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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 69005322 T2 ist
es bekannt, daß der
Stickoxidausstoß einer
Dieselbrennkraftmaschine proportional zur Feuchte der Ansaugluft
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Natürlich sollte
die Klimaanlage auf jeden Fall in Betrieb sein, wenn die Ansaugluft über die
Klimaanlage geleitet wird; bei Bedarf ist sie zuzuschalten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielshalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1 ein Blockschaltbild einer
nicht die beanspruchte Erfindung betreffenden Brennkraftmaschine,
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2 ein Ablaufdiagramm eines
nicht die beanspruchte Erfindung betreffenden Verfahrens zur Bestimmung
einer NOx-Rohemissionsmasse,
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3 ein Ablaufschema eines
Verfahrens zur Ermittlung einer maximalen Speicherkapazität eines
NOx-Speicherkatalysators,
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4 eine Schemadarstellung
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
und
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5 ein Ablaufschema eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung einer maximalen Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators bei
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Schema der 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
Ende des Verfahrens in Schritt S10 liegt somit eine NOx-Rohemissionsmasse
NR durch das Modell vor, die der tatsächlichen sehr genau entspricht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einem Schritt S29 ist das Verfahren dann beendet.
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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.
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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.
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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.
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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.