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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt. Der Abgastrakt umfasst
einen ersten Abgaskatalysator und stromabwärts des ersten einen zweiten
Abgaskatalysator. Er umfasst ferner eine Abgassonde die stromaufwärts oder
in dem ersten Abgaskatalysator angeordnet ist, und eine zweite Abgassonde,
die stromabwärts
des ersten Abgaskatalysators und stromaufwärts des zweiten Abgaskatalysators
angeordnet ist.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen
von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind,
machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei dem Betrieb
der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann
zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden,
die während
der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zu anderen sind in Brennkraftmaschinen
Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen,
die während
des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen
Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu
diesem Zweck werden beispielsweise Abgaskatalysatoren eingesetzt,
die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe
umwandeln. In diesem Zusammenhang werden beispielsweise so genannte
Dreiwegekatalysatoren eingesetzt.
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Die
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brenn kraftmaschine zu schaffen,
die einen einfachen und schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine dazu korrespondierende
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt,
der einen ersten Abgaskatalysator und stromabwärts des ersten einen zweiten
Abgaskatalysator umfasst. Ferner umfasst der Abgastrakt eine erste
Abgassonde, die stromaufwärts
oder in dem ersten Abgaskatalysator angeordnet ist, und eine zweite
Abgassonde, die stromabwärts
des ersten Abgaskatalysators und stromaufwärts des zweiten Abgaskatalysators
angeordnet ist. Während
eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine wird das Messsignal der
zweiten Abgassonde auf eine Signalcharakteristik überwacht,
die charakteristisch ist für einen
erreichten maximal möglichen
Beladungsgrad des ersten Abgaskatalysators mit Sauerstoff. Diese Signalcharakteristik
kann beispielsweise, und zwar je nach Ausgestaltung der Abgassonde,
umfassen das Erreichen eines vorgegebenen Wertes des Messsignals,
dem der so genannte Magerdurchbruch des ersten Abgaskatalysators
zugeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann die Signalcharakteristik
auch beispielsweise eine Gradientenbetrachtung umfassen.
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Während des
Schubbetriebs wird ab dem Auftreten der Signalcharakteristik eine
Kenngröße für einen
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff abhängig von
einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine
ermittelt. Außerhalb
des Schubbetriebs wird ein Anreicherungsbetrieb gesteuert durch
Anfetten des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches
und zwar abhängig von
der Kenngröße für einen
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff. Durch
dieses Ermitteln der Kenngröße für den Beladungsgrad des
zweiten Abgaskatalysators kann der Beladungsgrad sehr einfach aber äußerst präzise ermittelt
werden und somit der zweite Abgaskatalysator außerhalb des Schubbetriebs wieder
einfach und präzise
in einen Zustand gebracht werden, in dem er innerhalb seines bevorzugten
Arbeitsbereichs betrieben werden kann. Auf diese Weise kann durch
den Anreicherungsbetrieb abhängig
von der Kenngröße für den Beladungsgrad
des zweiten Abgaskatalysators die so genannten Spülmenge sehr
genau dosiert werden, um den in dem zweiten Abgaskatalysator gespeicherten
Sauerstoff aus der Schubphase wieder auszuräumen und zwar auf geeignete
Weise. Auf diese Weise kann auch vermieden werden, dass unnötig Kohlenwasserstoffe
durch eine zu lange Anreicherungsphase dann aufgrund eines bereits
von Sauerstoff ausgeräumten
zweiten Abgaskatalysators den Abgastrakt der Brennkraftmaschine
in die Umgebung verlassen und somit unerwünschte Schadstoffemissionen
erzeugen. Ferner kann auch so zuverlässig erreicht werden, dass
durch eine zu geringe Spülmenge
längerfristig überhöhte NOX
Emissionen entstehen. Darüber
hinaus ist so kein Einsatz zusätzlicher
Sensorik erforderlich, sondern es wird im Gegenteil das Messsignal
der zweiten Abgassonde auf geschickte Weise ausgewertet, um so den
Beginn des Anreicherns des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff
während
des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine zu detektieren und somit
ein präzises Ermitteln
der Kenngröße für den Beladungsgrad
des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff zu ermöglichen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Korrekturwert abhängig von
einem zeitlichen Abstand des Schubbetriebs zu einem vorangegangenen
Schubbetrieb ermittelt und die Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten
Abgaskatalysators mit Sauerstoff wird abhängig von dem Korrekturwert ermittelt.
Somit kann wirkungsvoll berücksichtigt
werden, dass ggf. resultierend aus dem im Vergleich zu dem aktuellen
Schubbetrieb vorangehenden Schubbetrieb noch gespeicherter Sauerstoff
berücksichtigt wird.
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Gemäß einer
weitern vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kenngröße für den Beladungsgrad des
zweiten Abgaskatalysators auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt.
Auf diese Weise kann einfach berücksichtigt
werden, dass der Katalysator nur zum einem gewissen Grad Sauerstoff
aufnehmen kann und insbesondere der vorgegebene Maximalwert beispielsweise
vorab, insbesondere an einem Motorprüfstand, ermittelt werden. Zu
diesem Zweck kann beispielsweise eine dritte Abgassonde eingesetzt
werden, mittels der ein Messsignal erkannt werden kann, wenn der
zweite Abgaskatalysator vollständig
mit Sauerstoff beladen ist und somit keinen weiteren Sauerstoff
mehr aufnehmen kann. Der so ermittelte maximale Wert kann dann eingesetzt
werden für
entsprechende Serien-Brennkraftmaschinen, die
dann nicht diese dritte Abgassonde aufweisen. Die dritte Abgassonde
kann auch dazu eingesetzt werden ein Entladungsmodell zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Schubbetrieben zu erstellen, dass dann im Rahmen
des Ermitteln des Korrekturwertes eingesetzt werden kann.
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In
diesem Zusammenhang wird darüber
hinaus die Erkenntnis genutzt, dass im Gegensatz zu dem ersten Abgaskatalysator
der zweite Abgaskatalysator einer deutlich geringeren Alterung unterworfen
ist und somit sich insbesondere die Sauerstoffspeicherfähigkeit
des zweiten Abgaskatalysators während
relevanter Betriebsdauer der Brennkraftmaschine nicht in erheblichem
Maße verändert und
somit mittels dieses Maximalwertes eine einfache jedoch ausreichend
genaue Abschätzung
der maxi malen Beladung des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff
erfolgen kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung und
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Programms.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen
Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise
eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und
ein Saugrohr 7, dass hin zu einem Zylinder Z1 über einen
Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst
ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit
dem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 12 und
einem Gasauslassventil 13.
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Der
Zylinderkopf umfasst ferner ein Einspritzventil 18 und
eine Zündkerze 19.
Alternativ kann das Einspritzventil auch in dem Saugrohr 7 angeordnet
sein. In dem Abgastrakt 4 sind ein erster Abgaskatalysator 21 und
ein zweiter Abgaskatalysator 23 angeordnet, die beispielsweise
als Dreiwegekatalysatoren ausgebildet sind. Typischerweise ist der
erste Abgaskatalysator 21 motornah ausgebildet und somit
höheren
Temperaturschwankungen unterworfen im Vergleich zu dem zweiten Abgaska talysator 23,
der regelmäßig im Vergleich
zu dem ersten Abgaskatalysator 21 deutlich entfernter zu
dem Motorblock 2 angeordnet ist und somit deutlich geringeren
Temperaturschwankungen unterliegt. Der erste Abgaskatalysator 21 ist
beispielsweise von seinem Katalysatorvolumen deutlich kleiner ausgebildet
als der zweite Abgaskatalysator 23. Sein Katalysatorvolumen
kann jedoch grundsätzlich
in einem beliebigen Verhältnis
zu dem des zweiten Abgaskatalysators 23 sein.
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Häufig wird
der erste Abgaskatalysator 21 auch als Vor-Katalysator und der
zweite Abgaskatalysator 23 als Haupt-Katalysator bezeichnet.
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Ferner
ist eine Steuervorrichtung 25 vorgesehen, der Sensoren
zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den
Wert der Messgröße ermitteln.
Betriebsgrößen BG umfassen neben
den Messgrößen auch
von diesen abgeleitete Größen.
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Die
Steuervorrichtung 25 ist dazu ausgebildet abhängig von
mindestens einer der Betriebsgrößen BG Stellgrößen zu ermitteln,
die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels
entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann
auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet
werden.
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Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welche eine Fahrpedalstellung
eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28,
welche einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst,
ein erster Temperatursensor 32, welche eine Ansauglufttemperatur
erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, welcher einen Saugrohrdruck
in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher
einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl zugeordnet
wird.
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Ferner
ist eine erste Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des
ersten Abgaskatalysators 21 oder in dem ersten Abgaskatalysator 21 angeordnet
ist und die einen Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren
Messsignal MS1 charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
dem Brennraum des Zylinders Z1 und stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 vor
der Oxidation des Kraftstoffs, im Folgenden bezeichnet als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
dem Zylinder Z1. Die erste Abgassonde 42 kann auch so in
dem ersten Abgaskatalysator 21 angeordnet sein, dass sich
ein Teil des Katalysatorvolumens stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 befindet.
Die erste Abgassonde 42 kann beispielsweise eine lineare
Lambda-Sonde oder auch eine binäre
Lambda-Sonde sein.
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Ferner
ist bevorzugt eine zweite Abgassonde 44 stromabwärts des
ersten Abgaskatalysators 21 angeordnet, die insbesondere
auch im Rahmen einer Trimmregelung eingesetzt ist und bevorzugt
als einfache binäre
Lambda-Sonde ausgebildet ist. Sie kann jedoch auch beispielsweise
als eine lineare Lambda-Sonde ausgebildet sein.
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Je
nach Ausführungsform
der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren
vorhanden sein oder es können
auch zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die
Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das
Einspritzventil 18 oder die Zündkerze 19.
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Neben
dem Zylinder Z1 sind bevorzugt auch noch weitere Zylinder Z2 bis
Z4 vorgesehen, denen dann auch entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls
Sensoren zugeordnet sind.
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Grundsätzlich kann
somit die Brennkraftmaschine eine beliebige Anzahl an Zylindern
aufweisen.
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Ein
Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine wird in einem Schritt
S1 (2) gestartet. In dem Schritt S1 können gegebenenfalls
Variablen initialisiert werden.
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In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob ein Betriebszustand BZ der Brennkraftmaschine gleich ist dem
Schubbetrieb PUC. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt S4
das Messsignal MS2 der zweiten Abgassonde 44 erfasst. In
einem Schritt S6 wird anschließend
geprüft,
ob das Messsignal MS2 der zweiten Abgassonde 44 eine Signalcharakteristik
aufweist, die charakteristisch ist für einen erreichten maximal
möglichen
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff.
Die Signalcharakteristik kann beispielsweise ein Erreichen eines
vorgegebenen charakteristischen Wertes des Messsignals MS2 der zweiten
Abgassonde umfassen und zwar insbesondere beispielsweise in Zusammenhang
mit einem vorgegebenen Gradienten oder zumindest einem vorgegebenen
Vorzeichen des Gradienten. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass
wenn der erste Abgaskatalysator 21 seine volle Beladung
mit Sauerstoff erreicht hat, dieser nicht weiter Sauerstoff aufnehmen
kann und somit dann ein wesentlich höherer Sauerstoffanteil während des
Schubbetriebs PUC zu der zweiten Abgassonde 44 und mithin
zu dem zweiten Abgaskatalysator 23 gelangt. Das Auftreten
der Signalcharakteristik ist somit korrelierend zu dem Zeitpunkt,
ab dem mit dem Beladen des Sauerstoffspeichers des zweiten Abgaskatalysators 23 während des
Schubbetriebs PUC begonnen wird. Ist die Bedingung des Schrittes
S6 nicht erfüllt,
so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt, gegebenenfalls
nach Ablauf einer vorgebbaren Wartezeitdauer.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S6 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt
S8 ein Korrekturwert COR abhängig
von einem zeitlichen Abstand T_D_PUC des Schubbetriebs PUC zu einem
vorangegangenen Schubbetrieb ermittelt. Somit ist der zeitliche
Abstand T_D_PUC repräsentativ
für die
Beabstandung zweier aufeinander folgender Schubbetriebe. Das Ermitteln
des Korrekturwertes kann beispielsweise unter Nutzung eines Kennfeldes
erfolgen, das beispielsweise durch Versuche an einem Motorprüfstand oder
auch durch Simulation vorab ermittelt ist.
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In
einem Schritt S10 wird die Kenngröße KG_CAT2 für einen
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff
ermittelt. Dies erfolgt abhängig
von zumindest einer Betriebsgröße BG. Bevorzugt
erfolgt dies beispielsweise mittels Integrierens des mittels des
Luftmassensensors 28 erfassten Luftmassenstroms über die
Zeit. Insofern wird bevorzugt ein so genanntes Sauerstoffintegral gebildet
als Kenngröße KG_CAT2
für den
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff.
Die Kenngröße KG_CAT2
kann jedoch grundsätzlich
auch abhängig
von weiteren Betriebsgrößen ermittelt
werden. Darüber
hinaus wird die Kenngröße K_CAT2
für den
Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff
bevorzugt auch abhängig
von dem Korrekturwert ermittelt. Dadurch kann wirkungsvoll ein ggf.
noch aus der zurückliegenden
Schubphase noch eingelagerter Sauerstoff berücksichtigt werden.
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In
einem Schritt S12 wird anschließend
geprüft,
ob der Betriebszustand BZ gleich ist dem Schubbetrieb PUC und der
Wert der Kenngröße KG_CAT2
kleiner oder gleich ist einem vorgegebenen Maximalwert KG_MAX.
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Der
vorgegebene Maximalwert KG_MAX ist bevorzugt durch entsprechende
Versuche beispielsweise an einem Motorprüfstand oder auch mittels Simulationen
vorab ermittelt. In diesem Zu sammenhang ist es besonders vorteilhaft,
wenn zu diesem Zweck beispielsweise an einer Versuchsbrennkraftmaschine,
insbesondere im Rahmen eines Motorprüfstands, eine dritte Abgassonde
auch stromabwärts
des zweiten Abgaskatalysators 23 vorgesehen ist mittels
der dann der Maximalwert KG_MAX ermittelt werden kann und zwar insbesondere
auch mittels einer weiteren Signalcharakteristik der dritten Abgassonde,
die charakteristisch ist für
eine maximal erreichten Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit
Sauerstoff.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S12 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung
erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schrittes
S12 hingegen erfüllt,
so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S10 fortgesetzt. In
diesem Zusammenhang kann das Fortsetzen der Bearbeitung ebenso erst nach
Ablauf einer vorgebbaren Wartezeitdauer beispielsweise erfolgen.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S2 nicht erfüllt, das heißt der Betriebszustand
BZ ist nicht der Schubbetrieb PUC, so wird in einem Schritt S14
wird ein Anreicherungsbetrieb CAT_EN gesteuert und zwar abhängig von
der Kenngröße KG_CAT2
für den Beladungsgrad
des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff und bevorzugt
abhängig
von einer Kenngröße KG_CAT1
für einen
Beladungsgrad des ersten Abgaskatalysators 21 mit Sauerstoff.
Die Kenngröße KG_CAT1
bezüglich
des ersten Abgaskatalysators 21 wird bevorzugt beispielsweise
auch mittels eines Sauerstoffintegrals ermittelt, wobei zu diesem
Zweck die Messsignale MS1 und/oder MS2 der ersten beziehungsweise
der zweiten Abgassonde 42, 44 ausgewertet werden
können
und grundsätzlich
beispielsweise auch eine weitere Betriebsgröße herangezogen werden kann,
wie beispielsweise der Luftmassenstrom. Dabei wird der Anreichungsbetrieb
CAT_EN so gesteuert, dass nach Beendigung des Schubbetriebs PUC,
unter Berücksich tigung
gegebenenfalls noch weiterer Randbedingungen, der jeweilige Abgaskatalysator 21, 23 insbesondere
möglichst
schnell wieder innerhalb des seines bevorzugten Konvertierungsfensters
betrieben wird. Ist dies dann erreicht, ist kein weiterer Anreicherungsbetrieb
mehr erforderlich.
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Während des
Anreicherungsbetriebs CAT_EN erfolgt ein gezieltes Anfetten des
zugeführten
Luft/Kraftstoff-Gemisches, um so zu erreichen dass Kohlenwasserstoffe
in einem der Abgaskatalysatoren 21, 23 mit dort
gebundenem Sauerstoff reagieren können und so der jeweilige Beladungsgrad geeignet
reduziert wird.
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Im
Anschluss an den Schritt S14 wird die Bearbeitung erneut in dem
Schritt S2 fortgesetzt.