DE10216260B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Klimaanlage, bei dem in einer Abfolge von Schritten eine von der Brennkraftmaschine emittierter NOx-Menge als NOx-Rohemissionsmenge bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung zumindest ein Teil der Ansaugluft der Brennkraftmaschine über die Klimaanlage geleitet wird, um sie bezüglich ihrer Feuchte auf einen bestimmten Wert zu bringen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bei dem in einer Abfolge von Schritten eine von der Brennkraftmaschine emittierte NOx-Menge als NOx-Rohemissionsmenge bestimmt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, einem Abgastrakt, in den ein NOx-Speicherkatalysator geschaltet ist, und einer Klimaanlage, die in Betrieb Kühlluft in einen Kühlluftkanal abgibt.
  • Das Abgas von mit überstöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis betriebenen Brennkraftmaschinen enthält Stickoxide (NOx), die je nach Betriebszustand und Luft-Kraftstoffverhältnis gesetzgeberisch unzulässige Konzentrationen annehmen können. Um auch bei solchen Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung geforderte Abgasgrenzwerte einhalten zu können, werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet. Solche Katalysatoren adsorbieren bei magerer Verbrennung, d. h. bei überstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis im Abgas der Brennkraftmaschine vorliegende NOx-Verbindungen. Da jedoch die Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators begrenzt ist, muss der NOx-Speicherkatalysator im Betrieb der Brennkraftmaschine regeneriert, d. h. von eingespeicherten NOX-Verbindungen entleert werden. Dies erfolgt, indem die Brennkraftmaschine kurzzeitig mit unterstöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis (sogenanntem fettem Gemisch) betrieben wird. In solchen Phasen, die auch als Regenerations-Betriebsphasen bezeichnet werden, desorbiert der NOx-Speicherkatalysator gespeicherte Stickoxide und reduziert diese zugleich. Nach einem solchen Abbau von NOx-Verbindungen ist der Katalysator wieder zur Einspeicherung bereit. Bei mager betriebenen Brennkraftmaschinen mit NOx-Speicherkatalysatoren wechseln sich also Speicher-Betriebsphasen, in denen der Speicher beladen wird, mit Regenerations-Betriebsphasen ab, in denen der Speicher wieder entleert wird.
  • Unter Verbrauchsgesichtspunkten ist es wünschenswert, Regenerations-Betriebsphasen so selten wir möglich durchzuführen. Man ist deshalb bemüht, die Kapazität eines NOx-Speicherkatalysators zu einem möglichst hohen Anteil auszuschöpfen, um Speicher-Betriebsphasen so lang wie möglich gestalten zu können. Die EP 059106 A1 schlägt dazu vor, die dem NOx-Speicherkatalysator zugeführte kumulierte NOx-Menge in Abhängigkeit von angesaugter Luftmasse und Last der Brennkraftmaschine zu berechnen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Begrenzmenge eine Regenerations-Betriebsphase einzuleiten. Mit diesem Verfahren konnten jedoch gegenwärtige Grenzwerte zuverlässig nicht eingehalten werden, da der Adsorptions-Wirkungsgrad von NOx-Speicherkatalysatoren mit zunehmender Menge an eingespeicherten NOx-Verbindungen abfällt.
  • Die DE 196 07 151 C1 zieht deshalb zur Verbesserung einen sogenannten Beladungsgrad bei der Steuerung der Brennkraftmaschine in Speicher-Betriebsphasen und Regenerations-Betriebsphasen heran, wobei der Beladungsgrad als Quotient aus momentaner NOx-Beladung und maximaler NOx-Speicherkapazität berechnet wird.
  • Es ist ersichtlich, dass zur Ermittlung des Beladungsgrades eine möglichst genaue Kenntnis sowohl der momentanen Beladung als auch der maximalen Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators nötig ist. Die maximale Speicherkapazität kann auf einem Prüfstand ermittelt werden. Da allerdings die maximale Speicherkapazität alterungsbedingt abnimmt, sieht die DE 196 07 151 C1 vor, eine entsprechende Korrektur dahingehend durchzuführen, dass die Anzahl bereits absolvierter Speicher-Betriebsphasen, d. h. die Anzahl der Beladungszyklen, denen der NOx-Speicherkatalysator unterworfen war, berücksichtigt wird.
  • In einer weitergehenden Verbesserung könnte man die maximale Speicherkapazität im Betrieb der Brennkraftmaschine adaptieren. Dazu müsste ein Vergleich zwischen in einer Speicher-Betriebsphase eingespeicherter NOx-Menge und in der nachfolgenden Regenerations-Betriebsphase abgegebener NOx-Menge gezogen werden. Letztere Größe kann während der Regenerations-Betriebsphase relativ einfach und exakt durch den Grad der Anfettung sowie die Zeitdauer der Betriebsphase ermittelt werden. Aus einer Differenz zwischen abgegebener und zugeführter NOx-Menge kann auf den während der Speicher-Betriebsphase ansteigenden Beladungsgrad zurückgerechnet werden, wodurch man bei gleichzeitiger Kenntnis der zum jeweiligen Zeitpunkt zugeführten NOx-Menge die tatsächliche maximale Speicherkapazität erhalten kann.
  • Auch für diesen Ansatz ist es jedoch unerlässlich, die zu einem gewissen Zeitpunkt emittierte Masse an NOx-Verbindungen im unbehandelten Abgas der Brennkraftmaschine (auch als NOx-Rohemissionsmasse bezeichnet) zu kennen. Dazu liefert die DE 196 07 151 C1 zwar ein Modell zur Bestimmung der NOx-Rohemissionsmasse aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, jedoch haben sich im realen Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug starke Abweichungen von den Modellwerten für die NOx-Rohkonzentration ergeben. Die geringe Genauigkeit des Modells müsste dadurch in Kauf genommen werden, dass die Länge von Speicher-Betriebsphasen um eine beträchtliche Sicherheitsmarge unter maximal möglichen Werten bleibt, um eine gewünschte Abgaszusammensetzung sicherstellen zu können. Damit ist allerdings unvermeidlich ein erhöhter Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine verbunden.
  • Aus der DE 69005322 T2 ist es bekannt, daß der Stickoxidausstoß einer Dieselbrennkraftmaschine proportional zur Feuchte der Ansaugluft ist.
  • Es wäre deshalb denkbar, dass in einem zusätzlichen Schritt ein die Feuchte der Ansaugluft der Brennkraftmaschine charakterisierender Wert bestimmt und ein Korrekturfaktor für ein Ergebnis eines Schrittes der Abfolge ermittelt wird.
  • Dabei wäre es unbeachtlich, an welcher Stelle der Modellbildung die Korrektur hinsichtlich der Luftfeuchte vorgenommen wird; dies könnte bei der Berechnung der NOx-Rohemission selbst erfolgen oder auch als Korrektur eines bereits bestimmten NOx-Rohemissionswertes. Natürlich könnte auch bei einer späteren Verwendung des NOx-Rohemissionswertes, insbesondere bei der geschilderten Ermittlung einer Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators, die Luftfeuchte korrigierend verwendet werden. Schließlich wäre es auch möglich, die maximale Speicherkapazität selbst hinsichtlich einer Luftfeuchtenabhängigkeit zu korrigieren.
  • Der genannte Ansatz ist also immer dort zweckmäßig, wo eine Abfolge von Schritten die NOx-Rohemission einer Brennkraftmaschine modellmäßig bestimmt, ohne dass die Feuchte bereits bei der Berechnung der NOx-Rohemission selbst eingehen müsste.
  • Je nachdem, an welcher Stelle der Abfolge von Schritten die Feuchtekorrektur vorgenommen wird, würde man natürlich mitunter einen anderen Korrekturfaktor verwenden. Da die Feuchte sich bereits bei der Entstehung der NOx-Verbindungen im Abgas der Brennkraftmaschine aufgrund des Verbrennungsvorganges auswirkt, wäre es aufgrund dieses Wirkungszusammenhangs zweckmäßig, den die Feuchte charakterisierenden Wert mittels einer Kennlinie oder eines Kennfeldes in den Korrekturfaktor umzusetzen und diesen dann bei der Berechnung der NOx-Rohemissionsmenge zu berücksichtigen.
  • Die Feuchte der Ansaugluft könnte auf verschiedenste Art und Weise bestimmt werden. Auch wäre es nicht erforderlich, dass eine physikalisch direkte Aussage über die Feuchte getroffen wird, indem beispielsweise die relative oder die absolute Feuchte bestimmt wird. Wesentlich wäre es bloß, dass ein Wert erhalten wird, der die Feuchte charakterisiert, der also mit einer gewissen Abbildung mit der relativen oder absoluten Luftfeuchte verknüpft ist. Die Art der Verknüpfung findet dann in der Ermittlung des Korrekturfaktors Niederschlag.
  • Das erwähnte Verfahren ist also sehr flexibel und erlaubt es, auf nahezu beliebige Feuchtesensoren bzw. Feuchtsignale zurückzugreifen. Damit können beispielsweise kostengünstige Feuchtesensoren im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Da eine Brennkraftmaschine üblicherweise Umgebungsluft ansaugt, muss ein solcher Feuchtesensor aber nicht unmittelbar im Ausgangstrakt liegen, es genügt, dass er die Feuchte der Umgebungsluft erfasst.
  • Ein separater Feuchtesensor könnte sogar eingespart werden, wenn auf bereits verfügbare Signale zurückgegriffen wird. Dies ist beispielsweise bei brennkraftmaschinengetriebenen Fahrzeugen mit Klimaanlagen möglich, wenn die Klimaanlage über einen Feuchtesensor verfügt. Liegt ein solcher Feuchtesensor auf der Kühlluftseite einer Klimaanlage, so muss mitunter durch geeignete Algorithmen von der Feuchte der Kühlluft, die eine Klimaanlage abgibt, auf die Feuchte der Ansaug- d. h. der Umgebungsluft geschlossen werden. Dazu ist es beispielsweise denkbar, die Klimaanlage kurzzeitig abzuschalten, so dass die Feuchte auf der Kühlluftseite der Klimaanlage nach einiger Zeit der Feuchte der Umgebungsluft entspricht.
  • Alternativ könnte auch die Feuchte mit einem Fahrzeug-Innenraumsensor gemessen werden. Dabei können zusätzlich auch noch Signale von Innenraum- und Außentemperatursensoren dahingehend abgefragt werden, ob die Innen- und die Außentemperatur bis zu einem gewissen Grad gleich sind, da dann auch auf Übereinstimmung der gemessenen Innenraumfeuchte mit der Feuchte der Umgebungsluft geschlossen werden kann bzw. eine Korrektur des Innenraumfeuchtemesswertes vorgenommen werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Genauigkeit eines die NOx-Rohemissionsmenge verwendenden Modells verbessert ist.
  • Die Erkenntnis, dass die Feuchte ein wesentlicher Parameter für die Bestimmung der NOx-Rohkonzentration ist, wird nun erfindungsgemäß dafür verwendet, dass für eine bestimmte Luftfeuchte gesorgt wird, auf die das Modell zur NOx-Rohkonzentrationsbestimmung abgestimmt ist.
  • Alternativ zur Messung und Berücksichtigung der Feuchte wird deshalb die genannte Aufgabe bei einer Brennkraftmaschine mit Klimaanlage dadurch gelöst, dass während der Bestimmung der NOx-Rohemissionsmenge zumindest ein Teil der Ansaugluft der Brennkraftmaschine über die Klimaanlage geleitet wird, um sie bezüglich ihrer Feuchte zu konditionieren. Ein feuchteabhängiger Fehler der NOx-Rohkonzentrationsmodellierung wird also nicht nachträglich korrigiert, sondern es wird gleich ab initio dafür gesorgt, dass er nicht entsteht.
  • Die von einer Klimaanlage konditionierte Luft als Ansaugluft zu verwenden, hat weiter den Vorteil, dass die Ansaugluft auch eine bekannte Temperatur hat, was sich als nochmals verbessernd für die NOx-Rohemissionsmodellierung herausgestellt hat.
  • Natürlich muss die Ansaugluft nicht ständig über die Klimaanlage geleitet werden, es genügt dies nur dann vorzunehmen, wenn die NOx-Rohemission mit hoher Genauigkeit modelliert werden muss. Das ist meist nur dann der Fall, wenn die maximale Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators adaptiert werden soll, d. h. in ausgewählten Speicher-Betriebsphasen. Dabei ist es möglich, diese für eine Adaption der maximalen Speicherkapazität verwendeten Speicher-Betriebsphasen nur verkürzt durchzuführen, d. h. nicht die maximale Speicherkapazität auszuschöpfen.
  • Weiter kann es zweckmäßig sein, zu prüfen, ob die Klimaanlage neben einer bestehenden Kaltluftanforderung, wie sie beispielsweise von den Insassen eines Fahrzeuges gewünscht ist, zusätzlich konditionierte Ansaugluft bereitstellen kann. Dabei kann eine unterschiedliche Priorisierung vorgenommen werden. Es ist möglich, die Kaltluftanforderung der Passagiere vorrangig zu behandeln, so dass ein Leiten der Ansaugluft über die Klimaanlage nur dann zugelassen wird, wenn die Klimaanlage diesen zusätzlichen Kühlluftbedarf bewältigen kann. Es ist allerdings auch möglich, die Ansaugluftkonditionierung vorrangig zu behandeln, so dass die an einen Fahrgastraum abgegebene Kühlleistung entsprechend herabgesetzt wird, solange Ansaugluft über die Klimaanlage geleitet wird.
  • Natürlich sollte die Klimaanlage auf jeden Fall in Betrieb sein, wenn die Ansaugluft über die Klimaanlage geleitet wird; bei Bedarf ist sie zuzuschalten.
  • Nach Beenden der Betriebsphase, in der die NOx-Rohemissionsmenge mit geringer Toleranz modelliert wird, kann die Ansaugluft wieder auf herkömmliche Weise der Brennkraftmaschine zugeführt werden, d. h. ohne Umleitung über die Klimaanlage.
  • Da es regelmäßig nicht immer möglich und/oder nötig sein wird, die Ansaugluft über die Klimaanlage zu konditionieren – schon aus Gründen des Kraftstoffmehrverbrauchs bei Betrieb der Klimaanlage, besteht die Möglichkeit, die NOx-Rohemis sionsmenge einmal mit und einmal ohne Leiten der Ansaugluft über die Klimaanlage zu modellieren und eine Differenz oder einen Quotient der dabei erhaltenen NOx-Rohemissionsmengen zu ermitteln und nachfolgend zur Korrektur derjenigen NOx-Rohemissionsmenge zu verwenden, die bei direkt aus der Umgebung stammender Ansaugluft bestimmt wurden. Der Quotient kann natürlich alternativ nicht nur auf die NOx-Rohemissionsmenge bezogen werden, sondern auch auf die damit ermittelte maximale Speicherkapazität.
  • Durch diesen Ansatz ist die Anzahl an Speicher-Betriebsphasen, in denen die Ansaugluft durch die Klimaanlage konditioniert wird/werden muss, weiter herabgesetzt, so dass sich dadurch eine weitere Kraftstoffverbrauchsminderung ergibt.
  • Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Berücksichtigung bzw. Einstellung der Luftfeuchte bei der Modellierung der NOx-Rohemissionsmenge besonders dann vorteilhaft, wenn ein die Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators charakterisierender Wert ermittelt wird. Dies erfolgt vorzugsweise in einem Adaptionsverfahren, mit dem erreicht wird, dass die Dauer der Speicher-Betriebsphasen maximal wird. Es ist deshalb zu bevorzugen, dass die im NOx-Speicherkatalyator enthaltene NOx-Menge ermittelt und unter Berücksichtigung der NOx-Rohemissionsmenge eine Adaption des in die Speicherkapazität charakterisierenden Wertes vorgenommen wird, der in einer Abfolge von Schritten ermittelt wurde.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, einem Abgastrakt, in den ein NOx-Speicherkatalysator geschaltet ist, und einer Klimaanlage, die in Betrieb Kühlluft in einen Kühlluftkanal abgibt, wobei die Brennkraftmaschine eine Verbindung zwischen Ansaugtrakt und Kühlluftkanal aufweist, die mit einem Ventil verschließbar ist, welches von einem Steuergerät angesteuert wird.
  • Eine solche Brennkraftmaschine ist besonders verbrauchsgünstig, da bei ihr eine hochgenaue Bestimmung der NOx-Rohemission erfolgt, wenn die Ansaugluft über den Kühlluftkanal geleitet wird. Es ist deshalb bei einer solchen Brennkraftmaschine zu bevorzugen, dass das Steuergerät so ausgebildet ist, dass es zum Bestimmen der NOx-Rohemission das Ventil so ansteuert, dass die Verbindung zwischen Ansaugtrakt und Kühlluftkanal offen ist.
  • Die bei der Modellierung der NOx-Rohemission ansonsten auftretenden, luftfeuchtebedingten Schwankungen der Modellierungsgüte sind dann reduziert, so dass sich insgesamt eine bessere Steuerung der Abgasreinigung ergibt.
  • In einer Weiterbildung ist es zu bevorzugen, das Steuergerät so auszubilden, dass es ein Verfahren mit einem oder mehreren der eingangs geschilderten Verfahrensschritte bzw. Merkmale durchführt. Dabei ist es besonders zu bevorzugen, dass das Steuergerät so ausgebildet ist, dass es zumindest in einigen Speicher-Betriebsphasen das beispielsweise als Klappenventil ausgebildete Ventil so ansteuert, dass Ansaugluft der Brennkraftmaschine zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Kühlluftkanal stammt.
  • Weiter wäre eine Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt möglich, in den ein NOx-Speicherkatalysator geschaltet ist, und einem Steuergerät, das die Brennkraftmaschine in Speicher-Betriebsphasen, in denen der NOx-Speicherkatalysator NOx-Verbindungen aus dem Abgas der Brennkraftmaschine einspeichert, und in Regenerations-Betriebsphasen steuert, in denen der NOx-Speicherkatalysator gespeicherte NOx-Verbindungen umwandelt und abgibt, wobei die Brennkraftmaschine einen Luft-Feuchtesensor aufweist, wobei das Steuergerät dessen Signale erhält und zumindest während Speicher-Betriebsphasen auswertet.
  • Eine solche Brennkraftmaschine weist ebenfalls einen stark reduzierten Kraftstoffverbrauch auf bzw. kann mit deutlich reduzierten NOx-Emissionen betrieben werden, da das Steuergerät den Einfluss der Luftfeuchte auf die NOx-Rohemission bei der Steuerung der Speicher-Betriebsphasen berücksichtigen kann. Somit kann diese Brennkraftmaschine in maximal langen Speicher-Betriebsphasen betrieben werden, die sich aufgrund des mageren Kraftstoffgemisches durch eine besondere Sparsamkeit im Kraftstoffverbrauch auszeichnen. Kraftstoffverbrauchsteigernde Regenerations-Betriebsphasen werden nur noch so selten, wie es die Abgasgrenzwerte zulassen, angefordert. Das Steuergerät kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass es ein oder mehrere der eingangs erwähnten Verfahrensmerkmale während der Steuerung verwirklicht.
  • Um auf zusätzliche Sensoren zu verzichten, kann zweckmäßigerweise der Feuchtesensor einer Klimaanlage so eingesetzt werden, dass dessen Signale dem Steuergerät zugeführt sind. Ein zusätzlicher Feuchtesensor ist dann unnötig.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 ein Blockschaltbild einer nicht die beanspruchte Erfindung betreffenden Brennkraftmaschine,
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines nicht die beanspruchte Erfindung betreffenden Verfahrens zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionsmasse,
  • 3 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ermittlung einer maximalen Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators,
  • 4 eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
  • 5 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer maximalen Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Schema der 4.
  • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugtrakt 2 sowie einen Abgastrakt 3. Der Betrieb der Brennkraftmaschine wird dabei über (nicht näher bezeichnete) Leitungen von einem Steuergerät 4 gesteuert, das dabei insbesondere für die Einhaltung gegebener Abgasgrenzwerte bei möglichst minimalem Kraftstoffverbrauch sorgt.
  • Zur Minderung des Verbrauches ist dabei die Brennkraftmaschine 1 mager betreibbar, d. h. ihr wird über den Ansaugtrakt 2 Luft sowie Kraftstoff (entweder über den Ansaugtrakt 2 oder durch Direkteinspritzung) in einem überstöchiometrischen Verhältnis zugeführt.
  • Zur Minderung der Konzentration an Stickoxiden ist in den Abgastrakt 3 ein NOx-Speicherkatalysator 5 geschaltet, der vom Abgas durchströmt wird und eine Beschichtung aufweist, die in der Lage ist, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren, die bei magerer Verbrennung entstehen.
  • Die Phase mit magerer Verbrennung und Beladung des Speichers wird als Speicher-Betriebsphase der Brennkraftmaschine bezeichnet. Um den NOx-Speicherkatalysator 5 von eingespeicherten NOx-Verbindungen zu entleeren, wird ein Reduktionsmittel zugegeben, so dass der NOx-Speicherkatalysator 5 eingespeicherte NOx-Verbindungen in unschädliche Verbindung umwandelt. Als Reduktionsmittel werden CO, H2 und HC verwendet, die durch kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator 5 als Abgaskomponenten zur Verfügung gestellt werden. Diesen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch bezeichnet man als Regenerations-Betriebsphase.
  • Im Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 ist zusätzlich ein Feuchtesensor 6 vorgesehen, dessen Signale ebenfalls dem Steuergerät 4 über (nicht näher bezeichnete) Leitungen zugeführt werden. Dieser Feuchtesensor ist aus dem Stand der Technik bekannt.
  • 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionsmasse NR. Dieses Verfahren wird vom Steuergerät 4 durchgeführt, um entweder sicherzustellen, dass die NOx-Emission einer Brennkraftmaschine, die keinen NOx-Speicherkatalysator im Abgastrakt 3 aufweist, einen gewissen Grenzwert nicht überschreitet, oder um im Rahmen der Steuerung der Brennkraftmaschine 1 optimalen Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators 5 im Abgastrakt 3 bei gleichzeitig minimalem Kraftstoffverbrauch zu erreichen.
  • Liegen gewissen Rahmenbedingungen vor, wird in einem Schritt SO das Verfahren gestartet. Zu diesen Rahmenbedingungen gehört, dass zuerst überprüft wird, ob sich die Brennkraftmaschine 1 im Betriebszustand „Start" befindet, d. h., ob sie gerade in Betrieb gesetzt wird. Ist dies der Fall, so wird Schritt S0 nicht in Angriff genommen, sondern abgewartet, bis die Brennkraftmaschine den Betriebszustand „Start" verlassen hat. Weiter wird überprüft, ob eine Nachstartsteuerung der Brennkraftmaschine 1 vorliegt. Ist dies der Fall, wird ebenfalls mit dem Schritt S0 ebenfalls so lange gewartet, bis die Nachstartsteuerung beendet ist. Weiter wird überprüft, ob die Luftzahl des Gemisches, mit dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, einen Wert größer 1 aufweist, d. h. ob die Brennkraftmaschine in einem mageren Betriebsmodus läuft. Sind die genannten Bedingungen erfüllt, so wird im Schritt S0 das Verfahren gestartet.
  • Generell können beliebige, geeignete Betriebsparameter zur Definition eines Fensters herangezogen werden, in dem das Verfahren gestartet wird. Hierbei sind u.a. denkbar, Magerbetrieb bzw. Lambda-Wert, Außentemperatur, Betriebstemperatur, Drehzahl, Last, Ladedruck einer Aufladevorrichtung usw.
  • In einem Schritt S1 werden dann Drehzahl N und Last L der Brennkraftmaschine abgefragt. Anschließend wird in einem Schritt S2 auf ein Kennfeld KF1 zugegriffen, in dem über Last- und Drehzahl aufgespannt eine NOx-Rohemissionsmasse ausgelesen wird. Das Kennfeld KF1 ist dabei in einem Speicher des Steuergerätes abgelegt und die Kennfelddaten stammen aus Prüfstandsvermessungen.
  • Verschiedene weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wirken sich mehr oder weniger stark auf die NOx-Rohemissionsmasse aus. Deshalb ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens in 2 eine Abfolge von Schritten S3 bis S6 vorgesehen, die den Wert für die NOx-Rohemissionsmasse genauer an die jeweiligen Betriebsgegebenheiten anpassen.
  • Dabei wird zuerst in Schritten S3 und S4 eine Zündwinkelkorrektur vorgenommen. In Schritt S3 wird der aktuelle Zündwinkel ZW der Brennkraftmaschine 2 bestimmt und dann mittels eines zweiten Brennfeldes KF2 im Schritt S4 ein Zündwinkelkorrekturfaktor ermittelt, der eine prozentuale Änderung der NOx-Rohemissionsmasse als Funktion des Zündwinkels beinhaltet. Dabei kann zusätzlich noch die Abweichung zwischen aktuellem Zündwinkel und vorgegebenen Sollzündwinkel berücksichtigt werden.
  • Um die Einflüsse des Lambda-Wertes auf die NOx-Rohemissionsmasse zu berücksichtigen, wird in einem Schritt S5 zuerst der aktuelle Lambda-Wert LAM abgefragt und anschließend mittels eines dritten Kennfeldes KF3 in einem Schritt S6 ein weiterer multiplikativer Korrekturfaktor für die NOx-Rohemissionsmasse bestimmt.
  • Bei Brennkraftmaschinen, die über eine Abgasrückführung vom Abgastakt 3 zum Ansaugtrakt 2 aufweisen, wird in einer weiteren Korrektur die Stellung eines in diese Abgasrückführleitung geschalteten Abgasrückführventils berücksichtigt. Dabei können zusätzlich noch die Ansaugdruckverhältnisse einfließen. Im Verfahren der 2 ist dies jedoch nicht vorgesehen, da die dort zugrundegelegte, in 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 keine Abgasrückführung aufweist.
  • Nach der Ermittlung der Korrekturfaktoren in den Schritten S3 bis S6 wird nun in einem Schritt S7 die Feuchte H der Ansaugluft bestimmt. Dazu fragt das Steuergerät 4 den Feuchtesensor 6 ab. Anschließend wird in einem Schritt S8 mittels eines vierten Kennfeldes KF4 ein entsprechender feuchteabhängiger Korrekturfaktor für die NOx-Rohemissionsmasse ermittelt. Bezüglich dieser Feuchtekorrektur entspricht das Verfahren dem Stand der Technik.
  • Anschließend werden die Korrekturfaktoren, die in der Ausführungsform der 2 alle multiplikativ sind, d.h. prozentuale Änderungen durch die in den Korrekturfaktoren berücksichtigten Einflüsse beinhalten, mit dem aus dem ersten Kennfeld KF1 bestimmten Wert multipliziert, so dass in Schritt S9 die korrigierte NOx-Rohemissionsmasse NR mit hoher Genauigkeit die tatsächlich im unbehandelten Abgas emittierte Masse wiedergibt.
  • Zusätzlich zu den in 2 erwähnten Korrekturen können noch eine Temperaturkorrektur bezüglich der Kühlwassertemperatur und/oder der Ansauglufttemperatur sowie ein Korrekturfaktor für eine Ventilüberschneidung oder einen variablen Ventilhub berücksichtigt werden.
  • Nach Ende des Verfahrens in Schritt S10 liegt somit eine NOx-Rohemissionsmasse NR durch das Modell vor, die der tatsächlichen sehr genau entspricht.
  • Die derart errechnete NOx-Rohemissionsmasse NR kann nun dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass bei einer Brennkraftmaschine die Menge an emittierten NOx-Verbindungen innerhalb zulässiger Grenzwerte bleibt. Beispielsweise kann die Steuerung von Mager-Betriebsphasen bezogen auf die Betriebsdauer der Brennkraftmaschine oder eine zurückgelegte Fahrstrecke eines mit der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeuges so gestaltet werden, dass bestimmte gesetzliche Vorgaben eingehalten werden. Auch kann der berechnete Wert der NOx-Rohemissionsmasse NR bei der Steuerung einer Abgasrückführung Berücksichtigung finden. Solche Anwendungen bieten sich besonders bei Brennkraftmaschinen an, in deren Abgastrakt 3 keine weitere NOx-Nachbehandlung stattfindet, also entgegen der Darstellung der 1 kein NOx-Speicherkatalysator vorgesehen ist.
  • Bei Brennkraftmaschinen mit NOx-Speicherkatalysator wird die mit dem Verfahren gemäß 2 berechnete NOx-Rohemissionsmasse NR zur Steuerung des NOx-Speicherkatalysators 5 bzw. zur Gestaltung von Speicher-Betriebsphasen in der Brennkraftmaschine 1 verwendet. Dazu wird in einem Schritt S11 das in 3 schematisch dargestellte Verfahren gestartet und interaktiv in nachfolgenden Schritten S12 bis S17 der aktuelle Beladungsgrad BG des NOx-Speicherkatalysators 5 berechnet. Hat Schritt S17 dann einen bestimmten Grenzbeladungsgrad ergeben, wird eine Regenerations-Betriebsphase eingeleitet. Da der Wirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators 5 vom Beladungsgrad BG abhängt, ist der Grenzbeladungsgrad durch die zulässige Menge an vom Katalysator abgegebenen NOx-Verbindungen vorgegeben.
  • Zur Bestimmung des Beladungsgrades BG wird zuerst in einem Schritt S12 die NOx-Rohemissionsmasse NR bestimmt, wobei das Verfahren der 2 zur Anwendung kommt. Anschließend wird in einem Schritt S13 die Katalysatortemperatur KT ermittelt. Dies kann durch direkte Messung eines geeignet angebrachten Sensors oder durch ein geeignetes Katalysatortemperaturmodell erfolgen. Mit Hilfe der Katalysatortemperatur KT aus Schritt S13 wird dann in einem Schritt S14 auf ein fünftes Kennfeld KF5 zugegriffen, dass einen Wert für den temperaturabhängigen Katalysatorwirkungsgrad liefert.
  • Anschließend wird in einem Schritt S15 ein Speicherwirkungsgrad EF ermittelt, der von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine, beispielsweise angesaugte Luftmasse, ebenso abhängt, wie vom gegenwärtigen Beladungsgrad des Katalysators.
  • Nach Kenntnis der NOx-Rohemissionsmasse NR, des Temperaturkorrekturfaktors aus dem Kennfeld KF5 sowie dem Speicherwirkungsgrad ES wird in Schritt S16 nun die aktuelle Beladung BA als im NOx-Speicherkatalysator 5 eingespeicherte NOx-Masse ermittelt, indem die neu hinzugekommene NOx-Masse zur bereits eingespeicherten addiert wird.
  • Anschließend wird in einem Schritt S17 der Beladungsgrad BG berechnet, der sich aus aktueller Beladung BA dividiert durch eine maximale Speicherkapazität SK errechnet wird. In einem Schritt S18 wird nun abgeprüft, ob der Beladungsgrad BG oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes SW liegt. Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird vor Schritt S12 zurückgesprungen. Die Brennkraftmaschine 1 wird also weiter in der Speicher-Betriebsphase gehalten und in einem erneuten Durchlauf der Schritte S12 bis S17 wird die in diesem Zeitintervall steigende Beladung in einen erneuten Wert für den Beladungsgrad BG umgesetzt.
  • Ergibt die Abfrage in Schritt 18 jedoch, dass der Beladungsgrad BG über dem Schwellwert SW liegt (J-Verzweigung), wird in einem Schritt S19 eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 5 durchgeführt, indem die Brennkraftmaschine 1 mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Während dieser Regenerations-Betriebsphase wird im Schritt S20 die desorbierte NOx-Menge ND ermittelt, was dadurch erfolgt, dass die zugeführte Menge an Reduktionsmittel durch die Verbrennungsluftmasse und die Anfettung des Luft-Kraftstoffgemisches in der Regenerations-Betriebsphase erfasst wird.
  • Aus einem Vergleich der desorbierten NOx-Menge ND und der aktuellen Beladung BA vor Durchführung der Regenerations-Betriebsphase in Schritt S20 ergibt sich ein Rückschluss auf die tatsächliche maximale Speicherkapazität SK, da diese bei der Berechnung des Speicherwirkungsgrades ES in Schritt 15 einging. Eine Abweichung zwischen modellierter Beladung BA und tatsächlich desorbierter NOx-Masse ND wird dann zu einer Korrektur der maximalen Speicherkapazität SK ausgenutzt. Die hohe Genauigkeit, mit der die berechnete NOx-Rohemissionsmasse NR dabei dem tatsächlichen Wert folgt, erlaubt hier eine exakte Bestimmung der Speicherkapazität SK.
  • Anschließend ist im Schritt S22 das Verfahren beendet, d.h. es kann sich wiederum eine Speicher-Regenerationsphase anschließen. Dabei kann es sich wiederum um den Schritt S11 handeln, falls erneut eine Adaption der Speicherkapazität SK durchgeführt werden soll. Für den Fall, dass keine Adaption erforderlich ist, wird das in 3 dargestellte Verfahren ohne die letzten zwei Schritte S20 und S21 durchgeführt.
  • 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, die sich von der in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Brennkraftmaschine 1 eine Klimaanlage 7 aufweist, die über einen Klimaanlagenansaugtrakt 8 Außenluft aufnimmt und gekühlt in einen Kaltluftkanal 9 abgibt.
  • Der Kaltluftkanal 9 ist über eine Klappe 10 und einen Verbindungskanal 11 mit dem Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine verbunden. Die Klappe 10 wird dabei von einem Stellantrieb 12 betätigt, so dass die Brennkraftmaschine 1 Luft entweder über den Ansaugtrakt 2 aus der Umgebung oder aus dem Kaltluftkanal 9 über die Klimaanlage 7 angesaugt.
  • Befindet sich die Klappe 10 in der in 4 dargestellten Stellung, entspricht die Ansaugluftführung bei der Brennkraftmaschine 1 der 4 im wesentlichen der in 1 dargestellten mit dem einzigen Unterschied, dass der Feuchtesensor 6 nicht im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 1 sondern im Klimaanlagenansaugtrakt 8 sitzt. Dies ist aber für die Führung der Ansaugluft unbeachtlich. Es wirkt sich auch auf das Feuchtesignal des Feuchtesensors 6 nicht aus, da dieser in beiden Positionen jeweils die Feuchte der Umgebungsluft erfasst.
  • Betätigt der Stellantrieb 12 die Platte 10 in Richtung des in 4 dargestellten Pfeiles, so saugt die Brennkraftmaschine 1 die Ansaugluft aus dem Kaltluftkanal 9 und empfängt damit von der Klimaanlage 7 konditionierte Luft bekannter Temperatur und vorgegebener Feuchte. In dieser Stellung der Klappe 10 kann somit das schematisch in 2 dargestellte Verfahren durchgeführt werden, wobei die Schritte S7 und S8, die einen Feuchtekorrekturfaktor festlegen, dann entfallen. Stattdessen ist das erste Kennfeld KF1, das in Schritt S2 der 2 zum Einsatz kommt, auf die Feuchte und vorzugsweise auch auf die Temperatur eingestellt, die die von der Klimaanlage 7 im Kaltluftkanal 9 bereitgestellte Luft hat.
  • Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist in 5 schematisch gezeigt, die ein Verfahren zur Adaption der Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 5 bei der Brennkraftmaschine der 4 zeigt. Das Verfahren wird in einem Schritt S23 begonnen. Danach wird in einem Schritt S24 ermittelt, ob eine Adaption der maximalen Speicherkapazität SK erforderlich ist. Ist dies nicht der Fall, wird vor Schritt S24 zurückgesprungen (N-Verzweigung). Ob eine Adaption erforderlich ist, kann beispielsweise anhand gewisser Zeitkriterien ermittelt werden, wenn beispielsweise vorgesehen ist, dass eine Adaption mindestens innerhalb gewisser Zeiträume einmal zu erfolgen hat.
  • Soll eine Adaption erfolgen (J-Verzweigung,) so wird mit Schritt S25 fortgefahren, in dem ermittelt wird, ob die bisherige Kaltluftanforderung, die im Betrieb der Brennkraftmaschine von Fahrgästen eines Fahrzeuges an die Klimaanlage 7 gestellt wird, es erlaubt, zusätzlich die Ansaugluft über die Klimaanlage 7 zu leiten. Ist dies der Fall (J-Verzweigung) wird in einem Schritt S26 die Klappe 10 vom Stellantrieb 12 so betätigt, dass der Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine mit dem Kaltluftkanal 9 verbunden wird. Dadurch ist erreicht, dass die Brennkraftmaschine 1 Ansaugluft bekannter Temperatur und Feuchte verwendet.
  • Daraufhin wird in einem Schritt S27 die Adaption der Speicherkapazität SK nach dem Verfahren der 2 und 3 durchgeführt, wobei allerdings die Schritte S7 und S8 der 1, in denen die Feuchte der Ansaugluft bestimmt und mit einem Korrekturfaktor bei einer weiteren Berechnung berücksichtigt wird, nicht ausgeführt, d.h. übersprungen werden. Stattdessen ist das Kennfeld KF1 auf die Temperatur und Feuchte der von der Klimaanlage 7 im Kaltluftkanal 9 bereitgestellten Luft abgestimmt.
  • Nach der Adaption der maximalen Speicherkapazität SK im Schritt S27 wird in einem Schritt S28 die Klappe 10 wieder vom Stellantrieb 12 umgeschaltet, so dass die Ansaugluft der Brennkraftmaschine 1 nicht mehr von der Klimaanlage konditioniert wird, sondern direkt aus der Umgebungsluft stammt.
  • In einem Schritt S29 ist das Verfahren dann beendet.
  • Ergab die Abfrage in Schritt S25, dass die gegenwärtige Kühllastanforderung an die Klimaanlage 7 es nicht erlaubt, zusätzlich noch Ansaugluft zu konditionieren, so wird (N-Verzweigung) in einem Schritt S30 ebenfalls die Speicherkapazität SK bestimmt, wobei dann entweder eine geringere Güte bei der Konditionierung erreicht wird, oder die Schritte S7 bis S8 zur Ausführung kommen, bei denen mittels des Feuchtesensors 6 eine Korrektur des Luftfeuchteeinflusses auf die NOx-Rohemissionsmasse NR vorgenommen wird. Nach dem Schritt S30 ist das Verfahren in Schritt S29 beendet.
  • Analog zu dem in 5 dargestellten Verfahrensablauf kann man auch eine Mischform praktizieren, bei der das Verfahren einmal mit der J-Verzweigung des Schritts S25 und direkt danach mit der N-Verzweigung durchlaufen wird, wobei dann in Schritt S30 keine Feuchtekorrektur durch die Schritte S7 und S8 vorgenommen wird. Anschließend werden die zwei auf diese Art und Weise berechneten Werte für die maximale Speicherkapazität SK verglichen, so dass ein Korrekturfaktor für Adaptionsvorgänge bereitgestellt wird, der die feuchtebedingten Abweichungen bei der maximalen Speicherkapazität SK zum Ausdruck bringt. Alternativ zu einer Abweichung der Speicherkapazitätswerte SK, kann auch eine Abweichung auf der Ebene der NOx-Rohemissionsmasse NR berechnet und in einem Korrekturfaktor umgesetzt werden.
  • Ein solcher Korrekturfaktor wird nachfolgend immer dann bei der Adaption der maximalen Speicherkapazität SK verwendet, wenn die Ansaugluft der Brennkraftmaschine 1 nicht durch die Ansaugluft der Brennkraftmaschine 1 aus zwei verschiedenen Zweigen zusammengesetzt ist, einem direkt der Umgebungsluft entnommenen Anteil unbekannter Feuchte und einem durch die Klimaanlage 7 konditionierten Anteil, dessen Feuchte dem Wert entspricht, auf den das Kennfeld KF1 abgestimmt ist.
  • Natürlich kann bei einer Brennkraftmaschine, die sich von der in 4 dadurch unterscheidet, dass kein Verbindungskanal 11 vorgesehen ist, auch der für die Klimaanlage 7 vorgesehene Feuchtesensor 6 anstelle des in 1 dargestellten Feuchtesensors verwendet werden, dann kommt das Verfahren nach 1 entsprechend mit bekannter Feuchtekorrektur zur Anwendung.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Klimaanlage, bei dem in einer Abfolge von Schritten eine von der Brennkraftmaschine emittierter NOx-Menge als NOx-Rohemissionsmenge bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung zumindest ein Teil der Ansaugluft der Brennkraftmaschine über die Klimaanlage geleitet wird, um sie bezüglich ihrer Feuchte auf einen bestimmten Wert zu bringen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob die Klimaanlage neben einer bestehenden Kaltluftanforderung zusätzlich konditionierte Ansaugluft bereitstellen kann.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Rohemissionsmenge einmal mit und einmal ohne Leiten der Ansaugluft über die Klimaanlage bestimmt wird und eine Differenz oder ein Quotient der NOx-Rohemissionsmengen ermittelt und zur Korrektur von NOx-Rohemissionsmengen verwendet wird, die ohne über die Klimaanlage geleitete Ansaugluft bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abfolge von Schritten ein die Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators charakterisierender Wert ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im NOx-Speicherkatalysator enthaltene NOx-Menge ermittelt und unter Berücksichtigung der NOx-Rohemissionsmenge eine Adaption des die Speicherkapazität charakterisierenden Werts vorgenommen wird, der in einer Abfolge von Schritten ermittelt wurde.
  6. Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt (2), einem Abgastrakt (3), in den ein NOx-Speicherkatalysator (5) geschaltet ist, und einer Klimaanlage (7), die im Betrieb Kühlluft in einen Kaltluftkanal (9) abgibt, gekennzeichnet durch eine Verbindung zwischen Ansaugtrakt (2) und Kaltluftkanal (9), die mit einem Ventil (10) verschließbar ist, welches von einem Steuergerät (4) angesteuert wird.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die Brennkraftmaschine in Speicher-Betriebsphasen, in denen der NOx-Speicherkatalysator (5) NOx-Verbindungen aus dem Abgas der Brennkraftmaschine (1) einspeichert, und in Regenerations-Betriebsphasen steuert, in denen der NOx-Speicherkatalysator (5) gespeicherte NOx-Verbindungen umwandelt und abgibt, und zumindest in einigen Speicher-Betriebsphasen das Ventil (10) so ansteuert, dass Ansaugluft der Brennkraftmaschine (1) zumindest teilweise aus dem Kaltluftkanal (9) stammt.
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