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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, welche
ein Katalysatorsystem mit einem NOx-Speicherkatalysator aufweist,
in verschiedenen Betriebsarten, wobei sich in wenigstens einer ersten Betriebsart
NOx in den NOx-Speicherkatalysator einlagert und in wenigstens einer
zweiten Betriebsart NOx aus dem NOx-Speicherkatalysator abgegeben wird,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 2.
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Bei direkteinspritzenden, schichtladefähigen Ottomotoren
mit Katalysatorsystem sind mehrere Betriebsarten möglich, wobei
jedem Punkt in einem Last-Drehzahl-Kennfeld der Brennkraftmaschine eine
bestimmte Betriebsartenzulassung zugeordnet ist: Ein stöchiometrischer
Homogenbetrieb mit Lambda gleich 1,0 im gesamten Kennfeldbereich;
ein Schichtbetrieb bei kleinen Lasten und Drehzahlen sowie ein Homogen-Magerbetrieb
mit Lambda bis maximal 1,6 bis in den Bereich mittlerer Lasten und Drehzahlen.
Grundsätzlich
wird angestrebt, die betriebspunktabhängig verbrauchsgünstigste
Betriebsart zu wählen.
Aus verschiedenen Gründen
ist dies jedoch nicht immer möglich:
Bei kaltem Motor und Katalysatorsystem wird zunächst nur der stöchiometrische
Homogenbetrieb zugelassen, bis das Katalysatorsystem eine gewisse
Mindesttemperatur erreicht bzw. überschritten
hat. Zusätzlich
muß beispielsweise
der Schichtbetrieb und der Homogen-Magerbetrieb periodisch zur NOx-Regeneration oder
Entschwefelung verlassen werden.
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Aus der
EP 0 894 962 A2 ist eine
Katalysatoranordnung bekannt, bei der eine Gemischanfettung nur
dann zugelassen wird, wenn die Brennkraftmaschine nach einer gewissen
Zeitdauer nach Umschaltung der Betriebsart einen stabilen Zustand
erreicht hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der obengenannten Art bzgl. der Betriebsartenumschaltung
so zu modifizieren, daß unter Beibehaltung
eines insgesamt emissionsgünstigen Betriebes
eine Verbrauchsminderung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 bzw. 2 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß jedem
Punkt in einem Last-Drehzahl-Kennfeld der Brennkraftmaschine eine
vorbestimmte, maximale Zeitspanne für jede erste Betriebsart zugeordnet ist,
nach der in eine, diesem Punkt zugeordnete zweite Betriebsart umgeschaltet
wird.
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Alternativ ist in einem Last-Drehzahl-Kennfeld
der Brennkraftmaschine zwischen einem ersten Kennfeldbereich, in
dem die erste Betriebsart zugelassen ist, und einem zweiten Kennfeldbereich,
in dem die zweite Betriebsart zugelassen ist, ein dritter Kennfeldbereich
vorgesehen, in dem die Brennkraftmaschine lediglich für eine vorbestimmte
Zeitdauer in der ersten Betriebsart betrieben wird und nach Ablauf der
vorbestimmten Zeitdauer in die zweite Betriebsart des zweiten Kennfeldbereichs
umgeschaltet wird.
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Dies hat den Vorteil, daß bei einem
nur kurzfristigen Wechsel des Zustandes der Brennkraftmaschine von
einem ersten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine in der
ersten Betriebsart betrieben wird, in einen zweiten Betriebszustand,
in dem die Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart betrieben
werden soll, nicht sofort in die zweite Betriebsart und ggf. in
eine NOx-Regeneration umgeschaltet wird, welche eine Ausführung einer
verbrauchsgünstigen
ersten Betriebsart für
eine gewisse nachfolgende Zeit blockieren würde, so daß sich insgesamt eine Verbrauchsminderung
bei keiner wesentlichen Verschlechterung der Emissionseigenschaften
einstellt.
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Beispielsweise umfaßt die erste
Betriebsart einen Magerbetrieb, insbesondere einen Schichtbetrieb
und/oder einen Homogen-Magerbetrieb, mit einem Wert Lambda für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer 1,1
und die zweite Betriebsart einen stöchiometrisch homogenen Betrieb
mit einem Wert Lambda für
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
gleich 1.
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Zweckmäßigerweise ist eine dritte
Betriebsart mit einer NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators
und einem Wert Lambda für
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
kleiner 1 vorgesehen, wobei in Abhängigkeit von einem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine und einem Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators
zu dieser dritten Betriebsart umgeschaltet wird.
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Beispielsweise ist die vorbestimmte,
maximale Zeitspanne kleiner oder gleich 80% derjenigen Zeitspanne,
welche zwischen zwei NOx-Regeneration bei einem ununterbrochenen
Betrieb in der diesem Punkt zugeordneten ersten Betriebsart vergeht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die vorbestimmte, maximale Zeitspanne einen Wert zwischen
0 und 20 Sekunden, insbesondere einen Wert zwischen 0 und 5 Sekunden
auf.
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Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie
aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
Diese zeigen in
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1 eine
grafische Darstellung eines Last-Drehzahl-Kennfeldes gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
grafische Darstellung von Fahrgeschwindigkeit und angefordertem
Moment, welche über
eine Zeit aufgetragen sind, gemäß dem Stand der
Technik,
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3 eine
grafische Darstellung eines Last-Drehzahl-Kennfeldes gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
grafische Darstellung von Fahrgeschwindigkeit und angefordertem
Moment, welche über
eine Zeit aufgetragen sind, gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung von 3,
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5.
eine grafische Darstellung eines Last-Drehzahl-Kennfeldes gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Endung.
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3 veranschaulicht
grafisch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Last-Drehzahl-Kennfelds
einer Brennkraftmaschine für
ein erfindungsgemäßes Verfahren,
wobei auf der horizontalen Achse 10 eine Drehzahl und auf
der vertikalen Achse 12 ein Motormoment (Nm) aufgetragen
sind. Das Last-Drehzahl-Kennfeld ist in Bereiche 14, 15, 16 und 18 aufgeteilt.
Im Bereich 14 ist ein stöchiometrisch homogener Betrieb,
im Bereich 16 ist ein homogen-mager Betrieb und im Bereich 18 ist
ein Schichtbetrieb zugelassen. Die Betriebsarten stöchiometrisch
homogen und homogen-mager sind auch in den jeweils darunter liegenden
Bereichen 15, 16 und 18 zugelassen. 4 veranschaulicht grafisch einen
zugehörigen
Verlauf von Fahrgeschwindigkeit 20 und angefordertem Moment 22,
welche auf der vertikalen Achse 24 aufgetragen sind, über die
Zeit (sec), welche auf der horizontalen Achse 26 aufgetragen
ist. Es sind in 3 und 4 besondere Betriebspunkte 28, 30, 32, 34 und 36 gekennzeichnet.
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Die vorgenannten Betriebsarten stöchiometrisch
homogen, homogen-mager und Schichtladebetrieb unterliegen einer
gewissen hierarchischen Ordnung. Dabei stellt der Schichtbetrieb
die niedrigste Hierarchie dar, gefolgt vom homogen-mager Betrieb. Die
höchste
Hierarchiestufe hat der stöchiometrisch homogene
Betrieb. Dies bedeutet, daß die
Betriebsart mit der niedrigsten Hierarchie, der Schichtbetrieb, nur
in dem entsprechend zugewiesenen Betriebsfenster (Bereich 18)
zugelassen wird, während
die höher
eingeordneten Betriebsarten auch in den Betriebsfenstern (Bereiche 15, 16 und 18)
der niedriger eingeordneten Betriebsarten vorkommen können. So kann
bei kleinen Lasten und Drehzahlen (Bereich 18) sowohl der
Schichtbetrieb als auch beispielsweise der homogen-mager Betrieb
zugelassen werden, während
bei hohen Lasten und Drehzahlen (Bereiche 14, 15 und 16)
keinesfalls der Schichtbetrieb zulässig ist.
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Größe und Form der Betriebsfenster
(Bereiche 14, 15, 16 und 18)
richten sich nach verschiedenen Anforderungen. Einwichtiges Kriterium
liegt darin, die Betriebsart mit dem günstigsten Verbrauch zu bevorzugen.
Als weitere Kriterien werden Abgaszusammensetzung, Laufruhe, Abgastemperatur,
Klopfneigung usw. herangezogen. Wird im dynamischen Betrieb ein
Betriebsartenbereich 16 oder 18 in Richtung höhere Drehzahlen
und/oder Lasten verlassen, so wird auf eine höher priorisierte Betriebsart
umgeschaltet, d.h. beispielsweise vom Schichtbetrieb (Bereich 18)
in den homogen-mager Betrieb (Bereich 16) oder den stöchiometrisch
homogenen Betrieb (Bereich 14) und vom homogen-mager Betrieb
(Bereich 16) in den stöchiometrisch
homogenen Betrieb (Bereich 14).
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Die Betriebsartengrenze des homogen-mager
Betriebs ist in hohem Maße
durch die Abgaszusammensetzung definiert. Der bei magerlauffähigen Ottomotoren üblicherweise
eingesetzte NOx-Speicherkatalysator benötigt zum Erreichen optimaler NOx-Einlagerungswirkungsgrade
eine Beaufschlagung mit einem möglichst
niedrigen NOx-Massenstrom bei möglichst
niedrigem Abgasmassenstrom und zugleich die Einhaltung eines Arbeitstemperaturfensters
von ca. 250°C
bis maximal ca. 500°C.
Bei höheren
Lasten (> ca. 5 bar
effektiver Mitteldruck) nimmt der NOx-Massenstrom deutlich zu und
kann Werte von 50 g/h überschreiten.
Bei einem länger
andauernden Betrieb wird der NOx-Speicherkatalysator bei diesen
NOx-Massenströmen
sehr schnell gesättigt,
so daß entweder
eine sehr häufige
NOx-Regeneration erforderlich ist, was Verbrauchsnachteile und auch
Emissionsnachteile mit sich bringt, da bei jeder NOx-Regeneration
ein kleiner Schadstoffdurchbruch erfolgt, oder bei Inkaufnahme höherer NOx-Durchbrüche die
erforderliche Schadstoffkonvertierung nicht erreichbar ist.
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Erfindungsgemäß ist im Last-Drehzahl-Kennfeld
gemäß 3 zusätzlich der Bereich 15 vorgesehen,
in dem nur ein temporärer
Aufenthalt in einer Betriebsart vorgesehen ist, bei der sich NOx im
NOx-Speicherkatalysator einlagert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist um den Bereich 16, in dem der homogen-mager Betrieb
zugelassen ist, ein Lastgürtel 15 von
1 bis 4 bar Breite und/oder ein Drehzahlgürtel von max. 1000/min in das
Betriebsfenster 14 für
den stöchiometrisch
homogenen Betrieb eingefügt.
In diesem Bereich 15 ist für eine vorbestimmte Zeitdauer
von beispielsweise 0,5 s bis 20 s, insbesondere 2 s bis 5 s, der
homogen-mager Betrieb zugelassen. Bei Überschreiten dieses Zeitfensters,
d.h. wenn sich der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine
länger
als die vorbestimmte Zeitdauer in dem Bereich 15 befindet,
wird der homogen-mager Betrieb zugunsten des stöchiometrisch homogenen Betriebs
verlassen. Dieser Gürtel 15 ist im
wesentlichen wegen der hohen NOx-Rohemissionen für einen dauernden homogen-mager
Betrieb ungeeignet.
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Um den besonderen Vorteil der Erfindung darzulegen,
ist in den 3 und 4 beispielhaft ein Betriebsverlauf über Betriebspunkte 28, 30, 32, 34 und 36 dargestellt,
der mit einem entsprechenden Betriebsverlauf bei herkömmlichem
Last-Drehzahl-Kennfeld gemäß 1 und 2 verglichen wird. In 1 und 2 sind
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wie in
den 3 und 4. Nach längerem Magerbetrieb (28 bis 32)
wird die Lastgrenze für
homogen-mager Betrieb kurzzeitig überschritten (Betriebspunkt 34)
und anschließend befindet
sich der Betriebszustand der Brennkraftmaschine wieder im Betriebsfenster 18 für den Schichtbetrieb
(Betriebspunkt 36).
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Wie sich aus den 1 und 2 ergibt,
wird bei einem derartigen Betriebsverlauf am Betriebspunkt 34 sofort
der stöchiometrisch
homogen Betrieb angefordert. Da der NOx-Speicherkatalysator zu diesem Zeitpunkt
bereits eine gewisse NOx-Masse eingelagert hat, wird unmittelbar
eine NOx-Regeneration angefordert, da ohne diese NOx-Regeneration
im Betrieb mit Lambda = 1 die vorher eingelagerten Stickoxide (NOx)
weitgehend unkonvertiert wieder ausgetrieben würden. Die kurze Lastanforderung
bei 34 bewirkt somit einen längeren
Betrieb in einer Betriebsart mit NOx-Regeneration, wie durch eine
fette Linie angedeutet. Da jedoch der Betriebszustand der Brennkraftmaschine
unmittelbar nach der kurzen Lastanforderung bei 34 wieder in das
Betriebsfenster 18 für den
Schichtbetrieb fällt
und eine NOx-Regeneration wegen eines noch nicht gesättigten
NOx-Speicherkatalysators noch nicht notwendig gewesen wäre, führt die
erzwungene NOx-Regeneration zu einem emissions- und verbrauchsungünstigeren
Betrieb, da von den motorischen Parametern statt der NOx-Regeneration überwiegend
ein Betrieb im Mager- oder Schichtbetrieb möglich gewesen wäre.
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Im Vergleich mit 3 und 4 zeigt
sich, daß die
Erfindung hier deutliche Vorteile bietet. Die Leistungsanforderung
bei 34 führt
zu einem Wechsel des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine in
den Übergangsbereich 15 zwischen
Zulassung von homogen-mager Betrieb (Bereich 16) und stöchiometrisch
homogenen Betrieb (Bereich 14). Dadurch wird zunächst weiter
die Betriebsart homogen-mager fortgesetzt und nicht sofort der stöchiometrisch
homogenen Betrieb angefordert, wodurch es auch nicht zu einer NOx-Regeneration
kommt. Da die Lastanforderung bei 34 mit ca. 1,5 s zeitlich unter.
der für
den Bereich 15 vorbestimmten Zeitdauer bleibt, wird nicht
in den stöchiometrisch
homogenen Betrieb umgeschaltet. Vielmehr befindet sich der Betriebszustand
der Brennkraftmaschine bei 36 wieder im Bereich 18 für den Schichtbetrieb
und die Brennkraftmaschine wird dementsprechend im Schichtbetrieb
betrieben, da der NOx-Speicherkatalysator noch nicht vollständig gesättigt ist.
Insgesamt entfällt
ein Mehrverbrauch für einen
stöchiometrisch
homogenen Betrieb und die vorgezogene NOx-Regeneration. Auch das
Emissionsverhalten ist insgesamt günstiger, da wegen der sehr
kurzen Verweildauer im Bereich 15 die erhöhten NOx-Rohemissionen
noch nicht zu einer Übersättigung
des NOx-Speicherkatalysators und damit zu NOx-Durchbrüchen führen. Zusätzlich entfallen
die bei der NOx-Regeneration
anfallenden Emissionsspitzen.
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Wie der unmittelbare Vergleich der 3 und 1 ergibt, ist erfindungsgemäß im Last-Drehzahl-Kennfeld
zusätzlich
an einem Übergang
von einem ersten Bereich (Bereich 16) mit einer ersten
Betriebsart mit NOx-Einlagerung in den NOx-Speicherkatalysator (homogen-mager
Betrieb) zu einem zweiten Bereich (Bereich 14) mit einer
zweiten Betriebsart mit NOx-Abgabe aus dem NOx-Speicherkatalysator (stöchiometrisch
homogener Betrieb) ein dritter Bereich (Gürtel 15) vorgesehen,
in dem die erste Betriebsart (homogen-mager Betrieb) nur für eine vorbestimmte
Zeitdauer zugelassen ist. Erst bei Überschreiten dieser vorbestimmten
Zeitdauer, d.h., wenn sich der Betriebszustand der Brennkraftmaschine länger als
die vorbestimmte Zeitdauer in dem dritten Bereich (Gürtel 15)
befindet, wird von der ersten Betriebsart (homogen-mager Betrieb)
in die zweite Betriebsart (stöchiometrisch
homogener Betrieb) umgeschaltet. Der dritte Bereich (Gürtel 15)
liegt dabei in einem Bereich des Last-Drehzahl-Kennfeldes, in dem
eigentlich die erste Betriebsart (homogen-mager Betrieb) nicht zugelassen
wäre. Es
wird somit die harte Grenze zwischen den Bereichen 14 und 16 zugunsten
der ersten Betriebsart (homogen-mager Betrieb) aufgeweicht.
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Eine alternative Ausführungsform
der Erfindung ist in 5 dargestellt.
Diese illustriert wieder ein Last-Drehzahl-Kennfeld einer Brennkraftmaschine
(Motorkennfeld), wobei analog zu 3 auf
der horizontalen Achse 10 die Drehzahl und auf der vertikalen
Achse 12 das Motormoment (Nm) aufgetragen ist. Für jeden
Betriebspunkt dieses Motorkennfeldes ist erfindungsgemäß eine maximale
Verweildauer in der ersten Betriebsart mit NOx-Einlagerung in den
Speicherkatalysator (Schichtbetrieb und/oder homogen-mager Betrieb)
festgelegt, bevor die emissionssichere zweite Betriebsart (stöchiometrisch
homogener Betrieb) angefordert wird, wenn sich die Brennkraftmaschine
länger
als die Verweildauer an bzw. nahe dem Betriebspunkt oder in einem
entsprechenden Bereich des Motorkennfeldes befindet. Hierdurch werden
die nur mit gepunkteten Linien angedeuteten harten Grenzen zwischen
verschiedenen Bereichen des Motorkennfeldes mit unterschiedlicher Betriebsartenzulassung
aufgeweicht. So ist in dem dargestellten Beispiel an dem Betriebspunkt 38 für den Schichtbetrieb
und den homogen-mager Betrieb jeweils ein extrem hoher Wert eingetragen,
beispielsweise 100.000 Sekunden. Am Betriebspunkt 40 ist für den Schichtbetrieb
der Wert 0 Sekunden und für den
homogen-mager Betrieb wiederum beispielsweise 100.000 Sekunden eingetragen.
Der Wert "0 Sekunden" an einem Betriebspunkt
für eine
Betriebsart bedeutet dabei im wesentlichen, daß diese Betriebsart an dem
entsprechenden Betriebspunkt nicht zugelassen ist. Ein hoher Wert
für die
Venweildauer bedeutet, daß an
diesem Betriebspunkt die entsprechende Betriebsart uneingeschränkt zugelassen
ist. Am Betriebspunkt 42 ist für den Schichtbetrieb wieder
der Wert 0 Sekunden und für
den homogen-mager Betrieb beispielsweise der Wert 3 Sekunden eingetragen.
Eine entsprechende Anzahl derartiger Betriebspunkte im Motorkennfeld
erzeugt einen Bereich, in dem die erste Betriebsart nur temporär, d.h. maximal
für die
vorbestimmte Zeitdauer oder Verweildauer zugelassen wird. Zweckmäßigerweise
definieren die gestrichelten Linien Grenzen, an denen sich die vorbestimmten
Zeitdauern für
die ersten Betriebsarten (Magerbetrieb bzw. homogen-mager Betrieb) ändern. Jedoch
sind auch innerhalb dieser Grenzlinien Änderungen der vorbestimmten
Zeitdauern möglich.
So ist am Betriebspunkt 44 neben dem Wert 0 Sekunden für der Schichtbetrieb
ein vom Betriebspunkt 42 abweichender Wert für den homogen-mager
Betrieb von beispielsweise 7 Sekunden eingetragen. Am Betriebspunkt 46 ist
für den
Schichtbetrieb und den homogen-mager Betrieb jeweils der Wert 0 Sekunden
eingetragen.
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In beiden zuvor erläuterten
Alternativen ist die vorbestimmte Zeitdauer bzw. Verweildauer beispielsweise
kleiner oder gleich 80% desjenigen Zeitintervalls, welches zwischen
zwei aufeinander folgenden NOx-Regenerationen bei Betrieb mit erster Betriebsart
(Magerbetrieb: Schichtbetrieb und/oder homogen-mager Betrieb) liegt.
In konkreten Zahlen bedeutet dies einen Wert für die vorbestimmte Zeitdauer
bzw. Verweildauer von beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 s bis
20 s oder im Bereich zwischen 2 s bis 5 s.