DE10221536A1 - Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, das eine Überhitzung des Katalysators in allen Lastbereichen auch bei Realisierung eines maximalen Motormomentes verhindert, die thermische Belastung des Katalysators reduziert und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch im oberen Last- und Drehzahlbereich verringert. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird durch die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer durch den Fahrer gewünschten Momentanforderung an den Motor die sich einstellende Katalysatortemperatur durch Abmagerung des Luft/Kraftstoff-Gemisches auf eine festgelegte Grenzkatalysatortemperatur T¶Grenz¶ begrenzt. Nach Erreichen des Mager-Volllastbetriebszustands erfolgt durch Betriebsartenwechsel in den fetten Bereich mit lambda < 1 ein weiterer Momentaufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der der Verbrennung zugeführten Luftmassen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 und des Nebenanspruches 2 genannten Merkmalen.
• Es ist allgemein bekannt, den Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine durch ein Motorsteuergerät anhand der aktuellen Motordaten wie Fahrerwunschmoment, Motordrehzahl, Motortemperatur, Abgastemperatur, Verhältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert), usw. zu regeln. Dabei muss beachtet werden, dass beim Realisieren eines Fahrerwunschmomentes durch Einstellen des Arbeitsmodus die Abgastemperatur der Verbrennungsgase nicht soweit erhöht wird, dass sie die zulässige Grenztemperatur für den dem Motor nachgeschalteten Katalysator überschreitet. Ein Überschreiten der zulässigen Grenzkatalysatortemperatur würde den Katalysator beschädigen oder zerstören.
• Aus der DE 197 48 971 A1 ist ein System zum Schutz eines Katalysators einer Brennkraftmaschine vor Überhitzung vorbekannt, bei dem bei Erreichen einer für den Katalysator kritischen Temperatur vom Motorsteuergerät die Kraftstoff-Aufbereitungsanlage so beeinflusst wird, dass der Brennkraftmaschine ein abgemagertes Luft- Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird. Durch die Abmagerung des Luft-Kraftstoff- Gemisches wird die Temperatur des Abgases reduziert. Zum Reduzieren der Stickoxide im Abgas wird das mit Kohlenwasserstoff relativ arme und sauerstoffreiche Abgas dabei einem ersten Katalysator ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit und danach einem Dreiwege-Katalysator zugeführt.
• Nachteilig bei diesem System ist, dass die Reduzierung der Abgastemperatur zum Schutz des Katalysators eine verminderte Leistung des Motors zur Folge hat.
• Aus der DE 43 44 137 A1 ist ein System zum Schutz eines Katalysators vor Übertemperatur vorbekannt, bei dem abhängig von der maximalen zulässigen Katalysatortemperatur und der tatsächlichen Katalysatortemperatur Maßnahmen zur Kühlung des Katalysators getroffen werden. Als Maßnahmen zur Kühlung des Katalysators werden unter anderem genannt:
  
• - Öffnen des Absperrventils in einem Umgehungskanal zum Katalysator,
• - Umlenken des Fahrtwindes auf den Abgaskanal oder den Katalysator,
• - Verringerung der Luftfüllung der Brennkraftmaschine,
• - Anfetten des Luft-Kraftstoff-Gemisches.
• Diese einzelnen Maßnahmen werden entsprechend der tatsächlichen Katalysatortemperatur einzeln oder im Komplex eingesetzt.
• Nachteilig dabei ist ein hoher Hardwareaufwand für die komplizierte und aufwendige Regelung zur Kühlung des Katalysators. Außerdem hat die weitverbreitete Maßnahme des Anfettens des Luft-Kraftstoff-Gemisches zur Senkung der Katalysatortemperatur den Nachteil eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs zur Folge.
• Aus der DE 199 32 290 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt, bei dem der Arbeitsmodus in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur geregelt wird. Beim Überschreiten einer ersten vorgegebenen Grenztemperatur des Katalysators wird durch Gemischanfettung ein Arbeitsmodus mit λ ≤ 1 eingestellt. Nach einem erstmaligen Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur des Katalysators, die über der ersten Grenztemperatur liegt, und einem anschließenden Absinken der Katalysatortemperatur unter die zweite Grenztemperatur wird ein Arbeitsmodus mit λ > 1 (Magerbetrieb) eingestellt. Der Magerbetrieb wird dabei so lange aufrecht erhalten, bis ein vorgegebener Schwellenwert für eine NO_x-Emission am Katalysator überschritten wird.
• Diese beschriebene Regelung ist nur einsetzbar bei Verwendung eines NO_x- Speicherkalatysators. Ein Betreiben des Katalysators im reinen Magerbetrieb ist damit nicht möglich. Ein Magerbetrieb kann dabei nur bis zum Überschreiten eines Schwellenwertes für eine NO_x-Emission aufrechterhalten werden kann.
• Weiterhin ist aus der DE 197 28 926 C1 eine Steuereinrichtung zur Nachstartverschiebung der λ-Regelung bekannt, bei der eine Reduzierung der schädlichen Stickoxide in der Nachstartphase durch eine Änderung einer Mager- oder Fettverschiebung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgenommen wird. Diese Regelung ist nur begrenzt auf die Nachstartphase einsetzbar. Eine Regelung des Arbeitsmodus während des regulären Betriebszeitraumes ist nicht vorgesehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, das eine Überhitzung des Katalysators in allen Lastbereichen auch bei Realisierung eines maximalen Motormomentes verhindert, die thermische Belastung des Katalysators reduziert und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch im oberen Last- und Drehzahlbereich verringert.
• Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und durch die durch die kennzeichnenden Merkmale des Nebenanspruches 2 gelöst.
• Durch die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer durch den Fahrer gewünschten Momentanforderung an den Motor wird die sich einstellende Katalysatortemperatur durch Abmagerung des Luft/Kraftstoff-Gemisches auf eine festgelegte Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz begrenzt. Nach Erreichen des Mager-Volllastbetriebszustands erfolgt durch Betriebsartenwechsel in den fetten Bereich mit λ < 1 ein weiterer Momentaufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der der Verbrennung zugeführten Luftmassen. Der Vorteil dieser Regelung des Arbeitsmodus besteht darin, dass bei Realisierung eines Fahrerwunschmomentes eine vorgegebene Katalysatorgrenztemperatur nicht überschritten wird und die Katalysatortemperatur während des Fahrbetriebes einen nahezu konstanten Wert annimmt, der ungefähr der Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz entspricht. Durch die Erhöhung des λ-Wertes auf > 1, bei einem entsprechend vorhandenem Regelpotential der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen und/oder der Drosselklappenverstellung, wird der Kraftstoffverbrauch während des Betriebes gesenkt.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine auch derart eingestellt werden kann, dass bei einem gewünschtem Fahrermoment und bei einem entsprechend vorhandenen Regelpotential der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen und/oder der Drosselklappenverstellung beim Erreichen der zulässigen Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz eine Gemischabmagerung in einer solchen Größenordnung vorgenommen wird, dass die Temperatur T_ist des Katalysators deutlich unterhalb der Grenztemperatur liegt. Dadurch wird einerseits die thermische Belastung des Katalysators und dessen Verschleiß verringert und andererseits erfolgt eine weitere Minimierung des Kraftstoffverbrauchs.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
• An Hand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der dazugehörigen Zeichnung ist schematisch ein Flussdiagramm der Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
• Die Regelung des Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt bekannter Weise mittels eines Motorsteuergeräts, das die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und den Arbeitsmodus zum Beispiel durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) regelt. Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit eines durch den Fahrer an den Motor gestellten Wuschmomentes 1 das zur Realisierung der Fahrbedingungen benötigt wird. Zur Realisierung eines Fahrerwunschmomentes 1 wird in einem ersten Schritt bei 2 geprüft, ob eine festgelegte Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz bei einem eingestellten Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ = 1 überschritten wird. Bei Nichtüberschreiten der Grenztemperatur wird der λ-Wert von 1, entsprechend dem Schritt 3, beibehalten, da eine Realisierung des gewünschten Momentes 1 möglich ist.
• Beim Überschreiten der festgelegten Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz wird in einem weiteren Schritt 4 überprüft ob das Fahrerwunschmoment 1 im Magerbetrieb M_mager des Motors darstellbar ist. Ist dieses nicht der Fall, das heißt, es ist kein zusätzliches Regelpotential hinsichtlich der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen mehr vorhanden, wird über den Schritt S der Fettanteil im Luft/Kraftstoff-Gemisch erhöht. Der λ-Wert wird von λ = 1 auf λ < 1 eingestellt. Die Temperatur des Katalysators wird gesenkt und das Wunschmoment 1 kann realisiert werden.
• Wird im Schritt 4 festgestellt, dass ein entsprechendes Regelungspotential zur Verfügung steht, um das Fahrerwunschmoment 1 im Magerbetrieb M_mager des Motors realisieren zu können, erfolgt gemäß Schritt 7, bei vorhandenen Luftmassen- bzw. Drosselklappenpotential DK, durch das Motorsteuergerät eine Gemischabmagerung auf einen Wert von λ > 1 mit dem entsprechenden Temperatursenkungspotential. (Schritt 8) Die Temperatur des Katalysators wird auf einen Wert eingestellt, der geringfügig unter der Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz liegt. Mit der Gemischabmagerung erfolgt gleichzeitig im Schritt 9 zur momentneutralen Kompensierung des dabei eintretenden Momentverlustes ein Öffnen der Drosselklappe und somit eine größere Verbrennungsluftmengenzuführung.
• Beim Erreichen der Magervolllast, bei der eine vollständige Entdrosselung bei maximal geöffneter Drosselklappe erreicht ist, kann die Bedingung im Schritt 4, das Fahrerwunschmoment 1 im Magerbetrieb M_mager des Motors darzustellen, nicht mehr erfüllt werden. Über das Motorsteuergerät erfolgt eine Betriebsartwechsel von λ > 1 auf λ < 1. (Schritt 6) Der dabei entstehende Momentüberschuss wird durch gleichzeitiges Schließen der Drosselklappe momentenneutral kompensiert. Das daraus resultierende Momentpotential kann erneut bis zur völligen Entdrosselung und dem Erreichen der Fettvolllast ausgenutzt werden.
• Zur Gewährleistung der Reversibilität der Vorgänge kommen Filter und Hysteresen 6 zum Einsatz.
• Eine Variante der erfindungsgemäßen Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine sieht vor, dass bei einem positiven Ergebnis im Schritt 4 gemäß Schritt 8 eine zusätzliche Gemischabmagerung erfolgt. Gleichzeitig erfolgt mit der Gemischabmagerung über das Motorsteuergerät eine Drosselklappenverstellung, so dass durch Öffnen der Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine eine größere Verbrennungsluftmenge zum Ausgleichen des Momentverlustes zugeführt wird.
• Durch die zusätzliche Gemischabmagerung und somit einer weiteren Erhöhung des λ-Wertes fällt die Temperatur des Katalysators deutlich unter die Grenzkatalysatortemperatur, woraus sich eine Erhöhung der Lebensdauer bei gleichzeitiger weiterer Kraftstoffeinsparung ergibt.
• Bei einer völligen Entdrosselung und somit bei einer vollständigen geöffneter Drosselklappe (DK = DK_max) wird zur weiteren Erhöhung des Fahrerwunschmomentes 1 in einer ersten Phase der Fettanteil in der Gemischabmagerung entsprechend dem Schritt 10 erhöht. Der dabei eingestellte λ-Wert ist aber > 1. Die Gemischanfettung hat ein Ansteigen der Temperatur des Katalysators zur Folge. Bei weiterer Erhöhung des Fahrerwunschmomentes 1 wird die Grenzkatalysatortemperatur T_Grenz überschritten. Die Bedingung im Schritt 4 wird nicht mehr erfüllt und es erfolgt ein Betriebsartwechsel von λ > 1 auf λ < 1. Der entstehende Momentüberschuss wird durch gleichzeitiges Schließen der Drosselklappen momentenneutral kompensiert. Das daraus resultierende Momentpotential kann bis zur erneuten völligen Entdrosselung bei Erreichen der Fettvolllast ausgenutzt werden. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Fahrerwunschmoment
  2 Katalysatortemperatur
  3 Einstellung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
  4 Ermittlung des vorhandenen Arbeitsmodus
  5 Einstellung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
  6 Hysteresenregelung
  7 Ermittlung des vorhandenen Luftmassen- bzw. Drosselklappenpotentials
  8 Einstellung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
  9 Regelung der Drosselklappenverstellung
  10 Einstellung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
  λ Wert des Luft/Kraftstoff-Gemisches
  DK Drosselklappenpotential
  DK_max Maximales Drosselklappenpotential
  T_Grenz Grenzkatalysatortemperatur
  M Fahrerwunschmoment
  M_mager Motormoment im Magerbetrieb
  M_fett Motormoment im Fettbetrieb
  T Katalysatortemperatur
  T_{λ =1} Katalysatortemperatur bei λ = 1
  T_ist Ist-Katalysatortemperatur
  

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine,

- bei dem mittels Motorsteuergerät die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und der Arbeitsmodus durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) geregelt wird,

- das zur Realisierung eines Fahrerwunschmomentes beim Überschreiten einer festgelegten Grenzkatalysatortemperatur (T_Grenz) bei einem eingestellten Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ = 1 und bei einem vorhandenen Regelpotential der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen und/oder der Drosselklappenverstellung durch das Motorsteuergerät das Luft/Kraftstoff- Gemisch durch Gemischabmagerung auf einen Wert von λ > 1 derart eingestellt wird, dass die Katalysatortemperatur (T_Ist) gleich oder geringfügig kleiner der Grenzkatalysatortemperatur (T_Grenz) ist,

- gleichzeitig mit der Gemischabmagerung über das Motorsteuergerät eine Drosselklappenverstellung derart erfolgt, dass zum Ausgleichen des Momentverlustes der Verbrennungskraftmaschine durch Öffnen der Drosselklappe eine größere Verbrennungsluftmenge zugeführt wird,

- beim Erreichen der Magervolllast durch das Motorsteuergerät das Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ > 1 auf λ < 1 (Fette Phase) eingestellt wird,

- und gleichzeitig mit der Gemischanfettung über das Motorsteuergerät eine Drosselklappenverstellung derart erfolgt, dass zum Ausgleichen des entstehenden Momentüberschusses der Verbrennungskraftmaschine durch Schließen der Drosselklappe eine geringere Verbrennungsluftmenge zugeführt wird.

2. Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine,

- bei dem mittels Motorsteuergerät die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und der Arbeitsmodus durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) geregelt wird,

- das zur Reduzierung der Katalysatortemperatur und zur Minimierung des Kraftstoffverbrauches beim Überschreiten einer festgelegten Grenzkatalysatortemperatur (T_Grenz) bei einem eingestellten Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ = 1 und bei einem vorhandenen Regelpotential der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen und/oder der Drosselklappenverstellung durch das Motorsteuergerät das Luft/Kraftstoff-Gemisch durch Gemischabmagerung auf einen Wert von λ > 1 derart eingestellt wird, dass die Katalysatortemperatur (T_Ist) wesentlich kleiner der festgelegten Grenzkatalysatortemperatur (T_Grenz) ist,

- gleichzeitig mit der Gemischabmagerung über das Motorsteuergerät eine Drosselklappenverstellung derart erfolgt, dass zum Ausgleichen des Momentverlustes der Verbrennungskraftmaschine durch Öffnen der Drosselklappe eine größere Verbrennungsluftmenge zugeführt wird,

- beim Erreichen der Magervolllast, bei dem kein Regelpotential der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmassen und/oder der Drosselklappenverstellung mehr vorhanden ist, zum Erreichen eines weiteren Momentaufbaus durch das Motorsteuergerät ein erhöhter Fettanteil im abgemagerten Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ > 1 eingestellt wird,

- nach Überschreiten der festgelegten Grenzkatalysatortemperatur (T_Grenz) durch das Motorsteuergerät das Luft/Kraftstoff-Gemisch von λ > 1 auf λ < 1 (Fette Phase) eingestellt wird,

- und gleichzeitig mit der Gemischanfettung über das Motorsteuergerät eine Drosselklappenverstellung derart erfolgt, dass zum Ausgleichen des entstehenden Momentüberschusses der Verbrennungskraftmaschine durch Schließen der Drosselklappe eine geringere Verbrennungsluftmenge zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Regelkreis zur Reversion der Vorgänge Hysteresen und Filter angeordnet sind.