DE102015214702A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) mit einem Verbrennungsmotor (101), einem Frischgasstrang (102) zur Zufuhr von Frischgas (103) zu einem Zylinder (104) und einem Abgasstrang (105) zur Abfuhr von Abgas (106), umfasst: – Ermitteln eines Werts eines Zustands eines Katalysators (114), der in dem Abgasstrang (105) angeordnet ist, – Ermitteln eines ersten Werts für eine maximal zulässige Überspülmenge an Frischgas (103) in den Abgassstrang (105) während eines Scavengingbetriebs in Abhängigkeit des ermittelten Werts, – Setzen der maximal zulässigen Überspülmenge auf einen zweiten Wert, der niedriger ist als der erste Wert, wenn ein vorgegebener Wert eines weiteren Zustands des Katalysators (114) ermittelt wurde.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die ausgebildet ist, das Verfahren durchzuführen.
  • Brennkraftmaschinen mit einem Verbrennungsmotor können mit einem Abgasturbolader ausgerüstet sein. Eine zugehörige Betriebsart ist das sogenannte Scavenging. Dabei werden Einlassventil und Auslassventil der Brennkraftmaschine so angesteuert, dass sich die Öffnungszeiten teilweise überschneiden. Dadurch spült ein Teil des angesaugten Frischgases durch den Zylinder in den Abgasstrang. Dieses Frischgas im Abgasstrang erhöht den Massenstrom zum Betreiben des Turboladers.
  • Es ist wünschenswert, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, das einen zuverlässigen Betrieb auch im Scavenging-Betrieb ermöglicht. Es ist zudem wünschenswert, eine Vorrichtung anzugeben, die ausgebildet ist, das Verfahren durchzuführen.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und durch eine Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist die Brennkraftmaschine einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang zur Zufuhr von Frischgas zu einem Zylinder und einen Abgasstrang zur Abfuhr von Abgas auf. Ein Wert eines Zustands eines Katalysators wird ermittelt. Der Katalysator ist in dem Abgasstrang angeordnet. Ein erster Wert für eine maximal zulässige Überspülmenge an Frischgas in den Abgassstrang während eines Scavenging-Betriebs wird in Abhängigkeit des ermittelten Werts ermittelt. Die maximal zulässige Überspülmenge wird auf einen zweiten Wert gesetzt, der niedriger ist als der erste Wert, wenn ein vorgegebener Wert eines weiteren Zustands des Katalysators ermittelt wurde.
  • Die Menge an Frischgas, die während dem Scavenging-Betrieb aus dem Frischgasstrang durch den Zylinder in den Abgasstrang gespült wird, wird in Abhängigkeit mindestens eines Zustands des Katalysators ermittelt. Somit ist es möglich, einen gewünschten hohen Massenstrom im Abgasstrang zu realisieren und gleichzeitig eine Fehlfunktion im Katalysator zu vermeiden. Das durchgespülte Frischgas kann im Abgasstrang ein mageres Abgasgemisch zur Folge haben. Dies kann zu ungünstigen Betriebsbedingungen für den Katalysator führen. Beispielsweise kann ein Mangel an Kohlenwasserstoff im Abgas bewirken, dass NOX (Stickoxide) nicht mehr wie vorgesehen reduziert werden kann. Somit können die NOX-Emissionen steigen. Durch das Ermitteln des Werts für die maximal zulässige Überspülmenge in Abhängigkeit des Katalysators wird nur so viel Frischgas zum Katalysator geführt, wie der Katalysator verkraften kann, um ausreichend Schadstoffe wie NOX zu reduzieren. Dabei ist es möglich, an die obere Grenze der Belastbarkeit des Katalysators zu gehen und dadurch den Massenstrom groß genug für einen verlässlichen Betrieb zu erlauben.
  • Gemäß Ausführungsformen wird der Wert des Zustands des Katalysators und/oder der Wert des weiteren Zustands mittels einer oder mehrerer Sensoren gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird der Wert des Zustands und/oder der Wert des weiteren Zustands mittels eines vorgegebenen Modells ermittelt. Dadurch können Kosten eingespart werden.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst das Ermitteln des Werts des Zustands des Katalysators mindestens eines aus:
    • – Ermitteln eines Werts eines Temperaturgradienten des Katalysators,
    • – Ermitteln eines Werts einer absoluten Temperatur des Katalysators,
    • – Ermitteln eines Werts einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator,
    • – Ermitteln eines Werts einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators und
    • – Ermitteln eines Betriebsalters des Katalysators.
  • Somit ist es möglich, die maximal zulässige Überspülmenge in Abhängigkeit der Temperatur des Katalysators und/oder der Kohlenwasserstoffsättigung des Katalysators und/oder einer Alterung des Katalysators ermittelt werden. Dadurch ist eine ausreichende Schadstoffreduzierung des Katalysators möglich. Weitere Werte weiterer Zustände des Katalysators werden alternativ oder zusätzlich gemäß Ausführungsbeispielen ermittelt.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst das Ermitteln des vorgegebenen Werts des weiteren Zustands des Katalysators mindestens eines aus:
    • – Vergleichen eines Ist-Werts eines Temperaturgradienten des Katalysators mit einem vorgegebenen Wert für den Temperaturgradienten,
    • – Vergleichen eines Ist-Werts einer absoluten Temperatur des Katalysators mit einem vorgegebene Wert für die absolute Temperatur,
    • – Vergleichen eines Ist-Werts einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator mit einem vorgegebenen Wert für die Menge an Kohlenwasserstoff,
    • – Vergleichen eines Ist-Werts einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators mit einem vorgegebenen Wert für Sauerstoffspeicherfähigkeit, und
    • – Vergleichen eines Ist-Werts eines Betriebsalters des Katalysators mit einem vorgegebenen Wert für das Betriebsalter.
  • Das Ermitteln des vorgegebenen Werts des weiteren Zustands entspricht einem Ermitteln einer Abbruchbedingung für das Zulassen der Überspülmenge bis zum ersten Wert für die maximal zulässige Überspülmenge. Wird mindestens einer der vorgegebenen Werte mindestens eines der weiteren Zustände ermittelt, besteht die Gefahr, dass zu viel Frischgas im Abgasstrang vorhanden ist, sodass der Katalysator nicht mehr ausreichend Schadstoffe reduzieren kann. Somit wird die maximal zulässige Überspülmenge auf den niedrigeren zweiten Wert gesetzt und dadurch die Menge an Frischgas im Abgasstrang reduziert. Dadurch wird ein verlässlicher Betrieb des Katalysators möglich.
  • Gemäß Ausführungsformen ist im Frischgasstrang ein Einlassventil zur Steuerung der Zufuhr des Frischgases angeordnet und im Abgasstrang ein Auslassventil zur Steuerung der Abfuhr des Abgases angeordnet. Ein Öffnungszeitraum für das Einlassventil wird ermittelt. Ein Öffnungszeitraum für das Auslassventil wird ermittelt. Ein Überschneidungszeitraum wird in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Überspülmenge ermittelt. In dem Überschneidungszeitraum überschneiden sich die beiden Öffnungszeiträume zumindest teilweise. Während sich die beiden Öffnungszeiträume überschneiden, wird Frischgas durch den Zylinder in den Abgasstrang gespült. Beispielsweise wird die maximal zulässige Überspülmenge kennfeldbasiert über entsprechende Nockenwellensollwerte umgesetzt. Die Nockenwellensollwerte geben die jeweiligen Öffnungszeiträume für das Einlassventil und das Auslassventil vor.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Überspülmenge in Abhängigkeit einer Temperatur des Katalysators geregelt, wenn der vorgegebene Wert des weiteren Zustands des Katalysators ermittelt wurde. Somit ist auch bei dem zweiten niedrigeren Wert der Überspülmenge ein verlässlicher Betrieb des Katalysators möglich.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden, in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispielen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine,
  • 2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 100. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 101 mit mindestens einem Zylinder 104 und einem Einlassventil 107 zur Regulierung des in den Zylinder 104 einströmenden Frischgases 103. Das Frischgas 103 strömt durch einen Frischgasstrang 102 zu dem Zylinder 104. Das Frischgas 103 ist insbesondere Luft. Nach der Verbrennung des Kraftstoffs in dem Zylinder 104 gelangt Abgas 106 über einen Abgasstrang 105 zu einem Katalysator 114. Insbesondere ist der Katalysator eingerichtet, Stickoxide in dem Abgas 106 zu reduzieren.
  • Die Brennkraftmaschine weist weiterhin ein Aufladeaggregat 111 auf, insbesondere einen Turbolader, auch Abgasturbolader genannt. Der Turbolader 111 weist eine Turbine 112 und einen Verdichter 113 auf. Die von dem Gasstrom im Abgasstrang 105 angetriebene Turbine 112 treibt den Verdichter 113 an. Dadurch wird das durch den Verdichter 113 geführte Frischgas 103 verdichtet, bevor es in den Zylinder 104 geführt wird. Somit ist es möglich, den Motorwirkungsgrad zu erhöhen beziehungsweise bei kleineren Hubräumen gleich zu halten.
  • Insbesondere im Niederlastbetriebspunkt des Verbrennungsmotors 101 ist es möglich, dass herkömmlich der Abgasmassenstrom an der Turbine 112 des Turboladers 111 nicht ausreicht, um den geforderten Ladedruck für den Betriebspunkt der höheren Motorlast einstellen zu können. Die Leistung des Turboladers 111 steigt nur allmählich, abhängig vom kontinuierlich steigenden Abgasmassenstrom.
  • Um den Massenstrom im Abgasstrang 105 zu erhöhen, kann das sogenannte Scavenging (englisch für ausräumen) durchgeführt werden. Dabei wird Frischgas 103 durch den Zylinder 104 ohne einen Verbrennungsprozess in den Abgasstrang 105 gespült. Somit wird der Massenstrom im Abgasstrang 105 bei identischer Drehmomentabgabe erhöht. Somit wird eine größere Leistung an der Turbine 112 ermöglicht. Beim Scavenging wird Frischgas 103 über den Zylinder 104 während einer Ventilüberschneidung des Einlassventils 107 und eines Auslassventils 108 in den Abgasstrang 105 gespült. Dieses Frischgas 103 erhöht den Massenstrom und verschiebt den Betriebspunkt des Turboladers 111 in einen gewünschten Bereich.
  • Dieses Frischgas 103 gelangt zum Katalysator 114 beziehungsweise durchdringt den Katalysator 114. Daraus ergibt sich ein mageres Abgasgemisch und der Katalysator arbeitet nicht mehr in seinem vorgegebenen optimalen Konvertierungsfenster.
  • Wenn während dem Scavengingbetrieb bestimmte Rahmenbedingungen beziehungsweise Zustände des Katalysators vorliegen, ist es dennoch möglich, ausreichend Emissionen zu reduzieren, insbesondere die Stickoxidemissionen zu reduzieren.
  • Dies wird im Folgenden näher anhand des in 2 dargestellten Flussdiagramms erläutert.
  • Insbesondere weist die Brennkraftmaschine 100 eine Vorrichtung 120 (1) auf, die eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Dazu ist die Vorrichtung 120 beispielsweise mit dem Einlassventil 107 und/oder dem Auslassventil 108 verbunden, um diese zu öffnen und/oder zu schließen. Zudem ist die Vorrichtung 120 gemäß Ausführungsbeispielen mit dem Katalysator 114 gekoppelt, um mindestens einen Wert mindestens eines Zustands des Katalysators 114 zu messen beziehungsweise zu modellieren.
  • In einem Verfahrensschritt 201 wird überprüft, ob eine Abbruchbedingung für das Überspülen vorliegt. Dazu wird mindestens ein Wert eines Zustands des Katalysators ermittelt und mit einem vorgegebenen Wert für den Zustand verglichen. Beispielsweise wird ein Istwert des Temperaturgradienten des Katalysators mit einem vorgegebenen Wert für den Temperaturgradienten verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Istwert einer absoluten Temperatur des Katalysators 114 mit einem vorgegebenen Wert für die absolute Temperatur verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Istwert einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator 114 mit einem vorgegebenen Wert für die Menge an Kohlenwasserstoff verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Istwert einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 114 mit einem vorgegebenen Wert für die Sauerstofffähigkeit verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Istwert eines Betriebsalters des Katalysators 114 mit einem vorgegebenen Wert für das Betriebsalter verglichen.
  • Die vorgegebenen Werte für die Zustände sind jeweils so vorgegeben, dass ein verlässlicher Betrieb des Katalysators 114 gewährleistet ist. Die vorgegebene Emissionsreduktion des Katalysators 114 ist bei den vorgegebenen Werten der Zustände realisiert. Somit ist es möglich, tatsächlich vorliegende Werte beispielsweise der Temperatur oder der Menge an Kohlenwasserstoff im Katalysator 114 heranzuziehen, um den verlässlichen Betrieb zu ermöglichen.
  • Sind sämtliche ermittelten Werte der Zustände kleiner als die jeweils zugeordneten vorgegebenen Werte, wird das Verfahren in Schritt 202 fortgeführt. In Schritt 202 wird mindestens ein Wert mindestens eines Zustands des Katalysators 114 ermittelt. Der Zustand beziehungsweise die Zustände, die in Schritt 202 herangezogen werden, können teilweise oder vollständig die gleichen Zustände sein, die in Schritt 201 berücksichtigt werden. Die Zustände in Schritt 201 und in Schritt 202 können sich auch vollständig unterscheiden. Beispielsweise wird in Schritt 202 ein Wert eines Temperaturgradienten des Katalysators 114 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Wert einer absoluten Temperatur des Katalysators 114 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Wert einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator 114 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Wert einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 114 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Betriebsalter des Katalysators 114 ermittelt.
  • In Schritt 203 wird nachfolgend ermittelt, wie viel Frischgas 103 der Katalysator 114 aktuell maximal verträgt, um zuverlässig zu arbeiten und die geforderte Menge an Schadstoffen zu reduzieren. Die maximal zulässige Überspülmenge an Frischgas 103 wird dazu in Abhängigkeit des Werts beziehungsweise der Werte, die in Schritt 202 ermittelt wurden, festgelegt. Somit ist es möglich, den Massenstrom im Abgasstrang 105 während dem Scavenging-Betrieb wie gewünscht zu erhöhen. Der Massenstrom wird jedoch nur so weit erhöht, dass der Katalysator 114 weiter verlässlich arbeitet.
  • Wird in Schritt 201 festgestellt, dass eine Abbruchbedingung vorliegt, das heißt dass mindestens ein Istwert der in Schritt 201 untersuchten Zustände einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen überschreitet, wird die maximal zulässige Überspülmenge im Verfahrensschritt 204 auf einen zweiten Wert gesetzt. Der zweite Wert ist so niedrig angesetzt, dass der Katalysator 114 nur so wenig Frischgas 103 erhält, dass eine ausreichende Schadstoffemission realisierbar ist.
  • Durch das Verfahren ist es möglich, zu vermeiden, dass das Abgas 106 im Abgasstrang 105 einen zu geringen Anteil an Kohlenwasserstoff hat, und Stickoxide nicht mehr ausreichend reduziert werden können. Die maximal zulässige Überspülmenge wird stets so limitiert, dass ausreichend Stickoxidemissionen reduziert werden beziehungsweise eine Steigerung der Stickoxidemissionen vermieden werden kann.
  • Die Grenze für die zulässige Überspülmenge (auch Überspülmasse genannt) ergibt sich aus den zulässigen Werten der Zustände des Katalysators 114, beispielsweise aus der zulässigen Exothermie im Katalysator 114. Daher ist es möglich, die maximal zulässige Überspülmenge aus den erlaubten Werten der Zustände, insbesondere aus der erlaubten Exothermie, betriebspunktabhängig zu berechnen. Beispielsweise wird die zulässige maximale Überspülmenge kennfeldbasiert über entsprechende Nockenwellensollwellen umgesetzt. Beispielsweise werden das Einlassventil und das Auslassventil so geöffnet, dass sich ihre Öffnungszeiträume überschneiden. Somit kann Frischgas 103 durch den Zylinder 104 ohne einen Verbrennungstakt in den Abgasstrang 105 gelangen.
  • Aufgrund des Ermittelns des Werts des Zustands des Katalysators 114 im Schritt 202 ist es möglich, je nach Zustand des Katalysators die Überspülmenge zu erhöhen, insbesondere ist diese Erhöhung kurzzeitig möglich. Diese höheren Überspülmengen können mit stöchiometrischem Abgas mit hohem Temperaturgradient oder mit magerem Abgas mit der Gefahr der Emissionsverschlechterung durch Durchbrechen des Katalysators 114 realisiert werden. Das Durchbrechen wird verhindert, da in Schritt 201 überwacht wird, dass keine Abbruchbedingung verletzt wird. Bei Erreichen mindestens einer der vorgegebenen Abbruchbedingungen wird die maximal zulässige Überspülmenge reduziert und nachfolgend beispielsweise über die Temperatur im Katalysator 114 geregelt.
  • Die Werte der maximal zulässigen Überspülmenge sind gemäß Ausführungsformen als direkte Sollwerte angegeben werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind die Werte der maximal zulässigen Überspülmenge als Limitierungen angegeben und stellen die obere Grenze eines Bereichs dar. Auch eine Mischung ist möglich, sodass die Werte teilweise als direkte Sollwerte angegeben werden und teilweise als Limitierungen angegeben werden.
  • Die Werte der Zustände des Katalysators, beispielsweise die Temperatur im Katalysator 114, werden gemäß Ausführungsformen über Sensoren gemessen. Gemäß weiteren Ausführungsformen werden die Werte modelliert. Auch eine Mischung ist möglich, sodass die Werte teilweise über Sensoren gemessen werden und teilweise modelliert werden.
  • Durch das Verfahren ist es möglich, die Überspülmenge in Abhängigkeit eines gewünschten Massenstroms und eines gewünschten Betriebs des Katalysators zu optimieren. Die Überspülmenge wird aktiv geregelt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennkraftmaschine
    101
    Verbrennungsmotor
    102
    Frischgasstrang
    103
    Frischgas
    104
    Zylinder
    105
    Abgasstrang
    106
    Abgas
    107
    Einlassventil
    108
    Auslassventil
    109
    Katalysator
    111
    Aufladeaggregat
    112
    Turbine
    113
    Verdichter
    114
    Katalysator
    120
    Vorrichtung
    201–204
    Verfahrensschritte

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) mit einem Verbrennungsmotor (101), einem Frischgasstrang (102) zur Zufuhr von Frischgas (103) zu einem Zylinder (104) und einem Abgasstrang (105) zur Abfuhr von Abgas (106), umfassend: – Ermitteln eines Werts eines Zustands eines Katalysators (114), der in dem Abgasstrang (105) angeordnet ist, – Ermitteln eines ersten Werts für eine maximal zulässige Überspülmenge an Frischgas (103) in den Abgasstrang (105) während eines Scavengingbetriebs in Abhängigkeit des ermittelten Werts, – Setzen der maximal zulässigen Überspülmenge auf einen zweiten Wert, der niedriger ist als der erste Wert, wenn ein vorgegebener Wert eines weiteren Zustands des Katalysators (114) ermittelt wurde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln des Werts des Zustands des Katalysators (114) umfasst: – Modellieren des Werts des Zustands.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, beim dem das das Ermitteln des Werts des Zustands des Katalysators (114) mindestens eines umfasst aus: – Ermitteln eines Werts eines Temperaturgradienten des Katalysators (114), – Ermitteln eines Werts einer absoluten Temperatur des Katalysators (114), – Ermitteln eines Werts einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator (114), – Ermitteln eines Werts einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators (114), und – Ermitteln eines Betriebsalters des Katalysators (114).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, beim dem das das Ermitteln des vorgegebenen Werts des weiteren Zustands des Katalysators (114) mindestens eines umfasst aus: – Vergleichen eines Ist-Werts eines Temperaturgradienten des Katalysators (114) mit einem vorgegebenen Wert für den Temperaturgradienten, – Vergleichen eines Ist-Werts einer absoluten Temperatur des Katalysators (114) mit einem vorgegebene Wert für die absolute Temperatur, – Vergleichen eines Ist-Werts einer Menge an Kohlenwasserstoff in dem Katalysator (114) mit einem vorgegebenen Wert für die Menge an Kohlenwasserstoff, – Vergleichen eines Ist-Werts einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators (114) mit einem vorgegebene Wert für Sauerstoffspeicherfähigkeit, und – Vergleichen eines Ist-Werts eines Betriebsalters des Katalysators (114) mit einem vorgegebenen Wert für das Betriebsalter.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Frischgasstrang (102) ein Einlassventil (107) zur Steuerung der Zufuhr des Frischgases (103) angeordnet ist und im Abgasstrang (105) ein Auslassventil (108) zur Steuerung der Abfuhr des Abgases (106) angeordnet ist, umfassend: – Ermitteln eines Öffnungszeitraums für das Einlassventil (107), – Ermitteln eines Öffnungszeitraums für das Auslassventil (108), – Ermitteln eines Überschneidungszeitraums in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Überspülmenge, in dem sich die beiden Öffnungszeiträume zumindest teilweise überschneiden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: – Regeln der Überspülmenge in Abhängigkeit einer Temperatur des Katalysators (114), wenn der vorgegebene Wert des weiteren Zustands des Katalysators (114) ermittelt wurde.
  7. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100), die dazu ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
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