In der heutigen Fahrzeugtechnik werden
Ottomotoren als Brennkraftmaschinen mit einer Benzin-Direkteinspritzung
anstatt einer konventionellen Saugrohreinspritzung bevorzugt, da
derartige Brennkraftmaschinen gegenüber den herkömmlichen
Ottomotoren deutlich mehr Dynamik aufweisen, bezüglich Drehmoment und Leistung
besser sind und gleichzeitig eine Verbrauchssenkung um bis zu 15
% ermöglichen.
Möglich
macht dies vor allem eine sog. Schichtladung im Teillastbereich,
bei der nur im Bereich der Zündkerze
ein zündfähiges Gemisch
benötigt
wird, während
der übrige
Brennraum mit Luft befällt
wird. Da herkömmliche
Brennkraftmaschinen, die nach dem Saugrohrprinzip arbeiten, bei
einem derartig hohem Luftüberschuss,
wie er bei der Benzin-Direkteinspritzung vorliegt (Lambda > 1,4), nicht mehr zündfähig sind,
wird bei diesem Schichtlademodus das Kraftstoff-Gemisch um die zentrale
im Brennraum positionierten Zündkerze
konzentriert, während
sich in den Randbereichen des Brennraums reine Luft befindet. D.
h., dass lediglich dieser Ge mischballen einen Lambdawert von in
etwa gleich 1 aufweist. Um das Kraftstoff-Gemisch um die zentral im
Brennraum positionierte Zündkerze
herum zentrieren zu können,
ist eine gezielte Luftströmung
im Brennraum erforderlich, eine sog. Tumbleströmung. Dazu wird im Brennraum
eine intensive, walzenförmige
Strömung
ausgebildet und der Kraftstoff erst im letzten Drittel der Kolbenaufwärtsbewegung
eingespritzt. Durch die Kombination von gezielter Luftströmung und
spezieller Geometrie des Kolbens der z. B. über eine ausgeprägte Kraftstoff-
und Strömungsmulde
verfügt,
kann der besonders fein zerstäubte
Kraftstoff somit in einem Gemischballen optimal um die Zündkerze
herum konzentriert und sicher entflammt werden. Für die jeweils
optimale Anpassung der Einspritzparameter (Einspritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck, etc.)
sorgt die Motorsteuerung bzw. das Motorsteuergerät.
Derartige Brennkraftmaschinen können entsprechend
lange im Magerbetrieb betrieben werden, was sich, wie dies oben
bereits dargelegt worden ist, positiv auf den Kraftstoffverbrauch
insgesamt auswirkt. Dieser Magerbetrieb bringt jedoch den Nachteil mit
sich, dass eine besonders große
Menge von Stickoxiden (NOx) produziert wird,
die vom 3-Wege-Katalysator nicht mehr vollständig reduziert werden kann.
Um die Stickoxid-Emissionen im Rahmen vorgeschriebener Grenzwerte,
z. B. des Euro-IV-Grenzwertes zu halten, werden in Verbindung mit
derartigen Brennkraftmaschinen regelmäßig Stickoxid-Speicherkatalysatoren
eingesetzt, mit denen die Stickoxid-Emissionen dadurch reduziert
werden können,
dass die Stickoxide in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert
werden. Um die Stickoxide im Stickoxid-Speicherkatalysator einspeichern
zu können,
ist eine bestimmte Menge von Sauerstoff erforderlich, da die Stickoxide
in Verbindung mit Sauerstoff am Edelmetall des Stickoxid-Speicherkatalysators
durch Reaktion mit Sauerstoff oxidiert und Stickstoffdioxid (NO2) bildet. Das Stickstoffdioxid reagiert
anschließend
mit im Stickoxid-Speicherkatalysator
eingelagerten Metalloxiden, die als Speichermaterialien verwendet
werden, unter Bildung eines entsprechenden Speichermaterial-Nitrates.
Aufgrund der im mageren Abgasstrom vorhandenen hohen Luft- und damit
Sauerstoffmenge, kann diese Reduktion der Stickoxide sehr gut und
effektiv durchgeführt
werden. Da diese Reduktionsreaktion jedoch nicht katalytisch sondern
stöchiometrisch
verläuft,
wird das Speichermaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators dadurch
verbraucht. Mit zunehmender gespeicherter Stickoxidmenge sinkt die
Effektivität
der Nitratbildung ab. Es wird ein Sättigungszustand erreicht. Zur
Aufrechterhaltung einer hohen Speichereffektivität muss daher das Speichermaterial
periodisch regeneriert werden. Dazu schaltet man kurzfristig auf
unterstöchiometrischen,
d. h. fetten Motorbetrieb um, bei dem die Brennkraftmaschine mit
einem Luftmangel betrieben wird. Unter derartigen fetten Betriebsbedingungen
ist die Temperaturstabilität
des Nitrates geringer als im Magerbetrieb, so dass es zu einem Zerfall
des Nitrates kommt. Das dabei freigesetzte Stickoxid (NO) wird anschließend mit
Hilfe der unter fetten Betriebsbedingungen ebenfalls vorhanden Reduktionsmittel
Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonooxid (CO) zu Stickstoff konvertiert.
Gegen Ende der Entladephase ist ein Großteil des eingespeicherten
Stickoxids reduziert und immer weniger des Reduktionsmittels trifft
auf Stickoxid, das es zu Sauerstoff und Stickstoff reduzieren kann.
Deshalb steigt gegen Ende der Entladephase der Anteil an Reduktionsmittel
in dem Abgas hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator an. Durch eine
entsprechende Analyse des Abgases hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator
mittels z. B. einem Sauerstoff-Sensor, kann dann das Ende der Entladephase
eingeleitet werden und wieder auf den Magerbetrieb umgeschalten
werden.
Bei einem allgemein bekannten, gattungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird
diese mit einem ersten lastabhängigen
Betriebsbereich als geschichteten Magerbetriebsbereich betrieben,
in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und
damit einem Sauerstoffüberschuss
aufweisenden geschichteten mageren Gemisch betrieben wird, und in
dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen
Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden. Weiter kann
die Brennkraftmaschine hier mit einem zweiten lastabhängigen Betriebsbereich
als homogenen Betriebsbereich betrieben werden, in dem die Brennkraftmaschine
mit einem im wesentlichen stöchiometrischen
homogenen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird. Die Wahl des Betriebsbereiches
und damit das Umschalten zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich
und dem homogenen Betriebsbereich wird von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit
von einer betriebsbedingten Last- und/oder Drehzahlanforderung bei Erreichen
einer last- und/oder drehzahlabhängigen Umschaltgrenze
vorgenommen.
Konkret wird hier im geschichteten
Magerbetriebsbereich, wie dies bereits eingangs erläutert worden
ist, die Brennkraftmaschine mit einem Lambda von in etwa 1,4 oder
größer und
damit einem erheblichen Luftüberschuss
betrieben. In diesem geschichteten Magerbetriebsbereich können Motor-Drehmomente
gefahren werden, die in etwa einem Mitteldruck von ca. 4 bar entsprechen.
Bei der Anforderung eines höheren
Momentes muss der geschichtete Magerbetriebsbereich verlassen werden, wodurch
vom Motorsteuergerät
in den homogenen Betriebsbereich umgeschalten wird. Wie Untersuchungen
gezeigt haben, ist bei einer derartigen allgemein bekannten Betriebsweise
das Kraftstoffeinsparpotential insbesondere in Verbindung mit einer
dynamischen Fahrweise, wie z. B. im Stadtverkehr, nicht zufriedenstellend.
Dies beruht zum Teil darauf, dass bei dieser Betriebsweise ein Vielzahl
von Stickoxid-Speicherkatalysatorentladungen durchgeführt werden
muss, die zu einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch führen,
so dass der durch den Magerbetrieb eingefahrene Kraftstoffgewinn
oftmals zu einem Großteil
durch die Entladungen kompensiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs,
insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, mit dem in
Verbindung mit einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine eine gute
Kraftstoffeinsparung möglich
ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß Anspruch 1 wird der geschichtete Magerbetriebsbereich
zu einem homogen-mageren Betriebsbereich erweitert, in dem die Brennkraftmaschine
vor dem Umschalten in den homogenen Betriebsbereich mit einem mageren
Gemisch betreibbar ist, das weniger Luftüberschuss und damit einen kleineren
Lambdawert aufweist als das Gemisch im geschichteten Magerbetriebsbereich.
Weiter wird die lastabhängige
Umschaltgrenze zwischen dem erweiterten Magerbetriebsbereich und
dem homogenen Betriebsbereich in Abhängigkeit von einem im Abgasstrom
eine bestimmte minimale Restsauerstoffkonzentration zur Verfügung stellenden
Lambdawert des Gemisches so festgelegt, dass mit der minimalen Restsauerstoffkonzentration
noch eine Einspeicherung und eine Halten von Stickoxiden im Stickoxid-Speicherkatalysator
durchführbar
ist.
Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Betriebsweise
wird die Brennkraftmaschine auch bei einer sehr dynamischen Fahrweise,
wie dies insbesondere im Stadtverkehr gegeben ist, wesentlich öfter im Magerbetriebsbereich
gefahren, als dies bei der gattungsgemäßen Betriebsweise des Standes
der Technik der Fall ist, da das Umschalten von dem Magerbetriebsbereich
in den homogenen Betriebsbereich hinausgezögert wird. Dabei wird bei einer
derartigen Betriebsweise der Brennkraftmaschine im Magerbetriebsbereich
zudem vermieden, dass der Restsauerstoff im Abgas bei Beschleunigungen
und dadurch erhöhten
Lastanforderungen unter ein Maß fallen kann,
bei dem keine Speicherung von Stickoxiden mehr im Stickoxid-Speicherkatalysator
möglich
ist. Denn bei Restsauerstoffkonzentrationen im Abgasstrom unter
der minimalen Restsauerstoffkonzentration kann der Stickoxid-Speicherkatalysator
kein Stickoxid mehr einspeichern, so dass es zu einem Stickoxid-Durchbruch
kommt, der stets eine Entladung erfordert, d. h. ein Umschalten
in einen fetten Betriebsbereich nötig macht, bei dem zuerst ein
Sauerstoffspeicher des Stickoxid-Speicherkatalysators entladen wird,
um Sauerstoff für
die Ausspeicherung des Stickoxids aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator
zur Verfügung
zu stellen. Da bei einer derartigen Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators
stets eine in etwa konstante Kraftstoffmenge benötigt wird, erfordert ein zu
frühzeitiges
Umschalten in den homogenen Betriebsbereich und das damit einhergehende
Ansteigen der Anzahl der Entladungen auch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit sichergestellt, dass gegenüber der Betriebsweise des Standes
der Technik im Magerbetriebsbereich höhere Lasten gefahren werden
können,
wobei gleichzeitig durch die minimale Restsauerstoffkonzentration
im Abgasstrom sichergestellt ist, dass genügend Restsauerstoff vorhanden
ist, um die Stickoxide in den Stickoxid-Speicherkatalysator einzuspeichern
und auch darin zu halten. Dadurch kann gegenüber der Betriebsweise des Standes
der Technik die Brennkraftmaschine länger im mageren Bereich betrieben
werden, so dass zum einen bereits dadurch das Kraftstoffeinsparpotential
vergrößert wird, wobei
zudem die Einspeicherkapazität
des Stickoxid-Speicherkatalysators besser ausgenutzt wird, so dass
eine Entladung weniger oft durchzuführen ist. Dies alles trägt wesentlich
dazu bei, insbesondere auch bei einer dynamischeren Fahrweise, wie
dies z. B. im Stadtverkehr gegeben ist, Brennkraftmaschinen mit
einer erheblichen Kraftstoffeinsparung zu betreiben.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit
den Magerbetriebsbereich so zu erweitern, dass nur ein Magerbetriebsbereich
mit einer definierten Umschaltgrenze zum homogenen Betriebsbereich
hin vorhanden ist. Besonders gute Magerbetriebsergebnisse lassen
sich jedoch nach Anspruch 2 dadurch erzielen, dass der Magerbetriebsbereich
in mehrere, vorzugsweise wenigstens zwei unterschiedliche Magerbetriebsbereiche
aufgeteilt ist, wobei die Übergänge zwischen
den einzelnen Betriebsbereichen durch last- und/oder drehzahlabhängige Umschaltgrenzen genau
definiert sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten
Betriebsweise ist der Magerbetriebsbereich nach Anspruch 3 in einen
geschichteten Magerbetriebsbereich und einen homogen-mageren Betriebsbereich aufgeteilt.
Dadurch kann bei einem durch die betriebsbedingte Lastanforderung
ausgelösten Überschreiten
der lastabhängigen
ersten Umschaltgrenze zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich und
dem homogen-mageren Betriebsbereich sowie dem Nicht-Überschreiten
der lastabhängigen
zweiten Umschaltgrenze zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich
und dem homogenen Betriebsbereich vom Motorsteuergerät in den
homogen-mageren Betriebsbereich umgeschalten werden. Andererseits
kann bei einem durch die betriebsbedingte Lastanforderung ausgelösten Überschreiten
der lastabhängigen
zweiten Umschaltgrenze zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich
und dem homogenen Betriebsbereich vom Motorsteuergerät sofort
in den homogenen Betriebsbereich umgeschalten werden. Mit einer
derartigen Betriebsweise wird ein besonders sinnvoller Magerbetrieb
einer Brennkraftmaschine möglich,
wobei hier vorteilhaft ein Großteil
der Momentenanforderungen bei Beschleunigungen vom Magerbetriebsbereich
abgedeckt wird.
Bei einer Verfahrensführung gemäß Anspruch
4 wird die Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbereich mit
einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder größer 5 Mol-%
im Abgasstrom zur Verfügung
stellenden Lambdawert betrieben. Ein besonders optimierter geschichteter
Magerbereich ergibt sich bei einem Lambdawert von in etwa 1,4 bis
3.
Gemäß einer weiteren besonders
bevorzugten Verfahrensführung
nach Anspruch 5 wird die Brennkraftmaschine im homogen-mageren Betriebsbereich
dagegen mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder
größer 2 Mol-%
im Abgasstrom zur Verfügung
stellenden Lambdawert betrieben. Besonders bevorzugt ist hier ein
Betrieb mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von in etwa gleich
oder größer 3 Mol-%
zur Verfügung
stellenden Lambdawert, der vorzugsweise somit in etwa in einer Größenordnung
von 1,15 bis 1,3 liegt. Der homogen-magere Betriebsbereich liegt
somit vorzugsweise in etwa zwischen 2 bis 5 Mol-% Restsauerstoffkonzentration
im Abgasstrom, dem in etwa ein Lambda von 1,15 bis 1,4 entspricht.
Mit derartigen konkreten Betriebsbereichen ist ein besonders vorteilhafter praktischer
Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
Nach Anspruch 6 liegt die lastabhängige Umschaltgrenze
vom Magerbetriebsbereich zum homogenen Betriebsbereich bei einem
relativen Drehmoment von in etwa 70 bis 90 % eines vorgegebenen maximalen
relativen Drehmomentes, bevorzugt bei in etwa 80 %. Letzteres entspricht
in etwa einem effektiven Mitteldruck von ca. 8 bar, falls von einer üblichen
Bezugsgröße von in
etwa 10 bar effektivem Mitteldruck ausgegangen wird. Es kann somit
mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
sichergestellt werden, dass hier ein Großteil der Momentenanforderung
bei Beschleunigungen abgedeckt wird. Entsprechend kann z. B. in
einer konkreten Betriebsweise die lastabhängige erste Umschaltgrenze
vom geschichteten Magerbetriebsbereich zum homogen-mageren Betriebsbereich
nach Anspruch 7 weiterhin in allgemein bekannter Weise bei einem
relativen Drehmoment von in etwa 35 bis 45 % eines vorgegebenen
relativen Drehmomentes liegen, wobei in etwa 40 % als bevorzugter
Wert angesehen wird. Dieser Wert entspräche dann einem effektiven Mitteldruck
von in etwa 4 bar bei einer Bezugsgröße von 10 bar effektivem Mitteldruck.
Diese Aufteilung des Magerbetriebsbereiches in zwei Magerbetriebsbereiche
ermöglicht
einen möglichst
langen gewünschten Magerbetrieb
der Brennkraftmaschine, wodurch das Kraftstoffeinsparpotential der
Brennkraftmaschine erheblich erhöht
wird. Insbesondere erfolgt hier somit eine gezielte Anpassung des
Betriebsbereiches an die jeweils von einem Fahrer betriebsbedingt
vorgegebene Momentenanforderung, so dass in Bezug auf das Kraftstoffeinsparpotential
eine optimierte Anpassung an das Fahrverhalten erfolgt.
Nach Anspruch 8 ist die lastunabhängige Entladung
des Stickoxid-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von einer bestimmten
Einspeicherzeit des Stick oxid-Speicherkatalysators beansprucht,
wobei diese Einspeicherzeit auch wiederum vom Alterungsgrad des
Stickoxid-Speicherkatalysators bzw. dessen Speicherfähigkeit
abhängt.
Wird nun von einem bestimmten Betriebspunkt 6 ausgehend,
bei dem die Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 betrieben wird
eine betriebsbedingte erhöhte
Lastanforderung vom Motorsteuergerät festgestellt, dem in etwa
ein effektiver Mitteldruck von ca. 6 bis 6,5 bar entspricht, dann
stellt das Motorsteuergerät
eine Überscheitung der
ersten Grenzkurve 3 fest und schaltet vom geschichteten
Magerbetriebsbereich 1 in den homogenmageren Betriebsbereich
2 um. In diesem homogen-mageren Betriebsbereich 2 steht
nach wie vor eine ausreichend hohe Restsauerstoffkonzentration zur
Verfügung,
mit der eine Einspeicherung von Stickoxiden in den Stickoxid-Speicherkatalysator möglich ist.
Dies ergibt sich insbesondere aus dem in 2 dargestellten Diagramm, bei dem die NOx-Speicherfähigkeit schematisch über der
Temperatur aufgetragen ist. Die oberste glockenförmige Kurve 7 stellt
hier die Stickoxid-Speicherfähigkeit
bei einer Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom von größer 5 Mol-%
dar, während
die mittlere glockenförmige
Kurve 8 die Stickoxid-Speicherfähigkeit bei einer Restsauerstoffkonzentration
im Abgasstrom von größer 3 %
und die unterste Kurve 9 die Stickoxid-Speicherfähigkeit
bei einer Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom von kleiner
1 darstellt. Ausgehend von dem Betriebspunkt 6 der Brennkraftmaschine
im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 zeigt 2 schematisch, dass mit
zunehmender Beschleunigung die Stickoxid-Speicherfähigkeit
bei einem Umschalten in den homogen-mageren Betriebsbereich 2 nach
wie vor im hohen Maße
erhalten bleibt (durchgezogene Linien). Würde dagegen ausgehend vom Betriebspunkt
6 im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 ein Umschalten
sofort in den homogenen Betriebsbereich 4 erfolgen, würde sich
der in 2 strichliert
dargestellte Zusammenhang ergeben, d. h. die Stickoxid-Speicherfähigkeit nahezu
gegen Null gehen, was im Diagramm der 2 mit Strichpunkten
und mit dem Betriebspunkt 10 dargestellt ist. Dies würde zwangsläufig zu
einem Stickoxiddurchbruch führen
und damit die Einleitung einer sofortigen Entladung erfordern, um
den Stickoxid-Speicherkatalysator zu entleeren. Mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise
sinkt somit die Anzahl der notwendigen Entladungen des Stickoxid-Speicherkatalysators
und damit der Kraftstoffverbrauch. Dies lässt sich auch aus den Diagrammen
der 1 und 2 ablesen, da ohne den erweiterten
homogen-mageren Betriebsbereich 2, insbesondere bei einer
dynamischeren Fahrweise, wie diese z. B. im Stadtverkehr gegeben
ist, eine Vielzahl von Entladungen aufgrund des oftmaligen Verlassens
des geschichteten Magerbetriebsbereiches 1 erforderlich wäre.