DE102022210818B3 - Verfahren, Computerprogramm und Steuerungsvorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Steuerungsvorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Abgasanlage (130), die zumindest eine Katalysatorvorrichtung (132) und einen Abgassensor (134) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Abgassignal zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) derart, dass diese mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, nachdem eine Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine (100) stattgefunden hat, die länger ist als ein vorbestimmte Zeitschwellenwert. Während dem Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) mit dem fetten Verbrennungsgasgemisch erfolgt ein Empfangen von zumindest einem Abgassignal (206) des Abgassensors (134), und ein Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) derart, dass diese mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, wenn ermittelt worden ist, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt.

Description

  • Während der Schubabschaltungsphase einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs wird typischerweise kein Kraftstoff eingespritzt, um den Verbrauch und die Rohemissionen der Brennkraftmaschine zu minimieren. Daher wird in dieser Betriebsphase der Brennkraftmaschine die Abgasanlage mit Luft gespült. Eine in der Abgasanlage angeordnete Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise ein Dreiwegekatalysator, die über eine Sauerstoffspeicherfähigkeit verfügt, kann währenddessen den in der Luft enthaltenen Sauerstoff einlagern. Ist die Schubabschaltungsphase ausreichend lang, wird die komplette Katalysatorvorrichtung, die aus einem brennkraftmaschinennahen und einem Unterboden-Katalysator bestehen kann, mit Sauerstoff gespült und nahezu vollständig mit Sauerstoff gefüllt.
  • Setzt die Einspritzung nach der Schubabschaltungsphase wieder ein, muss zumindest ein Teil der Sauerstoffbeladung aus der Katalysatorvorrichtung ausgetrieben bzw. die Katalysatorvorrichtung zumindest teilweise reduziert werden, um im folgenden Betrieb wieder robust sowohl gegen einen Mager- als auch gegen einen Fettausflug zu sein. Kommt es zu einem Magerausflug (= Lambda >1) steigen die Stickoxidemissionen an. Im Gegensatz dazu treten steigende HC-, CO- und NH3-Emissionen auf, wenn zu viel Kraftstoff eingespritzt wird, d. h. wenn es zu einem Fettausflug (= Lambda <1) kommt.
  • Um einen Teil des eingespeicherten Sauerstoffs nach der Schubabschaltungsphase zumindest teilweise austreiben zu können, ist es bekannt, die Brennkraftmaschine vorübergehend mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch zu betreiben. Ein solcher Betrieb wird Katausräumen genannt. Während dem Katausräumen können entstehende Kohlenstoffoxide (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) mit dem in der Katalysatorvorrichtung eingespeicherten Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H20) konvertiert werden. Dabei entstehen auch unerwünschte Nebenprodukte wie Stickoxide (NOx) und/oder auch Ammoniak (NH3).
  • Da während des Katausräumens nur ein Teil des in der Katalysatorvorrichtung eingespeicherten Sauerstoffs ausgetrieben werden soll, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, als Zielkriterium zum Abbrechen des Katausräumens ein Überschreiten einer vorbestimmten Lambdaspannung einer stromab der Katalysatorvorrichtung angeordneten binären Lambdasonde zu verwenden. Ferner ist es bekannt, als Zielkriterium zum Abbrechen des Katausräumens ein Unterschreiten eines modellierten Sauerstoffbeladungsschwellenwert gegenüber einem vorbestimmten Sauerstoffbeladungsschwellenwert zu verwenden.
  • Nachteilig dabei ist, dass das Überschreiten der vorbestimmten Lambdaspannung zu spät sein kann und/oder dass der modellierte Sauerstoffbeladungswert, der mit einem vorbestimmten Sauerstoffbeladungsschwellenwert verglichen wird zu ungenau bestimmt worden ist.
  • Weitere Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt aus US 2022/ 0 178 295 A1 , JP 4 134 398 B2 , US 9 765 715 B2 , JP 2022- 67 790 A , JP 3 744 373 B2 , DE 10 2021 202 965 A1 , DE 10 2014 106 399 A1 , DE 10 2022 203 170 B3 , DE 10 2015 116 967 A1 und DE 10 2021 209 107 B3 .
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit denen das sich einer Schubabschaltungsphase anschließende Katausräumen zu einem optimierten Zeitpunkt abgebrochen und in den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch gewechselt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Computerprogram gemäß Anspruch 7 einem computerlesbaren Medium gemäß Anspruch 8 und einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, das Abgassignal eines stromabwärts einer Katalysatorvorrichtung, insbesondere Dreiwegekatalysatorvorrichtung, angeordneten Abgassensors, der die Summe des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine anzeigt, dazu zu verwenden, den optimalen Zeitpunkt zum Abbrechen des sogenannten Katausräumens zu erfassen, das sich an einem Schubabschaltungsbetrieb der Brennkraftmaschine anschließt. Insbesondere wird erfindungsgemäß das Abgassignal während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch, der sich unmittelbar an eine ausreichend lange Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine anschließt, ausgewertet und untersucht, ob zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium zum Abbrechen des Katausräumens vorliegt. Somit kann durch Auswertung der Abgassignale des Abgassensors die Katausräumphase geregelt, d. h. nicht gesteuert, werden. Ferner kann die Katausräumphase basierend auf der Auswertung der Abgassignale des Abgassensor im Vergleich zur Auswertung der Signale der Lambdasonde früher beendet werden, was zu niedrigeren Emissionen führen kann.
  • Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage offenbart, die zumindest eine Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise Sauerstoff einzuspeichern, und einen stromabwärts der zumindest einen Katalysatorvorrichtung angeordneten Abgassensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Abgassignal zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ansteuern der Brennkraftmaschine derart, dass diese mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, nachdem eine Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine stattgefunden hat, die länger ist als ein vorbestimmter Zeitschwellenwert. Erfindungsgemäß erfolgt während dem Ansteuern der Brennkraftmaschine mit dem fetten Verbrennungsgemisch ein Empfangen von zumindest einem Abgassignal des Abgassensors und ein Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Ansteuern der Brennkraftmaschine derart, dass diese mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, wenn ermittelt worden ist, dass das zumindest eine Abgassignal zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt. Erfindungsgemäß umfasst das Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, ein Ermitteln, dass das Abgassignal ein lokales Maximum erreicht hat, ein Empfangen von zumindest einem weiteren Abgassignal des Abgassensors, nachdem das lokale Maximum erreicht worden ist, und ein Ermitteln auf, dass der Gradient des zumindest einen empfangenen weiteren Abgassignals einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert erreicht hat.
  • Somit kann das Katausräumen dann abgebrochen und die Brennkraftmaschine in den Betrieb mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch umgeschaltet werden, sobald das Abgassignal ein lokales Maximum erreicht hat. Das lokale Maximum beschreibt dabei den Zustand der Katalysatorvorrichtung, bei dem der aufgrund der Sauerstoffbeladung unvermeidbare Stickoxid-Peak im Abgassignal des Abgassensors ein Maximum erreicht hat. Dabei beginnt die Katalysatorvorrichtung die von der Verbrennung bzw. die in Katalysatorvorrichtung erzeugten Stickoxide vermehrt umzusetzen.
  • Ferner wird nach dem Erreichen eines lokalen Maximums das Katausräumen erst dann abgebrochen werden, wenn der Gradient des zumindest einen empfangenen weiteren Abgassignals den vorbestimmten Gradientenschwellenwert erreicht hat. Dies dient zur Erhöhung der Robustheit der Erkennung eines lokalen Maximums im Abgassignal des Abgassensor und kann auch dazu benutzt werden, den optimalen Zeitpunkt des Abbruchs des Katausräumens zu definieren.
  • Folglich wird erfindungsgemäß das Abgassignal des Abgassensors dahingehend ausgewertet, ob zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium zum Umschalten des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem fetten Verbrennungsgemisch zu einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch erfüllt ist und somit das sogenannte Katausräumen, das sich einem ausreichend lang vorliegenden Schubabschaltungsbetrieb der Brennkraftmaschine direkt anschließt, abgebrochen werden kann. Insbesondere kann zu diesem Zeitpunkt ausgesagt werden, dass die während der Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine vollständig mit Sauerstoff beladene Katalysatorvorrichtung nunmehr ausreichend reduziert ist, so dass eine Umschaltung in den Normalbetrieb mit einen im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch erfolgen kann. Dabei wird sich zu Nutze gemacht, dass während dem Betrieb der Brennkraftmaschine mit fettem Verbrennungsgasgemisch (d. h. während dem Katausräumen) die Sauerstoffbeladung der Katalysatorvorrichtung sinkt und somit die Erzeugung von Ammoniak in der Katalysatorvorrichtung ansteigt. Während des Katausräumens kommt es zunächst zu einem unvermeidbaren Stickoxid-Peak im Abgassignal, der mit abnehmender Sauerstoffbeladung der Katalysatorvorrichtung abnimmt. In Folge der fortlaufenden Reduzierung der Sauerstoffbeladung der Katalysatorvorrichtung aufgrund des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch kommt es jedoch zur Erzeugung von Ammoniak in der Katalysatorvorrichtung, was sich in einem zeitlich auf den Stickoxid-Peak folgenden Ammoniak-Peak im Abgassignal zeigt. Das entsprechende Abgassignal des Abgassensors, das die Summe an Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt, zeigt daher zunächst einen Anstieg des Stickoxidgehalts bis zu einem Maximum an. Anschließend fällt der Stickoxidgehalt im Abgas wieder ab, was sich in einem abfallenden Abgassignal des Abgassensors zeigt. Der sich nach dem Durchschreiten eines Minimums anschließende erneute Anstieg des Abgassignals des Abgassensors begründet sich in der Ammoniakerzeugung aufgrund der fortlaufend reduzierten Sauerstoffbeladung des Katalysators.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, weist das Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, ein Ermitteln auf, dass das zumindest eine empfangene Abgassignal einen Abgaswert anzeigt, der einen vorbestimmten Abgasschwellenwert überschreitet.
  • Folglich wird bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Katausräumen abgebrochen, sobald das zumindest eine empfangene Abgassignal den vorbestimmten Abgasschwellenwert überschreitet. Dies bedeutet, dass die unvermeidbare Erzeugung von Stickoxiden zu Beginn des Katausräumens dazu genutzt werden kann, den Katausräum-Prozess zu beenden. Je nach Motorbetriebspunkt (Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, Lambdawert, etc.) und der Ausführung der Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise Größe, Edelmetallbeladung, Sauerstoffspeicherfähigkeit, etc., kann ein zeitiger Abbruch des Katausräumens sinnvoll sein, da sich dann noch fettes Abgasgemisch in der Abgasanlage stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung befindet. Ein typischer Schwellwert ist ungefähr 100 ppm.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gradientenschwellenwert negativ oder positiv. Folglich kann neben dem Abgassignal des Abgassensor, das einen Abgaswert im Abgas der Brennkraftmaschine anzeigt, auch der Gradient des Abgassignals ausgewertet werden. Dabei kann der Gradient negativ fallend (Abfall des Abgassignals unmittelbar nach dem Stickoxidmaximum) oder im Bereich zwischen dem lokalen Maximum des Stickoxidgehalts und dem lokalen Maximum des Ammoniakgehalts sein, wobei sich zwischen diesen beiden lokalen Maxima ein lokales Minimum befindet. Zudem können weitere Kriterien, wie beispielsweise ein Sauerstoff integral seit dem Unterschreiten des Gradienten unterhalb eines Sauerstoffschwellwertes, als Abbruchkriterium herangezogen werden, um einen optimalen Zeitpunkt für den Abbruch des Katausräumens zu definieren.
  • Vorzugsweise weist das im Wesentlichen stöchiometrische Verbrennungsgasgemisch einen Lambdawert zwischen ungefähr 0,998 und 1,002 auf. Ferner ist es bevorzugt, wenn das fette Verbrennungsgasgemisch einen Lambdawert von ungefähr 0,8 aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der vorbestimmte Zeitschwellenwert zur Erkennung einer Schubabschaltungsphase ungefähr 1 bis 5 Sekunden. Alternativ oder zusätzlich kann eine ausreichend lange Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine dann festgestellt werden, wenn der Sauerstoffmasseneintrag in die Katalysatorvorrichtung einen vorbestimmten Sauerstoffmassenschwellenwert überschreitet. Dabei kann der Sauerstoffmasseneintrag in die Katalysatorvorrichtung mittels des linearen Lambdasignals der stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung angeordneten Lambdasonde erfasst und/oder über ein geeignetes Modell, das zusätzlich den Abgasmassenstrom berücksichtigen kann, abgeschätzt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm offenbart, das Befehle aufweist, die, wenn sie von einem Prozessor oder Controller einer Steuerungsvorrichtung ausgeführt werden, die Steuerungsvorrichtung veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine auszuführen.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein computerlesbares Medium offenbart, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage offenbart, die zumindest eine Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise Sauerstoff einzuspeichern, und eine stromabwärts der zumindest einen Katalysatorvorrichtung angeordneten Abgassensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Abgassignal zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist dabei dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine auszuführen.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden einzigen Zeichnung ersichtlich, in denen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage, einer Katalysatorvorrichtung und einem Abgassensor zeigt,
    • 2 ein beispielhaftes Diagramm von zeitlichen Verläufen des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine der 1 zeigt,
    • 3 den zeitlichen Verlauf der zur 2 zugehörigen Verläufe des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts des Abgassignals des Abgassensors der Brennkraftmaschine der 1 zeigt,
    • 4 den zeitlichen Verlauf des Gradienten des Abgassignals der 3 zeigt,
    • 5 den zeitlichen Verlauf der zur 2 zugehörigen Verläufe des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts des Abgassignals des Abgassensors der Brennkraftmaschine der 1 zeigt,
    • 6 den zeitlichen Verlauf des Gradienten des Abgassignals der 5 zeigt,
    • 7 den zeitlichen Verlauf der zur 2 zugehörigen Verläufe des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts des Abgassignals des Abgassensors der Brennkraftmaschine der 1 zeigt,
    • 8 den zeitlichen Verlauf des Gradienten des Abgassignals der 7 zeigt, und
    • 9 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine der 1 zeigt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Katausräumen“ einen vorübergehenden Betriebsmodus einer Brennkraftmaschine, der sich einer ausreichend langen Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine anschließt, bevor die Brennkraftmaschine in den Normalbetrieb mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch wechselt. Während des Katausräumens wird die Brennkraftmaschine mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch betrieben, um die sich während der Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine nahezu vollständig mit Sauerstoff gefüllte Katalysatorvorrichtung zumindest teilweise zu reduzieren und somit für den sich dann anschließenden Normalbetrieb der Brennkraftmaschine zu konditionieren.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Verbrennungsgasgemisch“ ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, das in einer Brennkraftmaschine verbrannt wird. Ein „fettes Verbrennungsgasgemisch“ zeichnet sich durch ein Verbrennungsluftverhältnis von Lambda (auch Luftverhältnis oder Luftzahl genannt) kleiner als 1 aus. Der Lambdawert beschreibt dabei das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff relativ zum jeweils stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess. Ferner ist ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verbrennungsgasgemisch durch einen Lambdawert gekennzeichnet, der in einem Bereich von ungefähr 0,998 und 1,002 liegt.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 100, deren Betrieb von einer Steuerungsvorrichtung 110 gesteuert wird. Insbesondere umfasst die Brennkraftmaschine 100 einen Verbrennungstrakt 120, der ein Luftansaugsystem (nicht explizit dargestellt) und zumindest eine Verbrennungskammer (ebenfalls nicht explizit dargestellt) aufweist, und eine sich daran stromabwärts anschließende Abgasanlage 130, in der eine Katalysatorvorrichtung 132 und ein stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 132 angeordneter Abgassensor 134 angeordnet sind. Die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 130 ist in der 1 durch den Pfeil 102 angegeben.
  • Die Steuerungsvorrichtung 110 kann als Hardware und/oder Software ausgestaltet sein oder kann Hardwarebausteine und/oder Softwarebausteine aufweisen. Ferner weist die Steuerungsvorrichtung 110 einen Prozessor oder Controller auf, die zum Ausführen von Befehlen ausgebildet sind. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung zumindest ein Computerprogramm enthalten, das zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine 100 ausgebildet ist.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann die Abgasanlage 130 zusätzlich eine stromabwärts des Abgassensors 134 angeordnete weitere Katalysatorvorrichtung und einen stromabwärts der weiteren Katalysatorvorrichtung angeordneten weiteren Abgassensor aufweisen.
  • Bei der Katalysatorvorrichtung 132 handelt es sich um eine Katalysatorvorrichtung, die zum Einspeichern von Sauerstoff ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich bei der Katalysatorvorrichtung 132 um einen Dreiwegekatalysator, einen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung ausgestatteten Partikelfilter, einer Kombination aus Dreiwegekatalysator und unbeschichteten Partikelfilter oder aus einer Kombination aus Dreiwegekatalysator und beschichtetem Partikelfilter handeln. Des Weiteren können auch weitere Dreiwegekatalysatoren und/oder Partikelfilter stromabwärts angeordnet sein.
  • Der Abgassensor 134 ist dazu ausgebildet, ein Abgassignal zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt. Folglich kann es sich bei dem Abgassensor beispielsweise um einen auf dem amperometrischen Messprinzip basierenden Stickoxidsensor handeln, der auf Ammoniak querempfindlich ist und somit die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas misst.
  • Die 2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm von zeitlichen Verläufen des Stickoxidgehalts 202 und Ammoniakgehalts 204 im Abgas der Brennkraftmaschine der 1 an der Position des Abgassensors 134 während einer Katausräumphase der Brennkraftmaschine 100, die zum Zeitpunkt t0 startet. Der beispielhafte Verlauf 202 des Stickoxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine 100 weist ein Maximum M_NOx auf, bevor sich dieser auf einen Wert von ungefähr Null reduziert. Der beispielhafte Verlauf 204 des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine 100 der 2 weist ebenfalls ein Maximum M_NH3 auf, das jedoch zeitlich später ist als das Maximum M_NOx des Verlaufs 202 des Stickoxidgehalts.
  • Die Verläufe 202, 204 der 2 begründen sich darauf, dass während des Katausräumens die Katalysatorvorrichtung 132 zunächst reduziert wird, das heißt der darin eingelagerte Sauerstoff durch Konvertierung des gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis überschüssig eingespritzten Kraftstoffs (Lambda < 1) abgebaut wird. Da die Katalysatorvorrichtung 132 nach einer Schubphase nahezu vollständig mit Sauerstoff beladen ist, findet zunächst (ab dem Zeitpunkt t_NOx) keine Stickoxid-Konvertierung statt. Mit fallender Sauerstoffbeladung steigt der Konvertierungswirkungsgrad der Stickoxide der Katalysatorvorrichtung 132 immer weiter an, so dass ein immer größerer Teil der von der Brennkraftmaschine 100 erzeugten Stickoxide konvertiert wird. Das Ergebnis ist der in der 2 dargestellte unvermeidliche Stickoxid-Peak. Je stärker der Sauerstoff in der Katalysatorvorrichtung abgebaut wird, desto besser werden die Bedingungen für die Erzeugung von Ammoniak. Mithilfe des aufgrund der fetten Verbrennung ausreichend vorhandenen Kohlenmonoxids wird in der Katalysatorvorrichtung 132 durch die Wassergas-Shift-Reaktion vermehrt Wasserstoff gebildet, wodurch die Stickoxide in Ammoniak konvertieren können. Dadurch kommt es zu dem dargestellten zweiten Peak, der sich im Wesentlichen aufgrund der vorliegenden Ammoniakkonzentration ergibt, da der Abgassensor 134 auf Ammoniak querempfindlich ist und somit die Summe aus Stickoxidkonzentration und Ammoniakkonzentration erfasst. Die Ammoniakerzeugung wird mit dem Abbruch des Katausräumens beendet.
  • Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf 206 des Abgassensors 134, der zu den Verläufen 202, 204 des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts der 2 korreliert. Insbesondere ist aus der 3 ersichtlich, dass das Abgassignal 206 zwei lokale Maxima M1 und M3 aufweist, nämlich das lokale Maximum M1 zum Zeitpunkten t1 und das lokale Maximum M3 zum Zeitpunkt t3. Ferner weist der Verlauf 206 des Abgassignals des Abgassensors 134 der 3 ein zwischen den lokalen Maxima M1, M3 angeordnetes lokales Minimum M2 zum Zeitpunkt t2 auf. Der Verlauf 206 des Abgassignals der 3 zeigt, wie bereits erwähnt, das Summensignal der beiden Verläufe 202, 204 des Stickoxidgehalts und Ammoniakgehalts der 2 auf, weshalb sich der Verlauf 206 des Abgassignals des Abgassensors ausschließlich im positiven Bereich befindet.
  • Die 4 zeigt den zeitlichen Verlauf 208 des Gradienten des Abgassignals 206 des Abgassensors 134 der 3. Entsprechend weist der Verlauf 208 des Gradienten zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 jeweils einen Nullwert auf, wobei die Gradienten aufgrund der lokalen Maxima M1, M3 und des lokalen Minimums M2 zu diesen Zeitpunkten einen Vorzeichenwechsel durchlaufen. Bei dem Verlauf 208 des Gradienten des Abgassignals 206 des Abgassensors 134 handelt es sich um die mathematische Ableitung des Abgassignals 206 nach der Zeit t.
  • Im Folgenden wird unter Verweis auf die 5 eine erste beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 erläutert, insbesondere zu welchem Zeitpunkt das Katausräumen beendet werden kann. Hierfür zeigt die 5 nochmals den beispielhaften zeitlichen Verlauf 206 des Abgassignals des Abgassensor 134 der Brennkraftmaschine 100 der 3.
  • Gemäß der ersten beispielshaften Ausführungsform kann das Katausräumen dann beendet werden, wenn das Abgassignal 206 des Abgassensors 134 einen vorbestimmten Abgasschwellenwert C1 erreicht. Dies ist in der 5 mittels des Punkts P1 dargestellt. Die 5 zeigt, dass zum Zeitpunkt t4 das Abgassignals 206 des Abgassensors 134 den vorbestimmten Abgasschwellenwert C1 (beispielweise ungefähr 100 ppm) erreicht und überschreitet. Das bedeutet, dass das Abgassignal ansteigt und es zum unvermeidbare Stickoxid-Peak kommt. Wird dies ermittelt, kann zu diesem Zeitpunkt t4 der Betrieb der Brennkraftmaschine 100 mit dem fetten Verbrennungsgemisch, d. h. das Katausräumen, beendet werden und die Brennkraftmaschine 100 kann in einen Normalbetrieb mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch umgeschaltet werden.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Katausräumen beendet werden, wenn das Abgassignal 206 ein lokales Maximum P2 (siehe auch M1 der 3) erreicht. Das Erreichen des lokalen Maximums P2 kann durch Auswerten des Gradienten 208 des Abgassignals 206 erfolgen. Insbesondere kann (siehe auch 6) das lokales Maximum P2 des Abgassignals 206 durch das Erreichen eines Nullpunkts des Verlaufs des Gradienten 208 des Abgassignals 206 zum Zeitpunkt t5 ermittelt werden, wobei gleichzeitig am Nullpunkt ein Wechsel von einem positiven Gradienten zu einem negativen Gradienten stattfinden muss. Dadurch kann ausgeschlossen werden, dass es sich bei dem Punkt P2 um einen sogenannten Sattelpunkt (oder Terrassenpunkt) handelt, bei dem der Gradient davor und danach ein gleiches mathematisches Vorzeichen aufweist.
  • Wenn also zum Zeitpunkt t5 ermittelt wird, dass das Abgassignal 206 des Abgassignals 134 das lokales Maximum P2 erreicht hat, kann das Katausräumen beendet werden und die Brennkraftmaschine wieder in den Normalbetrieb mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch wechseln. Bei dem lokalen Maximum P2 handelt es sich vorzugsweise um das erste Maximum nach dem Zeitpunkt t_NOx, an dem das Abgassignal 206 während des Katausräumens ansteigt. Das Erreichen des lokalen Maximums P2 besagt, dass das Abgassignal den unvermeidbaren Stickoxid-Peak erreicht hat und dann damit beginnt, abzuklingen.
  • Unter Verweis auf die 7 und 8 werden im Folgenden zwei weitere beispielhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dabei zeigt die 7 wiederum den bereits aus den 3 und 5 bekannten Verlauf des Abgassignals 206 und die 8 den bereits aus den 4 und 6 bekannten zeitlichen Verlauf des Gradienten 208 des Abgassignals 206 des Abgassensors 134.
  • Gemäß einer dritten und vierten beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann während dem Katausräumen wiederum zunächst das lokale Maximum P2, wie bereits in Bezug auf die 5 und 6 beschrieben, ermittelt werden. Bei der dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Katausräumen jedoch nicht beim Erreichen des lokalen Maximums P2 abgebrochen, sondern es werden im Folgenden noch weitere Abgassignale des Abgassensors 134 ausgewertet. Insbesondere wird zusätzlich der Gradient der nach dem Erreichen des lokalen Maximums P2 erzeugten Abgassignale 206 des Abgassensors 134 dahingehend untersucht und ausgewertet, ob dieser einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert S1, S2 (siehe 8) erreicht.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Katausräumen beendet werden, wenn der Gradient des Abgassignals 206 nach dem Erreichen des lokalen Maximums P2 einen vorbestimmten negativen Gradientenschwellenwert S1 zum Zeitpunkt t6 erreicht und unterschreitet. Das Erreichen des negativen Gradientenschwellenwerts S1 zeigt an, dass der unvermeidbare Stickoxid-Peak überschritten ist und das Abgassignal daraufhin wieder fällt. Daraufhin ist ein Anstieg des Abgassignals aufgrund der Erzeugung von Ammoniak zu erwarten.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Katausräumen beendet werden, wenn der Gradient des Abgassignals 206 nach dem Erreichen des lokalen Maximums P2 einen vorbestimmten positiven Gradientenschwellenwert S2 zum Zeitpunkt t7 erreicht und überschreitet. Der Gradientenschwellenwert S2 kann aber auch als negativ vorbestimmt sein.
  • Dies setzt zudem aufgrund der dahinterstehenden Mathematik voraus, dass das Abgassignal 206 das lokale Minimum M2 (siehe 3) durchläuft und folglich der Gradient des Abgassignals 206 den Nullpunkt zum Zeitpunkt t2 (siehe 4) durchläuft. Dies bedeutet, dass nun der Anstieg der Ammoniak-Emissionen das Abklingen der Stickoxid-Emissionen überwiegen.
  • Die 9 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 der 1.
  • Das Verfahren der 9 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, an dem eine Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine 100 erkannt worden ist. Das Erkennen einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine 100 kann beispielsweise anhand der Stellung des Gaspedals und/oder anhand der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 erfolgen.
  • Bei einem darauffolgenden Schritt 320 wird überprüft, ob sich die Brennkraftmaschine 100 ausreichend lange in der Schubabschaltungsphase befindet. Wird beim Schritt 320 erkannt, dass der vorbestimmte Zeitschwellenwert (je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 100 beispielsweise 2 Sekunden) noch nicht erreicht ist, gelangt das Verfahren zurück zum Schritt 310.
  • Wird jedoch beim Schritt 320 ermittelt, dass sich die Brennkraftmaschine 100 schon länger als der vorbestimmte Zeitschwellenwert in der Schubabschaltungsphase befindet, gelangt das Verfahren zum Schritt 330, bei dem die Brennkraftmaschine 100 derart angesteuert wird, dass diese mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch betrieben wird. Insbesondere kann beim Verstreichen des vorbestimmten Zeitschwellenwerts davon ausgegangen werden, dass die Katalysatorvorrichtung 132 vollständig mit Sauerstoff befüllt ist, weshalb sich zur Reduktion des Sauerstoffs der beim Schritt 330 durchgeführte Betrieb mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch gestartet wird. Dieser sich der Schubabschaltungsphase anschließende Betrieb der Brennkraftmaschine 100 mit einem fetten Verbrennungsgemisch wird als Katausräumen bezeichnet.
  • Bei einem darauffolgenden Schritt 340 wird zumindest ein Abgassignal des Abgassensors 134 empfangen.
  • In einem darauffolgenden Schritt 350 wird das beim Schritt 340 zumindest eine empfangene Abgassignal des Abgassensors 134 ausgewertet. Insbesondere werden beim Schritt 350 der Verlauf des Abgassignals 206 (siehe 5 und 7) sowie die Verläufe des Gradienten 208 (siehe 6 und 8) des Abgassignals 206 ausgewertet und im Hinblick auf das Erreichen vorbestimmter Zielkriterien überprüft.
  • Bei einem darauffolgenden Schritt 360 wird überprüft, ob ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt ist. Wird beispielsweise beim Schritt 360 ermittelt, dass das vorbestimmte Zielkriterium noch nicht erfüllt ist, gelangt das Verfahren zurück zum Schritt 340.
  • Wird jedoch beim Schritt 360 ermittelt, dass das vorbestimmte Zielkriterium erfüllt wird, gelangt das Verfahren zum 370, bei dem die Brennkraftmaschine 100 von dem Betrieb mit dem fetten Verbrennungsgasgemisch in einen Normalbetrieb mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch umgeschaltet wird, bevor das Verfahren im Schritt 380 beendet wird.
  • Ein beim Schritt 360 zu erfüllendes Zielkriterium kann das Überschreiten bzw. Erreichen des vorbestimmten Abgasschwellenwerts C1 sein (siehe auch 5). Alternativ kann es sich bei dem Zielkriterium um das Erreichen des lokalen Maximums P2 (siehe 5 und 6), das Erreichen des vorbestimmten Gradientenschwellenwerts S1 oder das Erreichen des vorbestimmten Gradientenschwellenwerts S2 handeln.
  • Bei dem vorbestimmten Zielkriterium kann es sich dabei um einen vorbestimmten Abschnitt, vorzugsweise Punkt, handeln, den das Abgassignal 206 zu erreichen hat, um es zu erfüllen.
  • Falls keines der genannten Zielkriterien erfüllt wird, ist es erfindungsgemäß, das Katausräumen wiederum basierend auf dem Lambdasignal der binären Lambdasonde und/oder basierend auf dem bekannten Beladungsmodell der Katalysatorvorrichtung 132 abzubrechen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Abbrechen des Katausräumens nach einer Schubabschaltungsphase, kann dabei bei jeder ausreichend langen Schubabschaltungsphase durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, eine modellbasierte Katausräumstrategie zu adaptieren, um etwaige Modellfehler über der Laufzeit der Brennkraftmaschine zu minimieren. Die modellbasierte Katausräumstrategie beruht dabei auf dem Abbruch des Katausräumens, wenn der berechnete Sauerstoffbeladungswert, der sich basierend auf dem zusätzlich zum stöchiometrischen Verhältnis eingespritzten Kraftstoffmasse abbaut, einen vorbestimmten Sauerstoffbeladungsschwellenwert unterschreitet. Da diese Berechnung Modellungenauigkeiten aufgrund von Abweichung in den Eingangsparametern (z.B. gemessener Lambdawert, gemessener Abgasmassenstrom, Alterungszustand der Katalysatorvorrichtung, der den Schwellwert beeinflussen kann, etc.) hat, würde eine Adaption basierend auf dem gemessenen Stickoxidwert dies zumindest größtenteils ausgleichen können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu führen, dass die Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxid-, Ammoniak-, Kohlenstoffoxid- und/oder Kohlenwasserstoffemissionen, der Brennkraftmaschine während es Katausräumens weitestgehend minimiert werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Abgasanlage (130), die zumindest eine Katalysatorvorrichtung (132), die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise Sauerstoff einzuspeichern, und einen stromabwärts der zumindest einen Katalysatorvorrichtung (132) angeordneten Abgassensor (134) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Abgassignal zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt, wobei das Verfahren aufweist: - Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) derart, dass diese mit einem fetten Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, nachdem eine Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine (100) stattgefunden hat, die länger ist als ein vorbestimmter Zeitschwellenwert, wobei während dem Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) mit dem fetten Verbrennungsgasgemisch erfolgt: - Empfangen von zumindest einem Abgassignal (206) des Abgassensors (134), und - Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, und - Ansteuern der Brennkraftmaschine (100) derart, dass diese mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch betrieben wird, wenn ermittelt worden ist, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, wobei das Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, ferner aufweist: - Ermitteln, dass das Abgassignal (206) ein lokales Maximum (P2) erreicht hat, - Empfangen von zumindest einem weiteren Abgassignal (206) des Abgassensors (134), nachdem das lokale Maximum (P2) erreicht worden ist, und - Ermitteln, dass der Gradient (208) des zumindest einen weiteren Abgassignals (206) einen vorbestimmten Gradientenschwellwert (S1, S2) erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln, dass das zumindest eine Abgassignal (206) zumindest ein vorbestimmtes Zielkriterium erfüllt, aufweist: - Ermitteln, dass das zumindest eine empfangene Abgassignal (206) einen Abgaswert anzeigt, der einen vorbestimmten Abgasschwellenwert (C1) überschreitet.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gradientenschwellenwert (S1, S2) negativ oder positiv ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das im Wesentlichen stöchiometrische Verbrennungsgasgemisch einen Lambdawert zwischen ungefähr 0,998 und 1,002 aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das fette Verbrennungsgasgemisch einen Lambdawert von ungefähr 0,8 aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Zeitschwellenwert zwischen ungefähr 1 und 5 Sekunden beträgt.
  7. Computerprogramm, das Befehle aufweist, die, wenn sie von einem Prozessor oder Controller einer Steuerungsvorrichtung (110) ausgeführt werden, die Steuerungsvorrichtung (110) veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  8. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
  9. Steuerungsvorrichtung (110) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage (130), die zumindest eine Katalysatorvorrichtung (132), die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise Sauerstoff einzuspeichern, und einen stromabwärts der zumindest einen Katalysatorvorrichtung (132) angeordneten Abgassensor (134) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Abgassignal (206) zu erzeugen, das einen Abgaswert anzeigt, der die Summe aus Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas angibt, wobei die Steuerungsvorrichtung (110) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
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