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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
in einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die
eine minimale Schwellwerttemperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb
erfordert.
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Nach
einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist die Konvertierungswirkung
einer derartigen Abgasbehandlungseinrichtung bekanntermaßen unbefriedigend,
so dass allgemein angestrebt wird, die Zeit bis zum Erreichen der
Schwellwerttemperatur durch konstruktive und steuerungstechnische
Maßnahmen
zu minimieren (d.h. Optimieren des sog. Anspringverhaltens).
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In
der
EP 1298301 A1 (und
der parallelen
US 6829888
B2 ) ist ein derartiges Verfahren offenbart, bei dem während eines
bestimmten Zeitraums nach dem Anlassen des Motors die elektrische
Last eines vom Motor angetriebenen elektrischen Generators erhöht wird,
wobei nötigenfalls
zusätzlich
die Luftansaugung zur Verringerung des Ansaugkrümmerdrucks auf einen Solldruck
gedrosselt und die Abgasrückführung verringert
oder angehalten werden kann. Die elektrische Last wird erhöht, indem
Verbraucher – insbesondere
ohmsche Verbraucher – wie
z.B. Glühkerzen
des Motors oder elektrische Heizungen eingeschaltet werden. Dadurch
wird die Aufwärmzeit für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung
verkürzt, um
Schadstoffemissionen zu verringern.
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Die
verkürzte
Aufwärmzeit
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung geht bei dem bekannten Verfahren
jedoch auf Kosten eines erhöhten
Kraftstoffverbrauchs.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin,
das Anspringverhalten einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung durch motorsteuerungstechnische
Maßnahmen
unter Minimierung des damit einhergehenden zusätzlichen Kraftstoffverbrauchs
zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Das
aktuelle Ladungsaufnahmevermögen der
Fahrzeugbatterie kann entweder aufgrund des Batterieladezustands
geschätzt
werden oder – genauer – aus einer
Messung mehrerer Batterieparameter berechnet werden, deren wichtigster
der aktuelle Ladestrom während
des Ladens der Batterie ist, welcher vom Batterieladezustand abhängt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Indem
der vom Generator erzeugte Strom der Fahrzeugbatterie zugeführt wird,
falls diese ausreichend aufnahmefähig ist, wird die erzeugte
elektrische Energie nicht vergeudet, sondern für späteren Gebrauch gespeichert,
so dass der in der Aufwärmephase
erhöhte
Kraftstoffverbrauch durch eine Einsparung kompensiert wird, die
sich daraus ergibt, dass die Batterie erst später als sonst wieder nachgeladen
muss.
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Der
mit der Erfindung erzielbare Nutzen ist besonders groß, wenn
im Kraftfahrzeug ein besonderes Batteriemanagement verwendet wird.
Konventionell wird stets versucht, die Fahrzeugbatterie in einem
vollständig
geladenen Zustand zu halten. Bekanntermaßen variiert der Wirkungsgrad
der Umwandlung von Kraftstoffenergie in elektrische Energie jedoch über den
Motorbetriebsbereich. Um diesen Umwandlungswirkungsgrad zu optimieren,
und um nach Möglichkeit
auch die beim Bremsen frei werdende kinetische Energie nutzen zu
können,
indem man beim Bremsen elektrische Energie erzeugt und diese in
der Fahrzeugbatterie speichert, wird gegenwärtig eine Technik entwickelt,
die intelligentes regeneratives Bremsen oder intelligentes regeneratives Laden
genannt wird. Bei dieser Technik wird der Batterieladezustand auf
einem Sollwert gehalten, der nur einen Teil der Nennkapazität der Batterie
beträgt. Ein
Batterieüberwachungssystem überwacht
den Batterieladezustand und stellt sicher, dass alle nötigen Verbraucher
mit Strom versorgt werden können (z.
B. für
Kalt- und Warmstart), auch wenn die Batterie nicht vollständig geladen
ist. D. h., die Batterie behält
stets eine gewisse Restka pazität,
die es ermöglicht,
elektrische Energie dann zu erzeugen und zu speichern, wenn diese
mit gutem Wirkungsgrad durch den elektrischen Generator oder beim
Bremsen oder aus anderen Gründen
vorteilhaft erzeugt werden kann.
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In
einer Weiterbindung der Erfindung kann eine intelligent regenerativ
geladene Batterie auch die elektrische Energie, die beim erfindungsgemäßen Verfahren
in der Aufwärmephase
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzeugt wird, stets aufnehmen
und speichern. Die Erfindung kann aber auch ohne die Technik des
intelligenten regenerativen Ladens zur Anwendung kommen, wobei die Kraftstoffeinsparung
jedoch auf Fälle
beschränkt bleibt,
in denen der Batterieladezustand nach dem Anlassen zufällig oder
aufgrund längerer
Standzeit niedrig ist.
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Ein
weiteres Problem, das mit einer anderen Weiterbindung der Erfindung
gelöst
wird, betrifft das Phänomen
der Alterung der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, d.h. der katalytischen
Konverter oder Katalysatoren, mit denen Verbrennungsmotoren in Personenkraftwagen
und Lastkraftwagen heutzutage ausgerüstet sind, um CO-, HC-, NOx-
und Partikel-Emissionen zu vermindern. Typischerweise ist der Wirkungsgrad
der chemischen Umwandlung im Katalysator eine Funktion seiner Betriebstemperatur und
reicht von nahe null für
einen "kalten" Katalysator bis
fast 100% für
einen aufgewärmten
Katalysator. Der Umwandlungswirkungsgrad und seine Temperaturabhängigkeit
können
sich aufgrund verschiedener Alterungsphänomene mit der Zeit ändern. Zur
Kompensation eines verminderten Umwandlungswirkungsgrades und/oder
einer verlängerten
Aufwärmzeit
wird der Katalysator typischerweise mit genügend Spielraum ausgelegt, um
die Einhaltung der Betriebsemissionsgrenzen bis zum gesetzlich vorgeschriebenen
Fahrzeugkilometerstand zu gewährleisten
(z.B. 100.000 km für
die Euro4-Norm). Im Falle eines Dieseloxidationskatalysators bedeutet
dies, dass man für
den Katalysator sehr viel mehr Edelmetall (typischerweise Platin)
benötigt
als es erforderlich wäre,
wenn die Katalysatorleistung konstant bliebe.
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Im
Hinblick darauf kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor oder nach
dem Schritt a) geprüft
werden, ob ein Alterungsmaß wie
z. B. die Kilometerleistung für
die Abgasnachbehandlungsvorrichtung über einem vorbestimmten Wert
liegt, wobei der nachfolgende Schritt b) oder die nachfolgenden Schritte
a) und b) nur dann durchgeführt
werden, wenn das Alterungsmaß über dem
vorbestimmten Wert liegt. Im Bereich der ersten 10.000 bis 30.000 km
ist die Temperatur, ab welcher der Katalysator wirksam ist, im Allgemeinen
so niedrig, d.h. er kommt so schnell auf Betriebstemperatur, dass
das Verfahren der Erfindung nicht durchgeführt werden muss, um die Schadstoffgrenzwerte
einzuhalten. Dadurch wird während
des frühen
Stadiums der Lebensdauer des Katalysators viel Kraftstoff eingespart.
Ab einem Kilometerstand von zwischen 10.000 und 30.000 km wird beim
Anlassen des Motors das erfindungsgemäße Aufwärmphasensteuerverfahren durchgeführt, um
die Emissionen zu senken. Durch diese Maßnahmen kann ein günstiger
Kompromiss zwischen dem Katalysatordesign, insbesondere dessen Edelmetallkosten,
und dem Kraftstoffverbrauch erzielt werden.
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Selbstverständlich können auch
andere Kriterien für
die Entscheidung, ob auf eine Unterstützung des Aufwärmverhaltens
verzichtet werden kann, herangezogen werden, so z. B. die bisherige Betriebsstundenzahl
der Katalysatoreinrichtung. Weitere, möglicherweise noch bessere Entscheidungskriterien
erhält
man, wenn man die Katalysatortemperatur im Betrieb misst oder schätzt und auf
Basis von Zeit und Temperatur ein Katalyseeffizienzmodell aufstellt,
wobei man weiß,
dass der Katalyseeffizienzverlust (d. h. Erhöhung der Schwellwerttemperatur)
in erster Linie durch längeren
Betrieb über
gewissen Temperaturgrenzen verursacht wird, bei denen Platin zu
sintern beginnt, typischerweise 750 bis 800°C.
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Auch
ist es denkbar, anstelle eines reinen Ja-/Nein-Kriteriums für die Einleitung
der Unterstützung
des Aufwärmverhaltens
eine kontinuierliche Anpassung der Unterstützung des Aufwärmverhaltens vorzusehen.
Beispielsweise könnte
die Dauer bzw. die Zieltemperatur bei der Lasterhöhung abhängig von
dem Lebensdauerstadium des Katalysators von zunächst null (bei neuem Katalysator)
kontinuierlich auf einen vorgegebenen Wert erhöht werden.
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Ein
weiteres Kriterium für
die Entscheidung für
oder gegen oder für
eine moderate Unterstützung des
Aufwärmverhaltens
kann der "Gesundheitszustand" der Fahrzeugbatterie
sein, welcher durch häufigen
Gebrauch der erfindungsgemäßen Strategie ungünstig beeinflusst
werden kann. Vorzugsweise wird der Gesundheitszustand der Fahrzeugbatterie kontinuierlich überwacht,
und das unterstützte
Auf wärmen
wird in Abhängigkeit
davon durchgeführt,
ob der Gesundheitszustand der Fahrzeugbatterie einen kritischen
Schwellenwert erreicht hat oder nicht.
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Werden
die vorgenannten Weiterbildungen der Erfindung gemeinsam durchgeführt, so
kann man einen besonders guten Kompromiss zwischen Kraftstoffökonomie,
Katalysatorkosten, Batteriehaltbarkeit und Schadstoffemissionen
erzielen. Grundsätzlich
ist es jedoch auch denkbar, die beiden genannten Maßnahmen
unabhängig
voneinander zu implementieren.
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Wird
im Schritt a) festgestellt, dass das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen der
Fahrzeugbatterie unter dem vorbestimmten Wert liegt, aber nicht
im Wesentlichen null ist, so kann im Schritt b) die elektrische
Last des Motors durch Einschalten von weiteren elektrischen Verbrauchern
erhöht
werden, wie es in der oben genannten
EP 1298301 A1 beschrieben ist. In dieser
Druckschrift, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig hierin
aufgenommen wird, sind noch einige weitere Maßnahmen zur Verkürzung der
Aufwärmephase
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung beschrieben, die auch in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft anwendbar sind. Die weiteren
elektrischen Verbraucher können
entweder gleichzeitig mit dem Laden der Fahrzeugbatterie betrieben
oder nach Erreichen der maximalen Speicherkapazität der Fahrzeugbatterie
eingeschaltet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur beispielhaft näher erläutert.
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Bei
dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Verbrennungsmotor
ein Dieselmotor eingesetzt; bei der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
handelt es sich im Ausführungsbeispiel
um einen Oxidationskatalysator. Die Erfindung ist aber auch bei
Benzinmotoren anwendbar, eventuell mit einigen Modifizierungen an
Steuerungsparametern und dergleichen.
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Die
einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Steuerung
eines Verbrennungsmotors in der Aufwärm- oder Anspringphase in einem Kraftfahrzeug
mit einem Oxidationskatalysator, der eine minimale Schwellwerttemperatur
für den
ordnungsgemäßen Betrieb
erfordert.
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Das
Kraftfahrzeug enthält
außerdem
eine Fahrzeugbatterie, deren Batterieladezustand mit der Ladestrategie "intelligentes regeneratives
Laden" normalerweise
auf einem Sollwert gehalten wird, der nur einen Teil der Nennkapazität der Batterie
beträgt, so
dass normalerweise eine gewisse Pufferkapazität zur Zwischenspeicherung z.
B. einer bei einem regenerativen Bremsen gewonnenen Energie vorliegt. Ein
derartiges System ist beispielsweise aus der
US 6 091 228 bekannt.
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Nachdem
der Fahrer des Kraftfahrzeugs im Block 1 einen Zündschalter
betätigt
und das Fahrzeug angelassen hat, führt eine an sich bekannte mikroprozessorbasierte
Motorsteuerung (ECU) nacheinander die nachfolgend erläuterten
Schritte durch:
Im Block 2 wird geprüft, ob der
Kilometerstand KM, der bisher mit dem im Kraftfahrzeug eingebauten
Katalysator zurückgelegt
wurde, einen voreingestellten Wert x im Bereich von z.B. 10.000
bis 30.000 km übersteigt.
Anstelle des Kilometerstands kann auch die Gesamt-Betriebsstundenzahl
der Abgasnachbehandlungsvorrichtung als ein Alterungsmaß für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung
dienen, oder dieses Alterungsmaß wird
als eine Kombination von Kilometerstand und Gesamt-Betriebsstundenzahl
ermittelt.
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Wenn
der aktuelle Kilometerstand den voreingestellten Wert nicht übersteigt
("Nein" im Block 2),
wird im Block 3 der Motor auf herkömmliche Weise betrieben, d.h.
ohne Rücksicht
auf den Katalysator.
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Wenn
der aktuelle Kilometerstand den voreingestellten Wert übersteigt
("Ja" im Block 2),
wird im Block 4 das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen LA der
Fahrzeugbatterie geprüft.
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Wenn
das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen
LA über
einem voreingestellten Wert y liegt ("Ja" im
Block
4), wird im Block
5 eine Aufwärmphasenprozedur
durchgeführt,
wie sie z. B. in der
EP 1298301
A1 gezeigt und beschrieben ist, mit dem Unterschied, dass
als elektrische Last keine Energie verzehrenden Verbraucher wie
z.B. Glühkerzen
oder elektrische Heizungen dienen, sondern die Fahr zeugbatterie,
welcher Strom aus dem vom Motor angetriebenen elektrischen Generator
zugeführt
wird. Diese und einige weitere in der genannten Druckschrift beschriebenen
Maßnahmen
steigern die Abgastemperaturen, was wiederum zu einem schnelleren
Aufwärmen
des Katalysators führt.
Das Ergebnis dieser Strategie ist, dass die CO- und HC-Emissionen
bei einem Kaltstart stark vermindert werden. Während der Aufwärmephase
gibt es zwar eine leichte Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs, die aber dadurch kompensiert wird, dass
die vom Generator erzeugte elektrische Energie in der Fahrzeugbatterie für späteren Verbrauch
gespeichert wird und nachfolgend nicht mehr erzeugt werden muss.
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Der
voreingestellte Wert y des Ladungsaufnahmevermögens kann einem Wert entsprechen,
bei dem im Block 5 die Fahrzeugbatterie gerade bis zur Sättigung
geladen wird. Der voreingestellte Wert y kann entsprechend dem Alter
der Fahrzeugbatterie automatisch modifiziert werden, um der mit
dem Alter nachlassenden maximalen Speicherkapazität Rechnung
zu tragen.
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Wenn
das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen
LA der Fahrzeugbatterie unter dem voreingestellten Wert liegt ("Nein" im Block 4),
wird im Block 6 eine ähnliche
Aufwärmphasenprozedur
wie oben beschrieben durchgeführt,
wobei jedoch überschüssige elektrische
Energie, die nicht mehr in der Fahrzeugbatterie untergebracht werden
kann, Energie verzehrenden Verbrauchen wie z. B. Glühkerzen
oder elektrischen Heizungen zugeführt wird.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
wird die Aufwärmphasenprozedur
zur schnelleren Steigerung der Katalysatorprozedur in Abhängigkeit
von dem im Block 2 geprüften
aktuellen Kilometerstand oder sonstigen Alterungsmaß entweder
nicht durchgeführt oder
durchgeführt.
Alternativ kann eine solche Aufwärmphasenprozedur
aber auch so durchgeführt werden,
dass, sobald der Katalysator ein gewisses Alter erreicht hat, bei
jedem Kaltstart die elektrische Last des Motors zunächst weniger
erhöht
wird als es maximal möglich
ist und dann mit zunehmendem Alter des Katalysators nach und nach
gesteigert wird. Auch hierbei können
natürlich
das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen
bzw. der Batterieladezustand sowie das Alter der Fahrzeugbatterie überwacht
und berücksichtigt
werden, eben so wie weitere Parameter wie z.B. Umgebungstemperatur,
aktuelle Motortemperatur usw.
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Mit
der Erfindung können
die Abgasemissionen auch für
einen älteren
Katalysator unter den Sollwerten gehalten werden, so dass man weniger
Edelmetall für
den Katalysator benötigt.
Gleichzeitig wird während
der Zeit, in der der Katalysator noch voll funktionsfähig ist,
Energie eingespart, ohne dass Emissionsgrenzwerte überschritten
werden. Die während
der Aufwärmphasenprozedur
geladene Fahrzeugbatterie kann durch ein geeignetes Batteriemanagement
möglichst
gut vorkonditioniert werden, und wenn sie beim Anlassen des Motors
nicht optimal vorkonditioniert ist, wird sie nicht überladen und
somit geschont, indem überschüssige elektrische
Energie irgendwelchen anderen Verbrauchen zugeführt wird.