DE10255488A1

DE10255488A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10255488A1
Application number: DE2002155488
Authority: DE
Inventors: Ingo Hein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-09
Also published as: JP2004176721A; FR2848252A1; ITMI20032205A1

Abstract

Es werden Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die einen in einem Abgassystem (24, 25, 28) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (29) enthält. Eine Steueranordnung (10) gibt verschiedene Betriebsarten (31, 32) vor, welche sich hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und eines NOx-Rohmassenstroms (27) unterscheiden. Vorgesehen ist die Ermittlung eines Brennstoffverbrauchunterschieds zwischen den Betriebsarten (31, 32). Aufgrund des Unterschieds legt eine Betriebsartenfestlegung (64) eine Betriebsart (31, 32) fest. Vorgesehen ist weiterhin wenigstens eine Korrekturgröße (43, 49, 54) zur Korrektur eines unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauchs (41) in wenigstens einer Betriebsart (31, 32).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
In der DE 197 39 848 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine beschrieben, das mehrere Betriebsarten der Brennkraftmaschine vorsieht. Die Betriebsarten unterscheiden sich im Wesentlichen im Brennstoffverbrauch und in der NOx-Rohemission vor einem NOx-Speicherkatalysator.
In einer ersten Betriebsart ist ein homogenes Füllen der Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen, um ein hohes Drehmoment bereitstellen zu können. In dieser Betriebsart liegt die Luftzahl λ wenigstens näherungsweise bei Eins. Durch die Wirkungsweise eines vorhandenen Dreiwegekatalysators ist in der ersten Betriebsart der NOx-Rohmassenstrom nach dem Dreiwegekatalysator derart gering, dass der NOx-Speicherkatalysator in den Abgasreinigungsprozess nicht eingebunden ist.
In wenigstens einer weiteren Betriebsart ist zeitweise ein Betrieb mit einer Luftzahl von λ > 1 vorgesehen, die eine Brennstoffverbrauchsreduzierung ergeben kann. In der weiteren Betriebsart sind zwei Betriebsphasen vorgesehen. In der ersten Betriebsphase wird die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl betrieben, die erheblich größer als 1 ist. Das Abgas enthält dann einen erhöhten NOx-Rohmassenstrom. Das NOx wird im NOx-Speicherkatalysator gespeichert. In der anschließenden zweiten Betriebsphase ist ein Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators vorzunehmen, um seine NOx- Speicherfähigkeit wieder herzustellen. Als Regeneriergas eignen sich Brennstoffbestandteile wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Regenerierung kann daher durch eine Verschiebung der Luftzahl λ auf einen Wert λ < 1, entsprechend einer Anfettung, bei der unverbrannte Brennstoffanteile auftreten, vorgenommen werden.
Die DE 197 39 848 A1 beschreibt weiterhin ein Modell des NOx-Rohmassenstroms, um den Einsatz eines speziellen NOx-Sensors zu vermeiden und um dennoch einen Schätzwert über den Füllzustand des NOx-Speicherkatalysators zur Verfügung zu haben.
In einem weiteren Schritt zur Verbesserung des vorbekannten Verfahrens kann ein Modell des NOx-Speicherkatalysators vorgesehen sein, um rechtzeitig das Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators einleiten zu können. Das Modell erlaubt die Abschätzung der zu erwartenden NOx-Speicherkapazität. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der DE 199 42 270 A1 beschrieben, die eine Gütefunktion für die Speicherung von NOx im NOx-Speicherkatalysator vorsieht. Das Modell bzw. die Gütefunktion des NOx-Speicherkatalysators berücksichtigt beispielsweise die Alterung oder eine Vergiftung des NOx-Speicherkatalysators durch Schwefel.
Katalysatoren weisen eine Fähigkeit zum Speichern des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs auf. Die Sauerstoffspeicherung erfolgt insbesondere bei einem mageren Verbrennungsvorgang, bei dem ein erheblicher Sauerstoffüberschuss gegenüber einer stöchiometrischen Verbrennung entsteht. Eine Sauerstoffabgabe aus dem Katalysator kann mit einem Luftmangel erreicht werden, der bei einer fetten Verbrennung mit einer Luftzahl λ < 1 auftritt. Für das abgasrelevante Verhalten, insbesondere in einer Betriebsart mit wechselnder Luftzahl, ist eine Kenntnis über den Sauerstofffüllstand des Sauerstoffspeichers zweckmäßig. In der DE 196 06 652 A1 ist ein Modell für den momentanen Sauerstofffüllgrad eines Katalysators beschrieben. Das Maß für den momentanen Sauerstofffüllgrad wird dazu verwendet, das Luft-/Kraftstoffverhältnis derart einzustellen, dass der Sauerstofffüllgrad des Katalysators auf einem konstanten mittleren Niveau gehalten werden kann.
Eine Brennkraftmaschine erzeugt in einem Kraftfahrzeug ein im Wesentlichen vom Fahrerwunsch beeinflussbares Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs. In der DE 198 51 990 A1 ist die Einstellung eines gewünschten Motormoments durch eine geeignete Berechnung von Stellgrößen, insbesondere zur Einstellung der Luft- und der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine angegeben. Beschrieben ist ein Kennfeld, das durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie eine relative Luftfüllung adressiert wird. Mit dem Kennfeld werden verschiedenen Betriebspunkten Drehmomente zugeordnet, die die Brennkraftmaschine unter Normbedingungen in den verschiedenen Betriebspunkten erzeugt. Es kann daher allgemein ein Kennfeld angegeben werden, in welchem der Brennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine hinterlegt ist.
Der Endung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, das zu einer Brennstoffverbrauchsreduzierung führen kann.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen in einem Abgassystem angeordneten NOx-Speicherkatalysator enthält, sieht zunächst vor, dass eine Steueranordnung verschiedene Betriebsarten vorgibt, welche sich hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und des NOx-Rohmassenstroms unterscheiden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein unkorrigierter erwarteter Brennstoffverbrauchsunterschied zwischen den Betriebsarten ermittelt wird. Vorgesehen ist wenigstens eine Korrekturgröße zur Korrektur des unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauchs. Eine Betriebsartfestlegung wählt dann in Abhängigkeit von einem korrigierten Brennstoffverbrauchsunterschied eine Betriebsart aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass eine Auswahl einer bestiminten Betriebsart nicht nur aufgrund eines vorgefundenen Betriebszustands der Brennkraftmaschine ausgewählt wird, sondern dass auch der korrigierte erwartete Brennstoffverbrauch Eingang in die Betriebsartenauswahl findet. Wesentlich ist insbesondere die wenigstens eine Korrekturgröße, die eine Steigerung der Genauigkeit bei der Ermittlung des Brennstoffverbrauchsunterschieds zwischen den einzelnen Betriebsarten sicherstellt. Bei dein erfindungsgemäßen Verfahren könnte beispielsweise der Fall auftreten, dass auf Grund des korrigierenden Eingriffs durch die wenigstens eine Korrekturgröße eine andere Betriebsart der Brennkraftmaschine ausgewählt wird, als sie ohne Korrektur ausgewählt worden wäre. Die wenigstens eine Korrekturgröße kann den für den beispielsweise für den Regeneriervorgang erforderlichen zusätzlichen Brennstoffverbrauch berücksichtigen, so dass sich eine zunächst angenommene Brennstoffverbrauchsreduzierung in der Praxis ins Gegenteil gewendet hätte.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die verschiedenen Betriebsarten eine erste Betriebsart enthalten, in welcher der NOx-Speicherkatalysators als funktionslos bezüglich der NOx-Reduzierung angesehen wird. Es findet weder ein NOx-Speichervorgang in nennenswertem Maße statt noch ist eine Regenerierung vorgesehen. Alternativ zur ersten Betriebsart ist wenigstens eine weitere Betriebsart vorgesehen, in der ein Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators vorgesehen ist.
Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei einem Ottomotor, wobei in der ersten Betriebsart vorzugsweise eine Luftzahl λ = 1 oder wenigstens näherungsweise Eins vorgegeben wird.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass in allen Betriebsarten ein Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere zum Betreiben von Dieselmotoren.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei der Ermittlung des Brennstoffverbrauchsunterschieds wenigstens eine Betriebskenngröße, vorzugsweise die Last und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, den unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße zu hinterlegen, wobei als Betriebskenngröße vorzugsweise eine solche Größe wie die Last und/oder die Drehzahl berücksichtigt wird, die der Steueranordnung zur Verfügung steht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass als Korrekturgröße der geschätzte NOx-Rohmassenstrom berücksichtigt wird. In Kenntnis des Rohmassenstroms kann der für die Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators zusätzlich benötigte Brennstoff berücksichtigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als Korrekturgröße die maximal einspeicherbare NOx-Masse berücksichtigt wird. Durch einen Bezug auf den geschätzten NOx-Rohmassenstrom kann eine geschätzte maximale Zeitdauer der Speicherphase berücksichtigt werden. Die maximal in den NOx-Speicherkatalysator einspeicherbare NOx-Masse hängt insbesondere von der Betriebstemperatur, Alterungs- und Vergiftungszustand des NOx-Speicherkatalysators ab.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass als Korrekturgröße der im NOx-Speicherkatalysator und ggf. in einem weiteren vorhandenen Katalysator gespeicherte Sauerstoff berücksichtigt wird. Diese Korrekturgröße ermöglicht deshalb die Berücksichtigung des Brennstoffverbrauchs bei einem Regeneriervorgang, der zusätzlich für das Sauerstoffausräumen aus dem wenigstens einen Katalysator benötigt wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Gewinnung einer Korrekturgröße vor, welche die Häufigkeit einer zeitlichen Änderung der Lastzustände der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Eine vorgesehene Dynamikermittlung ermittelt vorzugsweise eine durchschnittlich erreichbare Betriebsdauer, in welcher die Brennkraftmaschine mit einem Luftüberschuss betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung schließt die für die Durchführung benötigten Vorrichtungsteile ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise realisiert werden als Computerprogramm für die Steueranordnung, die zum Steuern der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Das Computerprogramm kann auf einem Datenträger vorhanden sein. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass das Computerprogramm über eine Datenfernübertragung, beispielsweise dem Internet, übertragen wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestalttungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Es zeigen:
1 eine Skizze einer von einer Steueranordnung beeinflussbaren Brennkraftmaschine, die ein Abgassystem enthält und
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine Steueranordnung 10, die in Abhängigkeit von unterschiedlichen Eingangssignalen ein Brennstoffzumesssignal 11 an eine Brennkraftmaschine 12 abgibt. Als Eingangssignale sind ein von einem Lastsensor 13 bereitgestelltes Lastsignal 14, ein von einem Drehzahlsensor 15 bereitgestelltes Drehzahlsignal 16, ein von einem ersten Lambdasensor 17 bereitgestelltes erstes Lambdasignal 18, ein von einem Temperatursensor 19 bereitgestelltes Temperatursignal 20 sowie ein von einem zweiten Lambdasensor 21 bereitgestelltes, zweites Lambdasignal 22 vorgesehen.
Der Lastsensor 13 ist an einem Ansaugsystem 23 der Brennkraftmaschine 12 angeordnet. Der Drehzahlsensor 15 ist der Brennkraftmaschine 12 zugeordnet. Der erste Lambdasensor 17 ist an einem ersten Abgassystemteil 24 angeordnet. Zwischen dem ersten Abgassystemteil 24 und einem zweiten Abgassystemteil 25 ist ein Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Zwischen dem zweiten Abgassystemteil 25, in welchem ein NOx-Rohmassenstrom 27 auftritt, und einem dritten Abgassystemteil 28 ist ein NOx-Speicherkatalysator 29 angeordnet. Der zweite Lambda-Sensor 21 ist am dritten Abgassystemteil 28 angeordnet. Die drei Abgassystemteile 24, 25, 28 bilden zusammen ein Abgassystem.
Eine Betriebsartenauswahl 30 legt in Abhängigkeit vom Lastsignal 14 und vom Drehzahlsignal 16 eine erste Betriebsart 31 oder wenigstens eine weitere Betriebsart 32 der Brennkraftmaschine 12 fest.
Die in 1 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:
Als Brennkraftmaschine 12 kann ein Diesel- oder Ottomotor vorgesehen sein. Die Betriebsartenauswahl 30 legt zumindest in Abhängigkeit vom Lastsignal 14 und/oder vom Drehzahlsignal 16 die erste oder eine weitere Betriebsart 31, 32 fest. Zusätzlich zum Lastsignal 14 und/oder Drehzahlsignal 16 können weitere Eingangsgrößen, wie beispielsweise die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 12 in der Betriebsartenauswahl 30 berücksichtigt werden.
Das Lastsignal 14 stellt der im Ansaugsystem 23 angeordnete Lastsensor 13 bereit, der beispielsweise als Luftmengen- oder Luftmassensensor ausgestaltet ist. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass das Lastsignal 14 anhand von anderen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine 12 in der Steueranordnung 10 ermittelt wird. Beispielsweise kann aus einer Stellung eines nicht näher gezeigten Fahrpedals und weiteren Signalen, wie beispielsweise dem Drehzahlsignal 16 ein dem Lastsignal 14 entsprechendes Lastsignal ermittelt werden.
Eine weitere Eingangsgröße, welche die Steueranordnung 10 zum Festlegen des Brennstoffzumesssignals 11 verarbeitet, ist das vom ersten Lambdasensor 17 bereitgestellte erste Lambdasignal 18. Der Lambdasensor 17 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel am ersten Abgassystemteil 24 angeordnet, das unmittelbar der Brennkraftmaschine 12 erfolgt. Der erste Lambdasensor 17 ist daher geeignet zum Erfassen der Luftzahl λ des von der Brennkraftmaschine 12 abgegebenen Abgases vor einer vorgesehenen Abgasnachbehandlung. Der erste Lambdasensor 17 ist vorzugsweise als ein Breitband-Lambdasensor realisiert, der eine Erfassung eines weiten Lambdabereichs ermöglicht.
In Abhängigkeit von der ausgewählten Betriebsart 31, 32 tritt ein unterschiedlicher NOx-Rohmassenstrom 27 im zweiten Abgassystemteil 25 auf. Verbunden mit einem Unterschied im NOx-Rohmassenstrom 27 ist ein unterschiedlicher Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 12.
Bei einem Ottomotor ist eine erste Betriebsart 31 denkbar, bei der die Luftzahl λ im Abgas wenigstens näherungsweise bei 1 liegt. In dieser ersten Betriebsart 31 kann die Brennkraftmaschine 12 ein maximales Drehmoment zur Verfügung stellen. Der Brennstoffverbrauch liegt in der ersten Betriebsart 31 im Allgemeinen höher als in einer weiteren Betriebsart 32. Dafür tritt ein vergleichsweise geringer NOx-Rohmassenstrom 27 auf. Der Dreiwegekatalysator 26 ist in der ersten Betriebsart 31 des Ottomotors in der Lage, sämtliche schädliche Abgaskomponenten weitgehend zu beseitigen. Der nach dem zweiten Abgassystemteil 25 angeordnete NOx-Speicherkatalysator 29 hat in der ersten Betriebsart 31 keine Reinigungsfunktion zu erfüllen. Gegebenenfalls tritt ein Regeneriervorgang auf, der aber hauptsächlich in der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 von Bedeutung ist.
Die wenigstens eine weitere Betriebsart 32 kann bei einem Ottomotor einen Betrieb mit einem Luftüberschuss vorgeben, der einer Luftzahl λ > 1 entspricht. In der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 wird im Allgemeinen eine Brennstoffverbrauchsreduzierung gegenüber der ersten Betriebsart 31 erzielt, wobei aber ein erhöhter NOx-Rohmassenstrom 27 auftritt. Die Unschädlichmachung des NOx kann unter bestiminten Umständen, die noch beschrieben werden, den Verbrauchsvorteil zunichte machen und sogar ins Gegenteil wenden.
Der NOx-Rohmassenstrom 27 könnte beispielsweise mit einem NOx-Sensor erfasst werden. Vorzugsweise wird der NOx-Rohmassenstrom in der Steueranordnung 10 mittels eines Modells geschätzt. Ein derartiges NOx-Rohmassenmodell ist beispielsweise in dem eingangs genannten Stand der Technik gemäß DE 197 39 848 A1 beschrieben, auf die deshalb ausdrücklich Bezug genommen wird.
In der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 ist der Dreiwegekatalysator 26 im Allgemeinen nicht mehr in der Lage, das vermehrt anfallende NOx in unschädliche Abgasbestandteile zu konvertieren. Diese Aufgabe übernimmt der NOx-Speicherkatalysator 29. Die Kapazität eines derartigen NOx-Speicherkatalysators 29 hängt zumindest vom Abgasmassenstrom, von seiner Betriebstemperatur, von seinem Alterungszustand, von einem Vergiftungszustand mit Fremdstoffen wie Schwefel sowie von weiteren Größen ab. Die Steueranordnung 10 ermittelt die Speicherkapazität vorzugsweise anhand eines Modells des NOx-Speicherkatalysators 29. Das Modell wird gegebenenfalls mit Hilfe eines anstelle oder zusätzlich zum zweiten Lambdasensor 21 vorgesehenen NOx-Sensor korrigiert. Das Modell berücksichtigt beispielsweise den NOx-Rohmassenstrom 27, das vom Temperatursensor 19 bereitgestellte Temperatursignal 20, den Abgasmassenstrom, eine Alterungs-/Vergiftungszustand sowie das vom zweiten Lambdasensor 21 bereitgestellte zweite Lambdasignal 22. Ein Modell eines NOx-Speicherkatalysators 29, bei dem die Speicherkapazität als eine Gütefunktion bezeichnet ist, kann aus der eingangs genannten DE 199 42 270 A1 entnommen werden, auf die daher ausdrücklich Bezug genommen wird. Wenn der NOx-Speicherkatalysator 29 mit NOx gefüllt ist, muss ein Regeneriervorgang eingeleitet werden, der den NOx-Speicherkatalysator 29 wieder für NOx aufnahmebereit macht.
In der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 der Brennkraftmaschine 12 tritt deshalb vorzugsweise ein Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators 29 auf. Das Regenerieren kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Betriebsart der Brennkraftmaschine 12 von dem zuvor vorliegenden Magerbetrieb auf einen Betrieb geändert wird, bei dem eine Luftzahl λ von mindestens Eins oder einem kleineren Wert auftritt. Insbesondere in einem Betrieb mit einer Luftzahl λ < 1 liegen unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vor, die der Dreiwegekatalysator 26 nicht mehr umsetzen kann, da der Konvertierungsbereich verlassen wird. Die Kohlenwasserstoffe stehen deshalb dem NOx-Speicherkatalysator 29 als Regeneriermittel zur Verfügung. Das Ende des Regeneriervorgangs kann beispielsweise der zweite Lambdasensor 21 detektieren, der bei einem beginnenden sogenannten Fettdurchbruch einen entsprechenden Sprung des zweiten Lambdasignals 22 bereitstellt. Der Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase sowie der damit verbundene Wechsel der Betriebsarten 31, 32 kann im Detail ebenfalls aus der bereits genannten DE 197 39 848 A1 entnommen werden.
Es sind auch unterschiedliche weitere Betriebsarten 32 vorgebbar, bei denen stets ein erhöhter NOx-Rohmassenstrom 27 auftritt, bei denen sich aber die Höhe des NOx-Rohmassenstroms 27 unterscheiden kann. Es muss hierbei lediglich sichergestellt werden, dass der NOx-Speicherkatalysator 29 die erforderliche NOx-Reduzierung im Abgas leisten kann. Es wird deshalb zumindest in größeren zeitlichen Abständen immer wieder ein Regeneriervorgang stattfinden müssen. Gegenüber dem bereits beschriebenen Regeneriervorgang, der durch die spezielle Steuerung der Brennkraftmaschine 12 eingeleitet wird, kann die Regenerierung durch Zugabe eines separaten Regeneriermittels, beispielsweise von Brennstoff, der unmittelbar einem Brennstoffvorrat entnommen werden kann, realisiert werden. Für einen solchen Betrieb ist insbesondere ein Dieselmotor geeignet. In diesem Fall kann gegebenenfalls die erste Betriebsart 31 entfallen. Dafür sind mehrere weitere Betriebsarten 32 vorgesehen, die sich im Wesentlichen durch einen unterschiedlich hohen NOx-Rohmassenstrom 27 unterscheiden.
Die unterschiedlichen Betriebsarten 31, 32 sind im Wesentlichen vorgesehen zu einer Reduzierung des Brennstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine 12. Grundsätzlich ist von einem reduzierten Brennstoffverbrauch in der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 auszugehen, da derselben Luftmasse eine geringe Brennstoffmasse zugeordnet wird. Bei der Bildung der Bilanz ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Regeneriervorgang des NOx-Speicherkatalysators 29 einen zusätzlichen Brennstoffverbrauch erforderlich macht. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 12 und des NOx-Speicherkatalysators 29 sowie in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch können Regenerierphasen bereits nach kurzen Zeitabständen erforderlich werden. Es könnte der Fall auftreten, dass aufgrund häufig erforderlicher Regenerierphasen sogar ein erhöhter Brennstoffverbrauch auftritt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Betriebsartenauswahl 30 hat im Wesentlichen die Aufgabe, bei der Betriebsartenauswahl den für die Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators 29 zusätzlich benötigten Brennstoffverbrauch zu berücksichtigen.
Die in 2 gezeigte Betriebsartenauswahl 30 enthält eine Verbrauchsermittlung 40, die anhand des Lastsignals 14 und/oder anhand des Drehzahlsignals 16 einen unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 41 ausgibt.
Der unkorrigierte erwartete Brennstoffverbrauch 41 wird in einem ersten Korrekturglied 42 durch eine erste Korrekturgröße 43 korrigiert. Die erste Korrekturgröße 43 ist beispielsweise der Brennstoffverbrauch während der Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators 29. Die erste Korrekturgröße 43 wird in einem ersten Multiplikationsglied 44 erhalten aus einem ersten Schätzsigna1 45, das den geschätzten NOx-Rohmassenstrom 27 angibt, und einem ersten Proportionalsignal 47, das den auf das im NOx-Speicherkatalysator 29 gespeicherte NOx bezogenen Kraftstoffverbrauch angibt.
Das erste Korrekturglied 42 gibt einen ersten korrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 47 an ein zweites Korrekturglied 48 ab, dem eine zweite Korrekturgröße 49 zugeführt wird, die einer geschätzten maximalen Zeitdauer der Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators 29 entspricht. Die zweite Korrekturgröße 49 wird von einer Minimalauswahl 65 bereit gestellt. Die Minimalauswahl 65 leitet entweder eine dritte Korrekturgröße 49a oder eine vierte Korrekturgröße 49b als zweite Korrekturgröße 49 weiter. Die dritte Korrekturgröße 49a stellt ein Divisionsglied 50 bereit, dem eine zweite Schätzgröße 51 und das erste Schätzsignal 45 zugeführt sind. Die vierte Korrekturgröße wird weiter unten näher beschrieben.
Das zweite Korrekturglied 48 gibt einen zweiten korrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 52 an ein drittes Korrekturglied 53 weiter, dem weiterhin eine fünfte Korrekturgröße 54 zugeführt ist, die dem Kraftstoffverbrauch für ein Sauerstoff-Ausräumen aus dem wenigstens einen Katalysator 26, 29 entspricht. Die fünfte Korrekturgröße 54 stellt ein zweites Multiplikationsglied 55 bereit, dem ein zweites Proportionalsignal 56 sowie ein Sauerstoffausräum-Gesamtsignal 57 zugeführt werden. Das Sauerstoffausräum-Gesamtsignal 57 stellt ein Addierer 58 bereit, dem ein drittes Schätzsignal für den Sauerstoffgehalt des Dreiwegekatalysators 26 und ein viertes Schätzsignal 60 für den Sauerstoffgehalt des NOx-Speicherkatalysators 29 zugeführt werden. Falls weitere Katalysatoren vor dem NOx-Speicherkatalysator 29 vorhanden sind, werden die zugehörigen Sauerstoffspeicher ebenfalls hinzuaddiert.
Das dritte Korrekturglied 53 gibt einen dritten korrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 61 an ein zweites Divisionsglied 62 ab, dem weiterhin die zweite Korrekturgröße 49 zugeführt wird, welche die maximale Zeitdauer der Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators 29 widerspiegelt. Vorgesehen ist eine Division des dritten korrigierten erwarteten Brennstoffverbrauchs 61 durch die zweite Korrekturgröße 49. Das zweite Divisionsglied 62 gibt ein Brennstoffverbrauchs-Unterschiedsignal 63 an eine Betriebsartenfestlegung 64 weiter, welche die unterschiedlichen Betriebsarten 31, 32 festlegt. Zusätzlich zum Brennstoffverbrauchs-Unterschiedsignal 63 berücksichtigt die Betriebsartenfestlegung 64 ein Dynamiksignal 65, das eine Dynamikermittlung 66 ermittelt aus einem Umschaltsignal 67, welches die Verbrauchsermittlung 40 bereitstellt.
Die Betriebsartenauswahl 30 arbeitet folgendermaßen:
Zunächst wird davon ausgegangen, dass die Verbrauchsermittlung 40 mit dem unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 41 einen unkorrigierten erwarteten Minderverbrauch der wenigstens einen weiteren Betriebsart 32 gegenüber der ersten Betriebsart 31 bereitstellt.
Die Verbrauchsermittlung 40 kann die unterschiedlichen Brennstoffverbräuche in Kennfeldern hinterlegt enthalten, die den unterschiedlichen Betriebsarten 31, 32 entsprechen, und die in Abhängigkeit von dem Lastsignal 14 und/oder dem Drehzahlsignal 16 ausgewählt werden. Zur Durchführung dieser Aufgabe enthält die Verbrauchsermittlung 40 beispielsweise einen Entscheider, der in Abhängigkeit von dem Lastsignal 14 und/oder dem Drehzahlsignal 16 die Betriebsart vorab festlegt. Anstelle des Lastsignals 14 und/oder des Drehzahlsignals 16 können weitere oder andere Signale vorgesehen sein, anhand derer der Verbrauch ermittelt wird.
Der unkorrigierte erwartete Brennstoffverbrauch 41, der also dem erwarteten Minderverbrauch entsprechen soll, wird erfindungsgemäß durch wenigstens eine Korrekturgröße 43, 49, 54 korrigiert, die den erwarteten Verbrauchsvorteil in einer der weiteren Betriebsarten 32 gegenüber der ersten Betriebsart 31 auf einen unter den gegebenen Betriebsbedingungen tatsächlich zu erwartenden Brennstoffverbrauchsvorteil reduziert.
Als erste Korrekturgröße 43 ist der Brennstoffverbrauch für den NOx-Regeneriervorgang im NOx-Speicherkatalysator 29 vorgesehen. Die Einheit der ersten Korrekturgröße 43 kann in mg/s, entsprechend einem zeitbezogenen Brennstoffverbrauch angegeben werden. Die erste Korrekturgröße 43 stellt das erste Multiplikationsglied 44 bereit, welches die erste Korrekturgröße aus dem ersten Schätzsignal 45 und dem ersten Proportionalsignal 46 durch Multiplikation bereitstellt. Das erste Schätzsignal 45 entspricht dem geschätzten NOx-Rohmassenstrom 27, wobei hinsichtlich der Vorgehensweise zur Schätzung des NOx-Rohmassenstroms auf die bereits genannte DE 197 39 848 A1 zurück gegriffen werden kann. Das erste Proportionalsignal 46 entspricht dem auf das gespeicherte NOx bezogenen Brennstoffverbrauch in der Einheit mg/mg. Der Zahlenwert des ersten Proportionalsignals hängt von dem im NOx-Speicherkatalysator 29 verwendeten Material zum Speichern des NOx ab. Unter Zugrundelegung von Bariumoxid kann die vereinfachte Reduktionsreaktion folgendermaßen angegeben werden: Ba(NO₃)₂ → BaO + N₂ + 2,5 O₂
Nach diesem Beispiel müssen für ein Mol NO₂ 1,25 Mol O₂ umgesetzt werden:
46 g/mol: 1,25*32g/mol
Pro Gramm NO₂ müssen folglich 0,8696 g O₂ umgesetzt werden. Letztlich ergibt sich ein Zahlenwert von 0,2537 g Brennstoff/g NO₂.
Das erste Korrekturglied 42 gibt den ersten korrigieren erwareten Brennstoffverbrauch in der Einheit mg/s an das zweite Korrekturglied 48 ab, das eine Verknüpfung mit der zweiten Korrekturgröße 49 zum zweiten korrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 52 vornimmt. Die zweite Korrekturgröße 49 ist die maximale Zeitdauer der Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators 29. Die Minimalauswahl 65 leitet entweder die dritte oder die vierte Korrekturgröße 49a, 49b, als dritte Korrekturgröße 49 weiter, je nachdem, welche den kleineren Wert aufweist. Die dritte Korrekturgröße 49a ermittelt das Divisionsglied 50 durch Division des zweiten Schätzsignals 51 durch das erste Schätzsignal 45. Das zweite Schätzsignal 51 entspricht der maximal speicherbaren NOx-Masse im NOx-Speicherkatalysator 29 in der Einheit mg. Die zweite Schätzgröße 51 hängt unter anderem vom NOx-Rohmassenstrom 27 ab, mit dem der NOx-Speicherkatalysator 29 beaufschlagt wird. Mit der Division wird das dritte Korrektursignal 49a erhalten, das die maximale Zeitdauer der Speicherphase widerspiegelt. Als weitere, im gezeigten Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellten Einflussgrößen auf die maximale Zeitdauer der Speicherphase können insbesondere das vom Temperatursensor 19 bereitgestellte Temperatursignal 20 sowie der Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators 29 vorgesehen sein. Ein weiterer Einfluss hat die Vergiftung des NOx-Speicherkatalysators 29, die insbesondere durch Schwefel bedingt ist, der im Brennstoff enthalten sein kann. Das dem zweiten Schätzsignal 51 zugrunde liegende Modell kann beispielsweise der bereits genannten DE 199 42 270 A1 entnommen werden. Durch Multiplikation der zweiten Korrekturgröße 49 mit der Einheit s ergibt sich der zweite korrigierte erwartete Brennstoffverbrauch 52 als Brennstoffmasse in der Einheit mg.
Die fünfte Korrekturgröße 54 berücksichtigt den in den Katalysatoren 26, 29 gespeicherten Sauerstoff, der in einer Betriebsart 31, 32, in welcher ein Luftüberschuss gegenüber einer stöchiometrischen Verbrennung auftritt, in den Katalysatoren 26, 29 gespeichert wird. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Katalysatoren 26, 29 hängt von dem verwendeten aktiven Material ab. Weiterhin hängt die Sauerstoffspeicherfähigkeit von der effektiven Katalysatoroberfläche, der Katalysatortemperatur und dem Abgasmassenstrom ab. Sofern ein Regenerieren durch einen Fettbetrieb in der Brennkraftmaschine 12 vorgenommen werden soll, bei dem ein Sauerstoffmangel und gleichzeitig ein Kohlenwasserstoffüberschuss entsteht, muss der in den Katalysatoren 26, 29 gespeicherte Sauerstoff zunächst ausgeräumt werden, da die für die Regenerierung benötigten Kohlenwasserstoffverbindungen zunächst durch den vorhandenen Sauerstoff oxidiert werden. Das Sauerstoffspeichervermögen der Katalysatoren 26, 29 kann beispielsweise gemessen werden. Eine bevorzugte Alternative sieht eine Modellbildung des Sauerstoffgehalts der Katalysatoren 26, 29 vor. Ein solches Modell kann der bereits genannten DE 196 06 652 A1 entnommen werden.
Der für die Ausräumung der Katalysatoren 26, 29 benötigte Brennstoffbedarf kann folgendermaßen berechnet werden: Ein Brennstoff für Ottomotoren mit einer Oktanzahl von 95 hat beispielsweise einen Wasserstoffgehalt von 14,285 % und einen Kohlenstoffgehalt von 85,715 %. Daraus kann ein Sauerstoffbedarf für die Sauerstoff-Reduktion berechnet werden gemäß:
so dass sich ein sauerstoffbezogener Brennstoffbedarf ergibt zu:
0,2917 g Brennstoff/ g Sauerstoff.
Auf diesen Zahlenwert ist das zweite Proportionalsignal 55 festgelegt, wobei die Einheit mg/mg ist. Zur Berücksichtigung der für die Ausräumung des Sauerstoffs benötigten Brennstoffbedarfs sowohl für den Dreiwegekatalysator 26 als auch für den NOx-Speicherkatalysator 29 ist der Addierer 58 vorgesehen, der das dritte und vierte Schätzsignal 59, 60 für die Sauerstoffgehalte der Katalysatoren 26, 29 addiert. Die fünfte Korrekturgröße 54 entspricht daher dem Brennstoffverbrauch für einen Sauerstoffausräumvorgang in der Einheit mg.
Als dritter korrigierter erwarteter Brennstoffverbrauch 61 steht demnach im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Brennstoffverbrauchsersparnis in der Einheit mg für eine Betriebsart 32, die einen Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators 29 vorsieht, zur Verfügung. Um auf einen zeitbezogenen Brennstoffminderverbrauch zu kommen, wird der dritte korrigierte erwartete Brennstoffverbrauch 61 im zweiten Divisionsglied 62 durch die zweite Korrekturgröße 49 dividiert, die der maximalen Zeitdauer der Speicherphase entspricht.
Das daraus resultierende, nunmehr zeitbezogene Brennstoffverbrauchs-Unterschiedsignal 63 wird der Betriebsartenfestlegung 64 zugeführt, die daraufhin entscheiden kann, ob sich eine Änderung der Betriebsart von beispielsweise der ersten Betriebsart 31 auf eine der weiteren Betriebsarten 32 überhaupt lohnt oder nicht. Die Entscheidung zur Auswahl einer Betriebsart 31, 32 erfolgt deshalb nicht mehr nur anhand beispielsweise des Lastsignals 14 und/oder des Drehzahlsignals 16 und/oder beispielsweise eines Fahrerwunsches, sondern es wird erfindungsgemäß wenigstens die eine Korrekturgröße 43, 49, 54 zur Abschätzung einer Brennstoffverbrauchseinsparung mit berücksichtigt.
Bei der Ermittlung des Brennstoffverbrauchsunterschieds zwischen Betriebsarten 31, 32 ist zu beachten, dass bei einem Wechsel von einer weiteren Betriebsart 32 mit Luftüberschuss in die erste Betriebsart 31 mit einer Luftzahl Lambda von wenigstens näherungsweise Eins stets ein Regeneriervorgang des NOx-Speicherkatalysators 29 erforderlich sein kann. Die dritte Korrekturgröße 49a würde in dieser Situation eine zu lange maximale Zeitdauer der Speicherphase ausgeben, entsprechend einem zu hohen Brennstoffverbrauchsvorteil. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher die Gewinnung der vierten Korrekturgröße 49b vor, welche die Dynamikermittlung 66 anhand des ihr zugeführten Umschaltsignals 67 bereitstellt. Die Dynamikermittlung 66 bewertet beispielsweise die Häufigkeit einer zeitlichen Änderung der Lastzustände. Insbesondere ermittelt die Dynamikermittlung 66 die sich im Betrieb der Brennkraftmaschine 12 durchschnittlich einstellende Magerzeit, in welcher die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss betrieben wird. Die vierte Korrekturgröße 49b entspricht einer statistisch ermittelten durchschnittlichen Magerzeit, entsprechend einer maximalen Zeitdauer der Speicherphase. Bei der Ermittlung der vierten Korrekturgröße 49b können, wie bei der Ermittlung der dritten Korrekturgröße 49a, Schätzwerte für die maximal speicherbare NOx-Masse und der NOx-Rohmassenstrom 27 berücksichtigt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verbrauchsermittlung 40 anstelle des beschriebenen unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauchs-Unterschied für mehrere Betriebsarten 31, 32 jeweils ein Signal für einen erwarteten Brennstoffverbrauch bereitstellt. Hierbei kann es sich wieder um einen Differenzverbrauch zwischen Betriebsarten 31, 32 oder um den absoluten Verbrauch handeln. Wenigstens ein Korrekturglied 42, 48, 53 sowie wenigstens eine Korrekturgröße 43, 49, 54 ist in dieser Ausgestaltung für jedes dieser Signale vorgesehen, so dass nach der Korrektur, welche zu mehreren dritten korrigierten erwarteten Brennstoffverbräuchen führt, eine Auswahlanordnung zur Auswahl des günstigsten Ergebnisses vorgesehen sein muss. Sofern anstelle einer Brennstoffverbrauchsdifferenz die absoluten erwarteten Brennstoffverbräuche betrachtet werden, enthält die dann benötigte Auswahl eine oder mehrerer Differenzbildungen. Weiterhin ist im Falle der Bereitstellung von absoluten Verbräuchen durch die Verbrauchsermittlung 40 darauf zu achten, dass die im ersten und dritten Korrekturglied 42, 53 vorgenommene Korrektur Vorzeichenrichtig vorgenommen wird. Im zuvor ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel ist sowohl das erste als auch das dritte Korrekturglied 42, 53 als Subtrahieren zu realisieren, da von dem unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch 41, der einen Brennstoffminderverbrauch angibt, die Korrekturgrößen 43, 49, 54 vermindernd wirken, während bei absoluten Verbräuchen Additionsglieder vorzusehen sind, da sich die Verbräuche jeweils erhöhen.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für die Steuerung der Brennkraftmaschine 12 vorgesehen ist, die vorzugsweise in einem nicht näher gezeigten Kraftfahrzeug eingebaut ist.
Dabei ist auf dem, insbesondere als Speichermedium ausgebildeten Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeicherten Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Speichermedium in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Das Programm kann beispielsweise unmittelbar auf dem Speichermedium befindlich angeboten werden. Eine andere Möglichkeit des Verbreitens bietet eine Datenfernübertragung wie beispielsweise das Internet.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (12), die einen in einem Abgassystem (24, 25, 28) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (29) enthält, mit einer Steueranordnung (10), die verschiedene Betriebsarten (31, 32) vorgibt, welche sich hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und eines NOx-Rohmassenstroms (27) unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffverbrauchsunterschied zwischen den Betriebsarten (31, 32) ermittelt wird, dass eine Betriebsartenfestlegung (64) in Abhängigkeit von einem Brennstoffverbrauchs-Unterschiedsignal (63) eine Betriebsart (31, 32) auswählt und dass wenigstens eine Korrekturgröße (43, 49, 54) vorgesehen ist zur Korrektur des Brennstoffverbrauchs in wenigstens einer Betriebsart (31, 32).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Betriebsart (31) vorgesehen wird, in welcher ein Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators (29) nicht vorgenommen wird, und dass wenigstens eine weitere Betriebsart (32) vorgesehen wird, welche einen Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators (29) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Betriebsarten (31, 32) ein Wechsel zwischen einer Speicherphase und einer Regenerierphase des NOx-Speicherkatalysators (29) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennkraftmaschine (12) ein Ottomotor vorgesehen ist und dass als erste Betriebsart (31) ein Betreiben des Ottomotors mit einer Luftzahl λ von wenigstens näherungsweise Eins vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrauchsermittlung (40) einen unkorrigierten erwarteten Brennstoffverbrauch (41) aus wenigstens einem Lastsignal (14) und/oder einem Drehzahlsignal (16) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Korrekturgröße (43) ein für die Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators (29) erforderlicher Brennstoffverbrauch berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Korrekturgröße (49) die maximale Zeitdauer der Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators (29) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dynamikerkennung (66) vorgesehen ist, welche aus der Häufigkeit eines Wechsels von Betriebszuständen (31, 32) eine durchschnittliche Zeitdauer des Betriebs der Brennkraftmaschine (12) mit einer Luftzahl λ > 1 ermittelt und welche eine dritte Korrekturgröße (49b) ermittelt, die einer Minimalauswahl (65) zugeführt wird, welche die zweite Korrekturgröße (49) bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fünfte Korrekturgröße (54) der Brennstoffverbrauch für ein Sauerstoffausräumen aus wenigstens dem NOx-Speicherkatalysator (29) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.