsrichtung der Abgase vor
dem Katalysator 52 liegen, vor einer Überhitzung geschützt werden.
Das Auslassventil 18 und der Abgassensor 48 sind
Beispiele solcher Komponenten.
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Insgesamt
werden bei dieser Ausgestaltung also drei Ausmaße oder Anforderungen von Anfettungen
bestimmt. Dabei wird das erste Ausmaß (oder Lambda_1) so bestimmt,
dass die Abgasreinigung optimiert wird. Das zweite Ausmaß (oder
Lambda_2) wird so bestimmt, dass auch dann keine Überhitzung des
Katalysators eintritt, wenn die maximal mögliche überströmende Luftmasse mit dem fetten
Abgas vollständig
im Katalysator reagiert. Die exotherme Wärmeentwicklung wird dabei nicht
durch die überströmende Luftmasse,
sondern durch den überschüssigen Kraftstoff
beschränkt.
Das dritte Ausmaß (oder Lambda_3)
wird so bestimmt, dass keine Komponente im Abgassystem durch die
Temperatur der Abgase des Verbrennungsmotors zerstört werden
kann. Es versteht sich, dass der Bauteileschutz die höchste Priorität besitzen
muss. Bei unkritischen Temperaturen, bei denen der Bauteileschutz
bereits bei dem ersten Ausmaß der
Anfettung sichergestellt ist und auch noch kein Überhitzungsrisiko für den Katalysator
besteht, kann das erste Ausmaß der
Anfettung eingestellt werden, um die Abgasreinigung zu optimieren.
Das zweite Ausmaß wird
eingestellt, wenn das erste Ausmaß der Anfettung zu einer Katalysatorschädigung führen könnte und
das zweite Ausmaß gleichzeitig
zum Bauteileschutz ausreichend ist. Das dritte Ausmaß wird eingestellt,
wenn es größer als das
erste und größer als
das zweite Ausmaß ist.
In diesem Fall muss zusätzlich
die überströmende Luftmasse
mL_abg beschränkt
werden, um eine Überhitzung
des Katalysators 52 zu vermeiden. Die Ausgestaltung der 3 erfüllt diese
verschiedenen Anforderungen.
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Dazu
wird im Schritt 78 zunächst überprüft, ob ein
dem zweiten Ausmaß der
Anfettung entsprechender Lambdawert Lambda_2 kleiner ist als ein dem
dritten Ausmaß der
Anfettung entsprechender Lambdawert Lambda_3. Wenn dies der Fall
ist, verzweigt das Programm weiter zum Schritt 80, in dem überprüft wird,
ob der bei Einstellung von Lambda_2 im Brennraum 12 resultierende
Lambdawert Lambda_abg von Lambda_2 im Abgas vor dem Katalysator 52 kleiner
als 1 ist. Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt 82 ein
Brennraum-Lambdawert Lambda_1 angefordert, bei dem Lambda_abg gleich 1
wird. Wird die Abfrage im Schritt 80 dagegen verneint,
was bei magerem oder stöchiometrischem
Abgas der Fall ist, wird im Schritt 84 ein Lambdawert Lambda_2
entsprechend dem zweiten Ausmaß der Anfettung
angefordert. Wird bereits vorher im Schritt 78 festgestellt,
dass das dritte Ausmaß der
Anfettung größer als
das zweite Ausmaß der
Anfettung ist, wird im Schritt 84 die Einstellung des Lambdawertes Lambda_3
entsprechend dem dritten Ausmaß der Anfettung
angefordert. Durch die Schritte 82, 84, 86 wird
also genau einer der beschriebenen Lambdawerte angefordert und über die
gestrichelte Linie 73 an den Schritt 66 aus der 2 übergeben,
in dem der tatsächlich
einzustellende Lambda-Sollwert für den
Brennraum 12 bestimmt wird.
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Ferner
wird in einem Schritt 88 überprüft, ob der im Brennraum 12 eingestellte
Lambdawert Lambda_Br kleiner ist als der Lambdawert Lambda_2. Das
ist zum Beispiel dann der Fall, wenn vorher im Schritt 86 ein
dritter Lambdawert Lambda_3 gefordert wurde, der den zweiten Lambdawert
Lambda_2 übersteigt.
Ein Bejahen der Abfrage im Schritt 88 bedeutet, dass für einen
Bauteileschutz eine starke Anfettung erforderlich ist, die in Verbindung
mit der überströmenden Luft
zu einer Schädigung
des Katalysators 52 führen
könnte.
Daher wird beim Bejahen der Abfrage im Schritt 88 zum Schritt 90 verzweigt,
in dem eine Verringerung der überströmenden Luft
mL_abg gefordert wird. Wird die Abfrage im Schritt 88 dagegen
verneint, kann die überströmende Luftmasse
mL_abg ohne Gefahr einer Schädigung
des Katalysators 52 noch weiter erhöht werden. Entsprechend wird
im Schritt 92 eine Erhöhung
der überströmenden Luftmasse
mL_abg in Richtung des für
eine Drehmomententwicklung optimalen Wertes mL_abg_opt gefordert.
Ferner werden die in den Schritten 90 oder 92 geforderten
Werte für mL_abg über die
gestrichelte Verbindung zum Schritt 64 in der 2 übergeben,
in dem der Wert der tatsächlich
einzustellenden überströmenden Luftmasse mL_abg
gebildet wird. Ferner verzweigt das Programm zurück in das Hauptprogramm des
Schritts 60, um von dort wieder periodisch oder Interrupt-gesteuert
aufgerufen zu werden.
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Alternativ
oder ergänzend
kann der Bauteileschutz durch eine Anfettung auf einen dritten Lambdawert
Lambda_3 auch durch Vergleich von Lambda_3 mit Lambda_1 sichergestellt
werden. Wenn Lambda_3 kleiner als Lambda_1 ist, wird Lambda_3 eingestellt.
Ein Lambdawert Lambda_3 mit einer Anfettung für einen Bauteileschutz kann auch
im Schritt 66 der 2 als Sollwert Lambda_soll
gebildet werden, wenn Lambda_3 kleiner als ein zum Beispiel für stöchiometrisches
Abgas repräsentativer
Lambdawert Lambdawert Lambda_1 ist.