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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
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Die gattungsgemäße
DE 600 03 627 T2 befasst sich mit einem Verfahren zur Regelung der Wärmeverluste eines Katalysators bei Schubabschaltung mit einem Ventil und einem Ventilstellglied. Bei der Schubabschaltung wird das Ventil geschlossen, wenn zudem eine Untertemperierung des Katalysators festgestellt wird. Das Ventil ist entweder ein Einlassventil oder ein Auslassventil. Die Katalysatortemperatur wird mittels eines an oder in dem Katalysator angeordneten Temperatursensors gemessen. Ist die gemessene Temperatur unter der Mindestwirkbetriebstemperatur, also unter der Aktivierungstemperatur des Katalysators, wird nur das Einlassventil oder das Auslassventil geschlossen. So soll verhindert werden, dass der Katalysator bei Schubabschaltung weiter gekühlt wird. Andererseits wird das Einlassventil oder das Auslassventil bei Schubabschaltung geöffnet, wenn Wärmeverluste gewünscht sind, um den Katalysator zu kühlen. Anstelle einer direkten Messung der Katalysatortemperatur direkt an oder in dem Katalysator könnte die Katalysatortemperatur auch berechnet werden. Jedoch ergeben sich daraus keine Anregungen, die Minimaltemperatur, bei welcher das Ventil geschlossen wird, oberhalb der Aktivierungstemperatur anzusetzen. Es ergeben sich auch keine Anzeichen, dass die Temperatur an einem vom Katalysator entfernten Ort gemessen werden könnte.
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Aus der
DE 10 2011 087 891 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Abschalten und Starten einer Brennkraftmaschine mittels einer Start-Stopp-Einrichtung bekannt geworden. Zum Abschalten der Brennkraftmaschine in einer Schubbetriebsphase wird ein Ladungswechsel in den Zylindern nahezu unterbunden, wobei gleichzeitig eine Wandlerüberbrückungskupplung so angesteuert wird, dass diese nahezu geschlossen bleibt oder wird. Der Ladungswechsel wird durch Schließen der Auslassventile und/oder Einlassventile unterbunden. Dadurch könne auch ein Auskühlen des Katalysators vermieden werden. Allerdings ergeben sich daraus keine Hinweise, überhaupt eine Minimaltemperatur anzugeben, bei welcher die Ventile geschlossen werden. Es ergeben sich auch keine Anzeichen, dass eine Temperatur an einem vom Katalysator entfernten Ort gemessen werden könnte.
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Die
DE 10 2015 100 135 A1 lehrt, dass ein Katalysator während einer Kraftstoffabschaltung auf eine überkritische Temperatur geführt werden könne, so dass der Katalysator beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, sind Temperatursensoren vorgesehen, welche die Temperatur des in den Katalysator einströmenden Gases aber auch des ausströmenden Gases messen, wobei auch ein Temperatursensor zum Messen der Katalysatortemperatur vorgesehen werden kann. Die Katalysatortemperatur könne auch geschätzt werden. Wird festgestellt, dass sich die Katalysatortemperatur einen vorgegebenen Schwellenwert annähert, wird die Kraftstoffabschaltung verhindert, um so eine Übertemperierung des Katalysators zu vermeiden.
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Aus der
US 2011/0247317 A1 ist ein verfahren und eine Vorrichtung zum Abschätzen der Katalysatortemperatur bekannt geworden. Die
DE 10 2013 220 881 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Partikelfilters während seiner Regeneration. Dessen Temperatur wird während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine gemessen. Um den Partikelfilter bei seiner Regeneration vor thermischer Beschädigung zu schützen, werden Einlass und/oder Auslassventile geschlossen, um eine Sauerstoffzufuhr zu unterbinden, was dazu führt, dass die exotherme Reaktion des Rußes verhindert oder zumindest in ihrer Intensität stark reduziert wird.
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Die Abgasanlagen moderner Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, sind üblicherweise mit verschiedenen Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung versehen. Hierunter fallen neben Partikelfiltern insbesondere Katalysatoren, die verschiedene chemische Reaktionen begünstigen, mittels derer schädliche Abgasanteile wie Stickoxide, Kohlenmonoxid etc. abgebaut werden. Im Allgemeinen ist die Wirkung solcher Katalysatoren allerdings temperaturabhängig, wobei Katalysatoren bei Umgebungstemperatur praktisch inaktiv sind. Eine messbare Aktivität setzt erst bei einer bestimmten Temperatur ein, die als Aktivierungstemperatur des Katalysators bezeichnet werden kann. Diese ist jedoch vom Katalysatortyp abhängig, liegt aber typischerweise deutlich über 100°C. Hieraus ergibt sich, dass der Katalysator nach einem Kaltstart des zugehörigen Motors zunächst für eine gewisse Zeit inaktiv ist, bis er durch heiße Abgase des Motors hinreichend aufgewärmt ist. Ein ähnliches Aufwärmverhalten zeigen auch andere Abgasnachbehandlungsanlagen, also Abgassysteme, bspw. Abgas-Speichersysteme, Partikelfilter oder katalytische Partikelfilter, die bei bestimmten Temperaturen – sowie ggf. unter Zugabe von Zusatzstoffen – bestimmte chemische Reaktionen ermöglichen.
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Des Weiteren kommt bei modernen Fahrzeugmotoren auch eine Schubabschaltung zum Einsatz, d. h. die gesteuerte Unterbrechung der Treibstoffzufuhr zum Motor, wenn das Gaspedal nicht betätigt wird und die Drehzahl des Motors über einem bestimmten Wert liegt. Dies bedeutet, dass der Motor zwar weiterläuft, das Fahrzeug aber nicht mehr antreibt. Das Fahrzeug wird in diesen Betriebszustand vielmehr geschoben, wobei der Verbrennungsmotor als Bremse wirkt. Da kein Treibstoff zugeführt wird, durchläuft angesaugte Umgebungsluft den Motor ohne Verbrennungsprozess und wird hierbei (durch Kontakt mit dem Motor sowie ggf. durch Kompressionsprozesse) allenfalls geringfügig erwärmt. Diese relativ kühle Luft gelangt im weiteren Verlauf durch die Abgasanlage zum Katalysator bzw. zu den Katalysatoren und/oder anderen Abgasnachbehandlungsanlagen bzw. Abgassystem und bewirkt eine Abkühlung derselben bzw. behindert eine Erwärmung erheblich. Die Schubabschaltung verringert somit insbesondere nach einem Kaltstart die Effizienz des Abgassystems, also z. B. des Katalysators, was zu einer erhöhten Umweltbelastung durch nicht katalytisch behandelte Abgase führt.
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Die
JP 2004-169646 A beschreibt einen Dieselmotor, bei dem die Einlassventile und/oder die Auslassventile geschlossen werden, wenn eine Schubabschaltung erfolgt. Hiermit soll verhindert werden, dass sauerstoffreiche Luft in den Bereich eines in der Abgasleitung befindlichen Katalysators gelangt, was bei hohen Temperaturen des Katalysators zu einer Beschädigung desselben führen könnte. In diesem Zusammenhang besteht zum einen die Gefahr, dass ein Auslassventil geschlossen wird, wenn gerade eine Zündung erfolgt ist, so dass ein Rückfluss in die Einlassleitung erfolgt. Zum anderen könnte, wenn zusätzlich auch das Einlassventil verschlossen wird, ein hoher Druck im Zylinder entstehen, der zu Schäden führen kann. Zur Lösung dieser Probleme wird vorgeschlagen, zunächst die Verbrennungsgase durch die Auslassleitung auszustoßen, bevor das Auslassventil verschlossen wird. Hierbei kann zusätzlich auch das Einlassventil verschossen werden.
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Die
JP 2009-121433 A zeigt einen Dieselmotor mit Turbolader, wobei eine Einlassleitung und eine Auslassleitung des Motors über eine Rückführleitung verbunden sind. Im Falle einer Schubabschaltung ist vorgesehen, dass eine vermehrte Abgasrückführung erfolgt. Um diesen Prozess effizienter zu gestalten, sind an der Turbinenseite des Turboladers eine Reihe von drehbaren Klappen vorgesehen, durch die eine Durchgangsöffnung zur Turbine mehr oder weniger weit geöffnet werden kann. Erfolgt eine Schubabschaltung, wird die Durchgangsöffnung reduziert, wodurch der Druck im stromaufwärts liegenden Teil der Auslassleitung steigt und der Rückführprozess verstärkt wird. Hierdurch kühlt das Abgas weniger stark ab, und eine Abkühlung eines in der Auslassleitung stromabwärts angeordneten Katalysators wird verzögert.
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Die
EP 2 792 865 A1 offenbart ein Verfahren zur Abgasreinigung bei einem Dieselmotor. Hierbei ist in einer Abgasleitung ein Speicherkatalysator angeordnet, der in bekannter Weise wechselweise in magerer und fetter Atmosphäre betrieben wird. Um bei fetter Atmosphäre die Motorleistung hoch und den Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten, ist vorgesehen, dass eine Zuluftleitung geschlossen und eine Rückführleitung geöffnet wird, falls die Temperatur des Katalysators über einer bestimmten Mindesttemperatur liegt und das Fahrzeug oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit verlangsamt. Anschließend wird eine stromabwärts des Katalysators befindliche Drossel geschlossen und der Katalysator mit Reduktionsmittel versorgt. Ein Verschließen der Ein- oder Auslassventile des Motors ist nicht vorgesehen.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Optimierung des Aufwärmverhaltens einer Abgasnachbehandlungsanlage, also z. B. eines Katalysators, insbesondere im Hinblick auf die oben dargestellten Probleme im Zusammenhang mit einer Unterbrechung der Treibstoffzufuhr, noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Aufwärmverhalten einer Abgasnachbehandlungsanlage, also z. B. eines Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Lösung der Aufgabe gelingt aber auch mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt. Der Verbrennungsmotor umfasst wenigstens einen Zylinder mit einem Einlassventil und einem Auslassventil. Dies bedeutet selbstverständlich im (Regel-)Fall mehrerer Zylinder, dass jeder Zylinder zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil aufweist. Selbstverständlich können auch mehrere Einlassventile und Auslassventile vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich um einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, bspw. eines PKW oder LKW handeln. Der Verbrennungsmotor kann bspw. ein Dieselmotor oder ein Ottomotor sein. Dem Verbrennungsmotor ist eine Abgasnachbehandlungsanlage, also z. B. ein Katalysator zur Abgasnachbehandlung nachgeschaltet. Im Folgenden wird die Abgasnachbehandlungsanlage als Katalysator bezeichnet, wobei natürlich auch bspw. Abgas-Speichersysteme, Partikelfilter und/oder katalytische Partikelfilter mit umfasst sein sollen. Selbstverständlich können mehrere Abgasnachbehandlungs-anlagen in Strömungsrichtung der Abgase aufeinanderfolgend oder ggfls. auch parallel zueinander in dem Abgasstrang angeordnet sein. Der Katalysator ist also stromabwärts des Verbrennungsmotors angeordnet. Falls es sich um einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung (AGR) handelt, kann sich der Katalysator auch in einer Leitung zur Abgasrückführung befinden. Der Katalysator ist selbstverständlich Teil einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors, wobei eine eventuell vorhandene AGR-Leitung auch als Teil der Abgasanlage aufgefasst wird. Es kann sich hierbei grundsätzlich um jeden Typ von Katalysator handeln, der zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren geeignet ist, bspw. einen Oxidations- oder Reduktionskatalysator. Selbstverständlich können auch mehrere Katalysatoren vorgesehen sein.
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Es ist eine Steuereinheit vorgesehen. Diese kann Hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit Teil einer Motorsteuerung sein bzw. in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
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Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Untertemperierung des Katalysators zu erkennen, und bei gleichzeitigem Vorliegen einer Untertemperierung und einer Schubabschaltung wenigstens ein Ventil, also alle Ventile jedes Zylinders zu schließen und geschlossen zu halten. D. h., das gleichzeitige Vorliegen von Untertemperierung und Schubabschaltung ist die Bedingung für das Schließen des Ventils bzw. der Ventile. Selbstverständlich ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, dass wenigstens eine Ventil, also alle Ventile wieder zu öffnen, sobald entweder keine Untertemperierung oder keine Schubabschaltung mehr vorliegt. Hierbei bezeichnet "Untertemperierung" einen Zustand, in dem die Temperatur des Katalysators unterhalb eines als optimal erachteten Temperaturbereichs liegt. Insbesondere kann die Temperatur so gering sein, dass der Katalysator nicht aktiv ist bzw. nicht effizient arbeitet. Wie in der nachfolgenden Beschreibung noch deutlich wird, ist hierfür nicht unbedingt notwendig, dass die Temperatur des Katalysators selbst gemessen wird. Vielmehr kann auch indirekt auf die Temperatur des Katalysators geschlossen werden, womit prinzipiell ein gewisser Spielraum für Fehler bleiben kann, so dass die Steuereinheit ggf. in Einzelfällen eine Untertemperierung fälschlich erkennt bzw. fälschlich nicht erkennt. Somit bedeutet "Erkennen" einer Untertemperierung in diesem Zusammenhang, dass der Zustand des Katalysators als untertemperiert bewertet wird. "Schubabschaltung" bezeichnet hierbei die gesteuerte Unterbrechung der Treibstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor. Die Schubabschaltung kann ggf. durch die Steuereinheit selbst ausgelöst werden.
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Hierbei wird z. B. mittels zumindest einer Messeinrichtung wenigstens eine Temperatur gemessen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, zum Erkennen der Untertemperierung zu prüfen, ob die gemessene Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Minimaltemperatur liegt. Wie nachfolgend noch besprochen wird, kann die gemessene Temperatur insbesondere eine Temperatur des Verbrennungsmotors, einer hiermit verbundenen Abgasanlage oder eines Fluids sein, das mit den genannten Komponenten in Kontakt steht. In jedem Fall gibt die gemessene Temperatur zumindest näherungsweise Aufschluss über die Temperatur des Katalysators. Die Minimaltemperatur ist ein (normalerweise werkseitig) vorgegebener Temperaturwert, der so gewählt ist, dass man davon ausgehen kann, dass der Katalysator nicht ausreichend aufgewärmt ist, wenn die gemessene Temperatur unter der Minimaltemperatur liegt. Die Minimaltemperatur ist normalerweise innerhalb der Steuereinheit selbst hinterlegt und kann von der Steuereinheit mit der gemessenen Temperatur verglichen werden. Es versteht sich, dass die genannte Temperatur mittels wenigstens eines Temperatursensors gemessen wird. Hinsichtlich der Art des Temperatursensors bestehen hierbei grundsätzlich keine Einschränkungen. Insbesondere kann ggf. auch eine berührungslose Messung erfolgen. Selbstverständlich kann eine Mehrzahl von Temperatursensoren vorhanden sein. Es ist hierbei denkbar, dass im Falle mehrerer Temperatursensoren, die an unterschiedlichen Stellen messen, für jeden Temperatursensor eine individuelle Minimaltemperatur festgelegt ist. Stellt die Steuereinheit fest, dass die gemessene Temperatur unterhalb der (ihr zugeordneten) Minimaltemperatur liegt, erkennt sie hieran, dass eine Untertemperierung des Katalysators vorliegt.
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Erkennt die Steuereinheit eine Untertemperierung bzw. bewertet diese den Zustand des Katalysators als untertemperiert und liegt gleichzeitig eine Schubabschaltung vor, verschließt die Steuereinheit wenigstens ein Ventil, also alle Ventile (Einlassventil und/oder Auslassventil) jedes Zylinders (sofern das jeweilige Ventil nicht bereits geschlossen ist) und hält es geschlossen. Somit kann keine Außenluft mehr auf dem Weg durch die Zylinder in die Abgasanlage und zum Katalysator gelangen. D. h., der Katalysator kann in Phasen der Schubabschaltung nicht mehr wesentlich abkühlen oder er kann sich sogar weiter erwärmen, falls heiße Verbrennungsgase aus einem Zeitraum vor der Schubabschaltung im Bereich des Katalysators verbleiben. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Katalysator im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich schneller den Zustand der Untertemperierung verlässt. Anders ausgedrückt, im Falle einer Untertemperierung wird durch die Steuereinheit dafür gesorgt, dass der Katalysator bei laufender Treibstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor normal aufgeheizt wird, aber bei Unterbrechung der Treibstoffzufuhr keine wesentliche Abkühlung erfährt. Das Schließen der Ventile kann hierbei ggf. mit einer gewissen Verzögerung nach dem Erkennen der Untertemperierung sowie dem Eintritt der Schubabschaltung erfolgen. Es ist auch denkbar, dass die Ventile unterschiedlicher Zylinder nicht gleichzeitig, sondern im zeitlichen Abstand zueinander geschlossen werden. Da die Phasen der Untertemperierung reduziert bzw. minimiert werden, arbeitet der Katalysator mit verbesserter Effizienz und der Ausstoß an schädlichen Abgasen verringert sich.
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Da das primäre Ziel der Erfindung ist, zu verhindern, dass bei einer Schubabschaltung relativ kühle Luft, die innerhalb des Motors nur unwesentlich erwärmt wurde, in dem Bereich des Katalysators gelangt, ist es prinzipiell ausreichend, das eines der Ventile, also alle Ventile jedes Zylinders geschlossen werden. Da die Kolben innerhalb der Zylinder allerdings weiter arbeiten, kann dies unter Umständen zu unerwünschten Gasbewegungen stromaufwärts bzw. stromabwärts der Zylinder führen. Bspw. könnten über ein geöffnetes Einlassventil Abgase in die Luftzufuhr zurückgedrückt werden, was zu Ladungswechselverlusten führt. Um derartige Effekte zu vermeiden, ist die Steuereinheit bevorzugt dazu eingerichtet, alle Ventile jedes Zylinders zu schließen. Hierdurch lassen sich die Schleppverluste des Motors erheblich verringern und es kann bspw. bei Hybridantrieben mehr Energie über den Kurbeltrieb zurückgewonnen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall das Schließen aller Ventile eines jeweiligen Zylinders nicht notwendigerweise gleichzeitig erfolgen muss.
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Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist vorgesehen z. B. mittels der zumindest einen Messeinrichtung eine Temperatur des Katalysators zu messen. Hierüber kann unmittelbar und (im Rahmen der Messgenauigkeit) exakt bestimmt werden, welche Temperatur der Katalysator hat. Dies erlaubt einen sehr zuverlässigen Rückschluss darauf, ob der Katalysator hinreichend aufgewärmt ist oder ob eine Untertemperierung vorliegt. Die Temperaturmessung muss hierbei nicht zwangsläufig unmittelbar an dem katalytisch aktiven Material erfolgen, sondern kann bspw. auch an einem Trägerelement durchgeführt werden, auf das dieses aufgebracht ist. Normalerweise kann man davon ausgehen, dass die Temperatur des Trägerelements und die des (im chemischen Sinne) eigentlichen Katalysators praktisch identisch sind.
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Hierbei entspricht die Minimaltemperatur wenigstens einer Aktivierungstemperatur des Katalysators. Als Aktivierungstemperatur wird die Temperatur bezeichnet, oberhalb der der Katalysator mit optimaler Effektivität arbeitet. Hierbei kann auch berücksichtigt werden, dass zumindest in einigen Fällen diese Aktivierungstemperatur beim Aufwärmen höher liegt als umgekehrt beim Abkühlen, es hier also eine Art "Hysterese" gibt. Die Aktivierungstemperatur ist hierbei vom Typ des Katalysators abhängig. Die Aktivierungstemperatur kann insbesondere zwischen 150 °C und 250 °C liegen. Insbesondere ist es möglich, dass die Minimaltemperatur oberhalb der Aktivierungstemperatur liegt, so dass gewissermaßen eine Sicherheitsmarge eingeplant wird, um sicherzustellen, dass der Katalysator in jedem Fall aktiviert ist. Einige Katalysatoren arbeiten nur in einem bestimmten Temperaturbereich optimal. D. h. oberhalb einer Temperatur, die in diesem Zusammenhang als Überhitzungstemperatur bezeichnet wird, arbeiten diese Katalysatoren nicht mehr optimal. Um dies zu berücksichtigen, kann die Minimaltemperatur insbesondere so gewählt werden, dass sie zwischen der Aktivierungstemperatur und der Überhitzungstemperatur liegt. Die Überhitzungstemperatur ist selbst verständlich von der Art des Katalysators abhängig und entspricht auch nicht einem exakten Temperaturwert, da die Überhitzung, also der Effektivitätsverlust des Katalysators, sich über einen gewissen Temperaturbereich vollzieht.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Messeinrichtung z.B. dazu eingerichtet, eine Abgastemperatur zu messen. Die Abgastemperatur kann hierbei insbesondere stromabwärts des Katalysators gemessen werden, allerdings sind auch Messungen an anderen Stellen möglich. Der Begriff "Abgastemperatur" bezieht sich hierbei nicht ausschließlich auf Gasgemische, die teilweise oder überwiegend Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors enthalten, sondern auf jegliches Gas, das sich in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors (einschließlich einer eventuell vorhandenen AGR-Leitung) befindet, also stromabwärts des Auslassventils bzw. der Auslassventile. Im Fall einer Schubabschaltung kann es sich hierbei also auch im Wesentlichen um Frischluft handeln, die ohne Verbrennungsprozess durch den Motor geführt wurde.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen z. B. mittels der zumindest einen Messeinrichtung dazu eingerichtet, eine Temperatur einer Abgasleitung zu messen, welche wenigstens mittelbar mit dem Katalysator verbunden ist. Hierbei umfasst der Begriff „Abgasleitung" sämtliche abgasführenden Elemente vom Krümmer bis zum Endrohr, ebenso wie eine eventuell vorhandene Leitung zur Abgasrückführung (AGR). Bevorzugt folgt die Messung in einer Abgasleitung, die unmittelbar mit dem Katalysator verbunden ist, also ohne Zwischenschaltung weiterer Bauteile. Die Temperatur kann hierbei insbesondere in einem Teil der Abgasleitung gemessen werden, der an den Katalysator angrenzt. Aber auch eine Messung der Temperatur in weiter vom Katalysator entfernten Bereichen erlaubt zumindest gewisse Rückschlüsse auf die Temperatur des Katalysators. Es ist somit möglich, auf das Vorliegen einer Untertemperierung zu schließen, ohne die Temperatur des Katalysators selber zu messen.
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Das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Katalysators ist bis zu einem gewissen Grad an das des Verbrennungsmotors gekoppelt. Daher ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen z. B. mittels der zumindest einen Messeinrichtung eine Temperatur des Verbrennungsmotors zu messen. Selbstverständlich weisen im Allgemeinen nicht alle Teile des Verbrennungsmotors die gleiche Temperatur auf. Insofern ist hier "eine Temperatur des Verbrennungsmotors" so zu verstehen, dass dies die Temperatur eines bestimmten Teils des Motors ist, an dem die Messung vorgenommen wird. Es kann hierbei zweckmäßig sein, die Temperatur in einem Teil des Motors zu messen, der möglichst nah an den abgasführenden Teilen liegt. Dies könnte bspw. eine Auslassleitung eines Zylinders sein.
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Neben einer direkten Messung der Motortemperatur kann vorgesehen sein z. B. mittels der zumindest einen Messeinrichtung bspw. auch eine Kühlmitteltemperatur zu messen. Auch dies erlaubt wenigstens in begrenztem Umfang Rückschlüsse auf die Temperatur des Motors und auf die Temperatur des Katalysators.
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Zielführend ist bei den beschriebenen Ausgestaltungen, bei denen nicht die Temperatur des Katalysators selbst, sondern die eines anderen Bauteils bzw. des Abgases gemessen wird, die vorgegebene Minimaltemperatur so gewählt, dass diese oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators liegt. Insbesondere die Temperatur des Motors wird in fast allen Fällen höher liegen als die des Katalysators, so dass eine entsprechende Minimaltemperatur hier oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators liegen sollte. Auch die Temperatur von Abgasen liegt über der Temperatur des Katalysators, sofern die Abgase aus einer normalen Betriebsphase des Motors (ohne Schubabschaltung) stammen. Daher sollte auch in diesem Fall die Minimaltemperatur größer sein als die Aktivierungstemperatur des Katalysators. Wird die Temperatur der Abgasleitung gemessen, so kann die Minimaltemperatur umso dichter an der Aktivierungstemperatur liegen, je näher die Temperaturmessung am Katalysator stattfindet. D. h. falls in einem Abschnitt der Abgasleitung gemessen wird, der dicht, also nahe am Katalysator liegt, kann die Minimaltemperatur im Wesentlichen der Aktivierungstemperatur entsprechen, während bei einer Messung in einem weiter entfernten Abschnitt die Minimaltemperatur sicherheitshalber höher gewählt werden sollte.
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Sämtliche der oben dargestellten Temperaturmessungen können ggf. miteinander kombiniert werden. Hierbei können zwei oder mehr Messungen kombiniert werden. Dies trifft insbesondere auf Fälle zu, in denen nicht unmittelbar die Temperatur des Katalysators gemessen wird.
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Neben einer Temperaturmessung kann grundsätzlich auch über den bisherigen Betrieb des Motors darauf geschlossen werden, ob der Katalysator aktuell hinreichend aufgewärmt ist oder nicht. So ist bspw. kurz nach einem Kaltstart des Motors klar, dass der Katalysator noch nicht hinreichend aufgewärmt sein kann. Die tatsächliche Temperatur des Katalysators ist selbst verständlich von verschiedenen Faktoren abhängig, wie bspw. Umgebungstemperatur, Länge und sonstige Ausgestaltung der Abgasleitung zwischen Motor und Katalysator etc. Wenigstens näherungsweise kann die Temperatur allerdings aus Betriebsdaten des Verbrennungsmotors innerhalb eines zurückliegenden Zeitintervalls (bspw. der letzten Viertelstunde) abgeschätzt werden. Daher ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen z. B. mittels einer separaten Speichereinheit Betriebsdaten des Verbrennungsmotors zu erfassen und zu speichern, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Untertemperierung anhand gespeicherter Betriebsdaten zu erkennen. Die Speichereinheit kann auch in der Steuereinheit integriert sein. Zu den Betriebsdaten können insbesondere Daten über Dauer und Beginn der angetriebenen Phasen, zugeführte Treibstoffmenge sowie Dauer und Beginn der Phasen mit Schubabschaltung zählen. Die entsprechenden Daten werden (ggf. von der Steuereinheit selber) gespeichert, so dass sie jeweils für ein zurückliegendes Zeitintervall abrufbar sind. Die Steuereinheit ruft die entsprechenden Daten ab und ermittelt hieraus wenigstens näherungsweise, ob der Katalysator hinreichend aufgewärmt ist oder sich noch bzw. wieder untertemperiert ist. Die Betriebsdaten können hierbei ggf. auch mit anderen Daten kombiniert werden, bspw. mit einer Umgebungstemperatur.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung sowie eines Verbrennungsmotors und einer Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung des Verbrennungsmotors.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs, wobei vereinfachend nur ein Zylinder 11 mit einer Einlassleitung 14, einer Auslassleitung 15, einem Einlassventil 16 sowie einem Auslassventil 17 dargestellt ist. Es versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 10 normalerweise eine Mehrzahl von Zylindern 11 sowie von Einlass- und Auslassventilen pro Zylinder umfassen kann. Die Einlassleitung 14 ist mit einer Ansaugleitung 13 für Frischluft verbunden. An die Auslassleitung 15 schließt sich eine Abgasanlage 20 an, die hier ebenfalls stark vereinfacht dargestellt ist. Die Abgasanlage 20 weist neben Abgasleitungen 21, 22 Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie z. B. einen zwischengeschalteten Katalysator 23 auf, der zur katalytischen Aufbereitung von Abgasen des Verbrennungsmotors 10 dient. Im Folgenden wird die Abgasnachbehandlungseinrichtung als Katalysator 23 bezeichnet, wobei auch Partikelfilter usw. von der Erfindung umfasst sein sollen. Es kann sich hierbei um jedweden Typ von Katalysator handeln, bspw. einen Oxidationskatalysator. Der Katalysator 23 zeigt jedenfalls einen typisches Aufwärmverhalten, wobei dieser erst ab einer Aktivierungstemperatur, die wesentlich über der Umgebungstemperatur liegt, aktiv wird.
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Weiterhin ist eine Steuereinheit 30 zu erkennen, die zusammen mit Messeinrichtungen, wie z. B. Temperatursensoren 31–34 zu einer Vorrichtung 1 zum Steuern des Verbrennungsmotors 10 gehört. Die Steuereinheit 30 ist mit mehreren Steuerleitungen 36 verbunden. Über eine Steuerleitung 36 steuert diese ein Einspritzventil 18 an, um die Treibstoffzufuhr des Verbrennungsmotors 10 zu regeln. Im Normalbetrieb, d. h. wenn bspw. ein (nicht dargestelltes) Gaspedal betätigt wird, wird über das Einspritzventil 18 Treibstoff eingespritzt, der Verbrennungsmotor 10 saugt über die Ansaugleitung 13 und die Einlassleitung 14 Frischluft an, verbrennt hiermit Treibstoff und gibt die Abgase über die Auslassleitung 15 in die Abgasanlage 20 ab. Hierbei werden die Ventile 16, 17 in bekannter Weise abwechselnd geöffnet und geschlossen. Selbstverständlich kann der Verbrennungsmotor 10 auch als turbogeladener Motor ausgeführt sein, so dass von der Erfindung nicht nur Saugmotoren umfasst sein sollen.
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Wird das Gaspedal nicht betätigt und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 übersteigt einen bestimmten Wert, so unterbricht die Steuereinheit 30 die Treibstoffzufuhr, d. h. es findet eine Schubabschaltung statt. In diesem Fall bewegt sich der Verbrennungsmotor 10 weiter, ohne eine Antriebkraft zu erzeugen. Jedoch bewegen sich auch die Kolben 12 in den Zylindern 11 weiter. Würden sich die Ein- und Auslassventile 16, 17 wie im Normalbetrieb weiter öffnen und schließen, würde über die Einlassleitung 14 weiter Frischluft angesaugt und ohne wesentliche Erwärmung über die Auslassleitung 15 in die Abgasanlage 20 abgegeben. Dies würde zu einer Abkühlung (bzw. zu einer Verzögerung der Erwärmung) des Katalysators 23 führen. Dies ist insbesondere dann schädlich, wenn eine Temperatur des Katalysators 23 unterhalb der Aktivierungstemperatur liegt.
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Um dies zu vermeiden, ist die Steuereinheit 30 über eine von mehreren Sensorleitungen 35 mit einem ersten Temperatursensor 31 verbunden, der am Katalysator 23 angeordnet ist und eine erste Temperatur desselben misst. Das Messen der Katalysatortemperatur ist aber von der Erfindung nicht umfasst. In der Steuereinheit 30 ist eine erste Minimaltemperatur hinterlegt, mit der die gemessene erste Temperatur verglichen wird. Die erste Minimaltemperatur entspricht hierbei wenigstens der Aktivierungstemperatur des Katalysators 23, sie kann erfindungsgemäß auch höher liegen und somit einem Temperaturbereich entsprechen, in dem der Katalysator 23 optimal arbeitet. Stellt die Steuereinheit 30 fest, dass die gemessene erste Temperatur kleiner ist als die erste Minimaltemperatur, bewertet sie dies als eine Untertemperierung des Katalysators 23. Wird eine solche Untertemperierung bei gleichzeitiger Schubabschaltung festgestellt, steuert die Steuereinheit 30 die Einlassventile 16 sowie die Auslassventile 17 sämtlicher Zylinder 11 so an, dass diese geschlossen werden und solange geschlossen bleiben, bis entweder die Schubabschaltung beendet ist oder keine Untertemperierung mehr vorliegt. Hierbei können die Einlass- und Auslassventile 16, 17 gleichzeitig oder nacheinander geschlossen werden. Es kann auch eine gewisse Verzögerung zwischen dem Feststellen von Untertemperierung und Schubabschaltung einerseits und dem Schließen der Ventile 16, 17 andererseits bestehen. Das Schließen der Ventile 16, 17 führt dazu, dass keine Frischluft durch den Verbrennungsmotor 10 in die Abgasanlage 20 gelangt. Somit wird einer Abkühlung des Katalysators 23 wirksam entgegengewirkt. Ggf. kann der Katalysator 23 sogar während der Schubabschaltung durch in der Abgasanlage 20 befindliche heiße Abgase weiter erwärmt werden. Somit erreicht der Katalysator 23 bspw. nach einem Kaltstart deutlich schneller eine Temperatur, bei der er effektiv arbeitet.
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Die dargestellte Temperaturmessung unmittelbar am Katalysator 23 stellt im Allgemeinen eine mögliche Methode dar, eine Untertemperierung festzustellen. Es bestehen allerdings auch andere Möglichkeiten. So kann bspw. ein zweiter Temperatursensor 32 am Verbrennungsmotor 10 angeordnet sein, um eine zweite Temperatur zu messen. Bspw. kann der zweite Temperatursensor 32 im Bereich der Auslassleitung 15 angeordnet sein. Die dort gemessene zweite Temperatur gibt bis zu einem gewissen Grad Aufschluss über die Temperatur des Katalysators 23. Daher kann die zweite Temperatur mit einer in der Steuereinheit 30 hinterlegten zweiten Minimaltemperatur verglichen werden, um eine Untertemperierung des Katalysators 23 festzustellen. Um einerseits zu berücksichtigen, dass der Verbrennungsmotor 10 im Allgemeinen wärmer als der Katalysator 23 ist und andererseits eine Temperaturmessung abseits des Katalysators 23 eine gewisse Unsicherheit mit sich bringt, kann die zweite Minimaltemperatur deutlich höher gewählt werden als die erste Minimaltemperatur.
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Die erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, über einen dritten Temperatursensor 33 eine dritte Temperatur in der Abgasanlage 20 zu messen. Der dritte Temperatursensor 33 kann bspw. unmittelbar stromaufwärts angrenzend an den Katalysators 23 an der Abgasleitung 21 angeordnet sein. Die Temperatur in diesem Bereich unterscheidet sich normalerweise nur wenig von der Temperatur des Katalysators 23, weshalb eine entsprechende dritte Minimaltemperatur relativ ähnlich der ersten Minimaltemperatur gewählt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann über einen vierten Temperatursensor 34 eine vierte Temperatur des Abgases innerhalb der Abgasleitung 22 unmittelbar stromabwärts des Katalysators 23 gemessen werden. Auch dies erlaubt zumindest ungefähr einen Rückschluss auf die aktuelle Temperatur des Katalysators 23. Eine für den Vergleich herangezogene vierte Minimaltemperatur kann wiederum zur Sicherheit deutlich höher gewählt werden als die erste Minimaltemperatur.
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Die hier dargestellten Temperatursensoren 31–34 kommen normalerweise nicht alle gleichzeitig zum Einsatz.
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Neben einer Temperaturmessung kann auch aus den Betriebsdaten des Verbrennungsmotors 10 einen Rückschluss auf die Temperatur des Katalysators 23 gezogen werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 30 Daten betreffend Zeitpunkt, Dauer und Menge des zugeführten Treibstoffs sowie Zeitpunkt und Dauer der Phasen mit Schubabschaltung abspeichern, oder aus einer separaten Speichereinheit abfragen. Aus diesen Daten kann, ggf. in Verbindung mit einer ermittelten Umgebungstemperatur, abgeschätzt werden, ob eine Untertemperierung des Katalysators 23 vorliegt oder nicht. Hierbei müssen die Daten selbstverständlich nicht beliebig lange gespeichert bleiben, sondern es können ältere Daten gelöscht werden, die Zeitintervalle betreffen, die auf die Temperatur des Katalysators 23 keinen Einfluss haben können.
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Unabhängig davon, welche der dargestellten Möglichkeiten zum Feststellen einer Untertemperierung genutzt wird, wird durch die Vorrichtung 1 eine wesentlich effektivere Funktion des Katalysators 23 und somit eine Reduzierung schädlicher Abgasanteile sichergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 10
- Motor
- 11
- Zylinder
- 12
- Kolben
- 13
- Ansaugleitung
- 14
- Einlassleitung
- 15
- Auslassleitung
- 16
- Einlassventil
- 17
- Auslassventil
- 18
- Einspritzventil
- 20
- Abgasanlage
- 21, 22
- Abgasleitung
- 23
- Katalysator
- 30
- Steuereinheit
- 31–34
- Messeinrichtung/Temperatursensor
- 35
- Sensorleitung
- 36
- Steuerleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60003627 T2 [0002]
- DE 102011087891 A1 [0003]
- DE 102015100135 A1 [0004]
- US 2011/0247317 A1 [0005]
- DE 102013220881 A1 [0005]
- JP 2004-169646 A [0008]
- JP 2009-121433 A [0009]
- EP 2792865 A1 [0010]
