DE10257172B4 - Method for operating an internal combustion engine with a flexible adaptation of the component protection design - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10), die eine Abgasanlage (12) mit Abgasreinigungssystem mit zumindest einem Katalysator (16, 18) aufweist, bei dem ein Motor-Lambdawert in Abhängigkeit von einer modellierten oder gemessenen Abgas- oder Bauteiletemperatur (TEMPKRIT) an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage (12) derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Motor-Lambdawert eingestellt wird, dass eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Abgas- oder Bauteiletemperatur (TEMPKRIT) an der wenigstens einen kritischen Stelle der Abgasanlage (12) einen vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Temperaturwert in Abhängigkeit der Dauer und/oder Höhe einer auf die Abgasanlage (12) ausgeübten Lebensdauer verkürzenden Temperaturbelastung festgelegt wird.A method for operating an internal combustion engine (10) which has an exhaust system (12) with an exhaust gas cleaning system with at least one catalytic converter (16, 18), in which an engine lambda value as a function of a modeled or measured exhaust gas or component temperature (TEMPKRIT) is at least a critical point of the exhaust system (12) is set to a temperature-dependent engine lambda value deviating from normal operation in such a way that an exhaust gas temperature is lowered when the determined exhaust gas or component temperature (TEMPKRIT) at the at least one critical point of the exhaust system (12) is a predetermined one Exceeds the temperature value, characterized in that the predetermined temperature value is determined as a function of the duration and / or level of a temperature load which shortens the service life of the exhaust system (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine having the features mentioned in the preamble of claim 1.
Zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen ist es allgemein üblich, das Abgas katalytisch zu reinigen. Dazu wird das Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases vornimmt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NOx) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NOx) gleichzeitig zu katalysieren.For the aftertreatment of exhaust gases from internal combustion engines, it is common practice to purify the exhaust gas catalytically. For this purpose, the exhaust gas is passed over at least one catalyst, which performs a conversion of one or more pollutant components of the exhaust gas. Different types of catalysts are known. Oxidation catalysts promote the oxidation of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), while reduction catalysts promote the reduction of nitrogen oxides (NO x ) of the exhaust gas. Furthermore, 3-way catalysts are used to simultaneously catalyze the conversion of the three aforementioned components (HC, CO, NO x ).
Katalysatoren von Verbrennungskraftmaschinen, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, altern durch Beaufschlagung mit hohen Temperaturen. Dadurch wird die Lightoff-Temperatur, das heißt die Temperatur, bei der 50% Schadstoffumsetzung erreicht wird, in Richtung höherer Temperaturen verschoben und die Spitzen-Konvertierungsrate nimmt gegenüber der bei einem ungeschädigten Katalysator ab. Die Spitzen-Konvertierungsrate liegt bei 3-Wege-Katalysatoren im homogen-stöchiometrischen Betrieb bei nahezu 100%. Mit steigender Temperatur nimmt die Katalysatordesaktivierung überproportional zu, die Expositionsdauer führt hingegen zu einer degressiven Katalysatoralterung.Catalysts of internal combustion engines, which are used for example in motor vehicles, age by exposure to high temperatures. As a result, the light-off temperature, that is, the temperature at which 50% pollutant conversion is achieved, is shifted in the direction of higher temperatures, and the peak conversion rate decreases compared to that in the case of an undamaged catalyst. The peak conversion rate for 3-way catalysts in homogeneous stoichiometric operation is almost 100%. With increasing temperature, the catalyst deactivation increases disproportionately, whereas the exposure time leads to a decreasing catalyst aging.
Zur Minderung der Katalysatoralterung ist es bekannt, die maximal zulässige Temperatur an verschiedenen Stellen des Abgassystems zu überwachen und durch Einstellung der Motorbetriebsparameter, insbesondere durch Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf vorgebbare Temperaturschwellen zu begrenzen, die je nach Verfahren allenfalls kurzfristig überschritten werden dürfen.To reduce the catalyst aging, it is known to monitor the maximum permissible temperature at various points of the exhaust system and limit by setting the engine operating parameters, in particular by adjusting the air-fuel ratio to specifiable temperature thresholds, which may be exceeded at most short-term depending on the method.
Aus
Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, dass die Auslegung dieser Bauteileschutzfunktion beziehungsweise die Festlegung der Temperaturschwellen unabhängig vom Fahrprofil während der Fahrzeuglebensdauer ist und somit als Worst-Case-Abstimmung auf hohe Anteile besonders katalysatorschädigender Fahrweise ausgelegt werden muss. Daraus resultiert ein unnötiger Mehrverbrauch, wenn das Fahrzeug nur gelegentlich in oder in nur schwach ausgeprägter katalysatorschädigender Fahrweise betrieben wird.A disadvantage of these methods, however, is that the design of this component protection function or the determination of the temperature thresholds is independent of the driving profile during the vehicle life and thus must be interpreted as a worst-case vote for high proportions particularly catalyst damaging driving. This results in an unnecessary additional consumption if the vehicle is operated only occasionally in or in only weakly catalyst-damaging driving.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Abgasanlage mit Abgasreinigungssystem aufweist, derart zu optimieren, dass eine nur gelegentliche oder eine nur schwach ausgeprägte katalysatorschädigende Betriebsweise zu keinem unnötigen Mehrverbrauch führt.The invention is therefore based on the object, a generic method for operating an internal combustion engine, which has an exhaust system with emission control system to optimize such that only occasional or only slightly pronounced catalyst damaging operation leads to no unnecessary extra consumption.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.This object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1.
Dazu ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, die eine Abgasanlage mit Abgasreinigungssystem mit zumindest einem Katalysator aufweist, bei dem ein Motor-Lambdawert in Abhängigkeit von einer modellierten oder gemessenen Abgas- oder Bauteiletemperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Motor-Lambdawert eingestellt, vorzugsweise abgesenkt, wird, dass eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Abgas- oder Bauteiletemperatur an der wenigstens einen Stelle der Abgasanlage einen vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, wobei der vorbestimmte Temperaturwert in Abhängigkeit der Dauer und/oder Höhe einer bereits auf die Abgasanlage ausgeübten Lebensdauer verkürzenden Temperaturbelastung festgelegt wird. Dadurch erfolgt eine flexible Anpassung der Bauteileschutzauslegung hinsichtlich der maximal zulässigen Abgas- und Katalysatortemperaturen, so dass aus einem katalysatorschonenden Fahrverhalten kein Mehrverbrauch resultiert.For this purpose, a method for operating an internal combustion engine is provided according to the invention, comprising an exhaust system with exhaust gas purification system having at least one catalyst, in which an engine lambda value depending on a modeled or measured exhaust gas or component temperature at least one critical point of the exhaust system deviates from normal operation set to a temperature-dependent engine lambda value, preferably lowered, that an exhaust gas temperature is lowered when the determined exhaust gas or component temperature at the at least one point of the exhaust system exceeds a predetermined temperature value, wherein the predetermined temperature value as a function of duration and / or height an already on the exhaust system exerted service life shortening temperature load is set. This results in a flexible adaptation of the component protection design with respect to the maximum permissible exhaust gas and catalyst temperatures, so that no additional consumption results from a catalyst-friendly driving behavior.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren an mehreren Stellen der Abgasanlage, vornehmlich im Bereich von einem oder auch mehreren Katalysatoren, die Temperaturbelastung ermittelt, da deren Schädigung zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen ist. Dabei können die vorbestimmten Temperaturwerte für unterschiedliche Stellen in der Abgasanlage voneinander abweichen.Preferably, in the method at several points of the exhaust system, primarily in the range of one or more catalysts, the temperature load is determined, since the damage is to prevent or at least slow down. In this case, the predetermined temperature values for different locations in the exhaust system may differ from one another.
Dazu wird eine Abgas- oder Bauteiletemperatur TEMPKRIT an zumindest einer Stelle der Abgasanlage gemessen oder auch modelliert, wobei zur Begrenzung des Rechenaufwandes und zur korrekten Erfassung der Temperaturbelastung vorzugsweise ein vergleichsweise langsames Zeitraster zur Ermittlung von Abgas- oder Bauteiletemperatur TEMPKRIT verwendet wird. So sind Messintervalle von 500–5000 ms und vorzugsweise von 1000–2000 ms vorgesehen.For this purpose, an exhaust gas or component temperature TEMPKRIT is measured at at least one point of the exhaust system or modeled, wherein the Limiting the computational effort and for the correct detection of the temperature load preferably a comparatively slow time grid is used to determine the exhaust gas or component temperature TEMPKRIT. Thus, measuring intervals of 500-5000 ms and preferably of 1000-2000 ms are provided.
Mit dieser Abgas- oder Bauteiletemperatur TEMPKRIT wird zunächst eine dimensionslose Kenngröße KG korreliert, die idealerweise mit steigender Abgas- oder Bauteiletemperatur TEMPKRIT überproportional ansteigt. Statt diesem Teilschritt des Verfahrens kann zur Begrenzung des Rechenaufwandes auch ein formelmäßiger Ansatz zur Ermittlung der Kenngröße KG gewählt werden. Dazu wird zunächst eine Temperaturschwelle TMXOS definiert oder experimentell ermittelt, bei der gerade noch keine oder eine allenfalls geringe Schädigung des Katalysatorsystems auftritt. Bei NOx-Speicherkatalysatoren beispielsweise beträgt diese Temperaturschwelle 740°C, gemessen im NOx-Speicherkatalysator. Die Kenngröße KG ergibt sich dann aus der Formel (I)
Die im vorhergehenden Schritt ermittelte Kenngröße KG wird anschließend in einen gewichteten Mittelwert KGF umgewandelt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Digital Lowpass, der mit der Formel (II)
Um die Bauteilebelastung optimal erfassen zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, ein schnelleres Hoch- als Herunterlernen des gewichteten Mittelwertes KGF vorzusehen. Dazu wird die Wertungskonstante m variabel gestaltet. Der Wertungskonstanten m wird ein höherer Wert zugewiesen, wenn die Kenngröße KG größer oder gleich dem gewichteten Mittelwert KGF ist, und ein niedrigerer Wert, wenn die Kenngröße KG kleiner als der gewichtete Mittelwert KGF ist. Dies erfolgt jeweils im Vergleich zum Verfahren mit der Wertungskonstante m als konstanter Größe.In order to be able to detect the component load optimally, it is preferably provided to provide a faster upshifting of the weighted average value KGF. For this purpose, the weighting constant m is made variable. The weighting constant m is assigned a higher value if the size KG is greater than or equal to the weighted average KGF, and a lower value if the size KG is smaller than the weighted average KGF. This is done in each case in comparison to the method with the weighting constant m as a constant size.
Wenn an mehreren Stellen der Abgasanlage Abgas- oder Bauteiletemperaturen TEMPKRIT berücksichtig werden sollen, werden die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte mehrfach parallel durchgeführt.If exhaust gas or component temperatures TEMPKRIT are to be taken into account at several points of the exhaust system, the method steps described above are carried out several times in parallel.
Anschließend wird die gefilterte Kenngröße KGF mit einer maximalen Bauteiletemperatur TMAXBT, die den vorbestimmten Temperaturwert darstellt, korreliert. Dabei sinkt die maximale Bauteiletemperatur TMAXBT mit steigendem gewichteten Mittelwert KGF. Auch dieser Schritt wird gegebenenfalls parallel für alle kritischen Stellen in der Abgasanlage durchgeführt.Subsequently, the filtered characteristic KGF is correlated with a maximum component temperature TMAXBT, which represents the predetermined temperature value. The maximum component temperature TMAXBT decreases as the weighted average KGF increases. This step may also be carried out in parallel for all critical points in the exhaust system.
Abschließend wird in bekannter Weise die maximale Bauteiletemperatur TMAXBT mit einer Motor-Lambdavorgabe korreliert oder die Motor-Lambdavorgabe wird über eine Differenz TEMPKRIT – TMAXBT geregelt. Bei mehreren kritischen Stellen in der Abgasanlage wird in bekannter Weise eine Minimalauswahl der maximalen Bauteiletemperatur TMAXBT beziehungsweise der Motor-Lambdavorgabe getroffen, um sicher an allen kritischen Stellen unterhalb der kritischen Temperatur zu bleiben.Finally, in a known manner, the maximum component temperature TMAXBT is correlated with an engine lambda input or the engine lambda input is controlled by a difference TEMPKRIT - TMAXBT. In the case of several critical points in the exhaust system, a minimum selection of the maximum component temperature TMAXBT or of the engine lambda input is made in a known manner in order to remain safely below the critical temperature at all critical points.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die maximale Bauteiletemperatur TMAXBT auf einen variablen Maximal- und/oder Minimalwert begrenzt, wobei vorzugsweise der Maximal- und Minimalwert mit einer direkt gemessenen oder indirekt prognostizierten Katalysatorschädigung korreliert werden.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the maximum component temperature TMAXBT is limited to a variable maximum and / or minimum value, wherein preferably the maximum and minimum values are correlated with a directly measured or indirectly predicted catalyst damage.
Zur Korrelation von Maximal- und Minimalwert mit einer Katalysatorschädigung wird in bekannter Weise eine Messung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatorsystems oder zumindest eines Katalysators durchgeführt. Alternativ kann, wie bei der Verwendung von NOx-Speicherkatalysatoren bekannt, die Mager-NOx-Speicherfähigkeit im Vergleich zu einem ungeschädigten Katalysatorsystem bestimmt werden. Ebenfalls ist in bekannter Weise eine Messung der durch katalytische Aktivität bedingten Temperaturerhöhung über den Katalysator im Vergleich zu einem unbeschichteten Monolithen oder einem ungeschädigten Katalysator möglich. Bei NOx-Speicherkatalysatoren kann als weiteres Kriterium die minimal und/oder maximal zulässige Magerbetriebstemperatur und/oder der maximal zulässige NOx-Massenstrom herangezogen werden.For correlation of maximum and minimum value with a catalyst damage, a measurement of the oxygen storage capacity of the catalyst system or at least one catalyst is carried out in a known manner. Alternatively, as known in the use of NO x storage catalysts, the lean NO x storage capability may be determined as compared to an undamaged catalyst system. Also, in a known manner, a measurement of the catalytic activity-induced increase in temperature over the catalyst compared to an uncoated monolith or an undamaged catalyst possible. In the case of NO x storage catalysts, the minimum and / or maximum permissible lean operating temperature and / or the maximum permissible NO x mass flow can be used as a further criterion.
Grundsätzlich gilt, dass mit Zunahme der gemessenen oder prognostizierten Katalysatorschädigung der Maximal- und Minimalwert von TMAXBT abgesenkt wird, wobei zur Gewährleistung optimaler Emissionssicherheit der Maximalwert stärker eingeschränkt wird als der Minimalwert. Vorzugsweise stellt der Minimalwert von TMAXBT einen Festwert dar.In principle, as the measured or predicted catalyst damage increases, the maximum and minimum values of TMAXBT are lowered, whereby the maximum value is more limited than the minimum value to ensure optimum emission safety. Preferably, the minimum value of TMAXBT represents a fixed value.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erst nach Eintritt einer Katalysatorschädigung Maßnahmen ergriffen. Um vorteilhafterweise schon vor Eintritt von Katalysatorschäden die Maximalbelastung zu begrenzen, wird nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine oder mehrere Stellen der Abgasanlage eine zweite kritische Temperaturschwelle TKHART definiert, die von der ersten Temperaturschwelle TMXOS nach oben und unten abweichen kann. In einen nicht-flüchtigen Summenzähler SUMTK wird nun bei jeder Berechnungsschleife die Differenz (TEMPKRIT – TKHART)P zu dem bereits gespeicherten Wert hinzuaddiert, falls TEMPKRIT > TEMPHART ist. Statt dessen kann auch das Produkt Abgasmassenstrom·(TEMPKRIT – TKHART)P aufaddiert werden. P liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,8 und 7, ideal zwischen 1 und 4, optimal zwischen 1,2 und 2.In the previously described embodiments of the method according to the invention are only after the occurrence of a catalyst damage measures taken. In order to advantageously limit the maximum load even before the occurrence of catalyst damage, a second critical temperature threshold TKHART is defined for one or more locations of the exhaust system according to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, which can deviate up and down from the first temperature threshold TMXOS. In a non-volatile totalizer SUMTK, the difference (TEMPKRIT - TKHART) P is added to the already stored value for each calculation loop, if TEMPKRIT> TEMPHART. Instead, the product exhaust gas mass flow · (TEMPKRIT - TKHART) P can be added. P is preferably between 0.8 and 7, ideally between 1 and 4, optimally between 1.2 and 2.
Der Maximal- und/oder Minimalwert der maximalen Bauteiletemperatur TMAXBT wird nun mit dem Wert aus dem Summenzähler SUMTK korreliert, wobei bei niedrigen Werten des Summenzählers SUMTK die Maximal- und Minimalwerte der maximalen Bauteiletemperatur TMAXBT zunächst vorzugsweise annähernd konstant bleiben oder allenfalls leicht fallen, mit zunehmenden Werten des Summenzählers SUMTK zunächst vorzugsweise progressiv und im weiteren Verlauf vorzugsweise degressiv fallen und bei sehr hohen Werten des Summenzählers SUMTK harten Untergrenzen entgegenlaufen.The maximum and / or minimum value of the maximum component temperature TMAXBT is now correlated with the value from the sum counter SUMTK, wherein at low values of the sum counter SUMTK the maximum and minimum values of the maximum component temperature TMAXBT initially preferably remain approximately constant or at best fall slightly, with increasing Values of the sum counter SUMTK initially preferably progressively and in the further course preferably fall degressive and run counter to very hard limits at very high values of the sum counter SUMTK.
Vorzugsweise wird der Wert des Summenzählers SUMTK durch Steuergeräte-Lesebeziehungsweise -Schreibvorrichtungen etwa beim Wechsel eines oder mehrerer Katalysatoren vermindert oder auf Null zurückgesetzt.Preferably, the value of the sum counter SUMTK is reduced or reset to zero by ECU reading or writing devices, such as when changing one or more catalysts.
Diese Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann alternativ oder zusätzlich zur gemessenen Katalysatorschädigung Berücksichtigung bei der Feststellung der maximalen Bauteiletemperatur TMAXBT finden. Bei mehreren kritischen Stellen in der Abgasanlage ist wiederum eine Minimalauswahl für die maximale Bauteiletemperatur TMAXBT zu treffen.This embodiment variant of the method according to the invention can, alternatively or additionally to the measured catalyst damage, be taken into account when determining the maximum component temperature TMAXBT. In the case of several critical points in the exhaust system, a minimum selection is again to be made for the maximum component temperature TMAXBT.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Der in
Dargestellt sind in
Bei dem in
Alternativ kann gemäß
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die maximale Bauteiletemperatur TMAXBT, wie in
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 1212
- Abgasanlageexhaust system
- 1414
- Abgaskanalexhaust duct
- 1616
- Vorkatalysatorprecatalyzer
- 1818
- Hauptkatalysatormain catalyst
- 20, 2220, 22
- Temperatursensortemperature sensor
- 2424
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 2626
- Steuereinheitcontrol unit
- KGKG
- Kenngrößeparameter
- KGFKGF
- gewichteter Mittelwertweighted average
- KGFnewKGFnew
- gewichtete Mittelwert eines aktuellen Arbeitsschrittsweighted average of a current work step
- KGFoldKGFold
- gewichtete Mittelwert eines vorangegangenen Arbeitsschrittsweighted average of a previous work step
- mm
- WertungskonstanteEvaluation constant
- SUMTKSUMTK
- nicht-flüchtiger Summenzählernon-volatile totalizer
- TEMPKRITTEMPKRIT
- Abgas- und BauteiletemperaturExhaust and component temperature
- TKHARTTKHART
- zweite kritische Temperaturschwellesecond critical temperature threshold
- TMAXBTTMAXBT
- maximale Bauteiletemperaturmaximum component temperature
- TMXOSTMXOS
- Temperaturschwelletemperature threshold
Claims (23)
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