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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei Kraftfahrzeugen mit modernen
Verbrennungsmotoren, die im Mager- und Schichtladebetrieb einen geringeren
Kraftstoffverbrauch aufweisen, ist zur Erfüllung der gesetzlichen Abgasvorschriften
eine zusätzliche
Nachbehandlung der Abgase zur Reduzierung von Stickoxid-Emissionen
notwendig. Bevorzugt werden zur Lösung dieses Problems NOx-Speicherkatalysatoren
eingesetzt. Mager betreibbare Ottomotoren mit NOx-Speicherkatalysatoren
stellen dabei besonders hohe Anforderungen an eine Motorsteuerung,
um unter möglichst
vielen Betriebsbedingungen ein Optimum hinsichtlich der Abgasschadstoffemissionen
und des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen. So erreicht ein NOx-Speicherkatalysator
bei magerem Abgas nur in einem relativ schmalen Temperaturbereich
ausreichend hohe Stickoxidkonvertierungsraten. Deshalb ist der Katalysator
in einem weiten Betriebsbereich in diesem Temperaturbereich zu halten,
um den Wirkungsgrad steigernden Magerbetrieb möglichst ohne Einschränkungen
zu ermöglichen.
Steigen die Abgastemperaturen beispielsweise mit steigenden Fahrzeuggeschwindigkeiten
oder höheren
Belastungen der Brennkraftmaschine an, muss der Magerbetrieb verlassen
werden, wenn die Katalysatortemperatur über die obere Temperaturgrenze
steigt. Andererseits soll der Magerbetrieb möglichst frühzeitig wieder freigegeben
werden, wenn die Katalysatortemperatur von einem hohen Niveau kommend,
wieder in den erlaubten Temperaturbereich fällt.
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Im Magerbetrieb stellen sich gegenüber einem
homogenen Betrieb der Brennkraftmaschine bei λ = 1 deutlich geringere Abgastemperaturen
ein, was insbesondere in Schwachlastbetriebsphasen dazu führen kann,
dass die Katalysatortemperatur unter den erlaubten Temperaturbereich
fällt,
weshalb auch der Magerbetrieb wieder verlassen werden muss. Gleichzeitig
führen
die geringen Temperaturen auch zu einer schlechteren Konvertierung
der anderen Schadstoffkomponenten, insbesondere der Kohlenwasserstoffverbindungen HC.
Eine Umschaltung beispielsweise in den stöchiometrischen Betrieb führt dazu,
dass einerseits die Abgastemperaturen ansteigen und die Raumgeschwindigkeit
der Katalysatoren sinkt, was eine bessere Schadstoffkonvertierung
zur Folge hat, andererseits der Kraftstoffverbrauch steigt. Um einen
günstigen
Kompromiss zwischen Schadstoffemissionsverhalten und Verbrauch zu
finden, ist eine genaue Abstimmung des Betriebs der Brennkraftmaschine
auf im Bereich der sogenannten Light-Off-Temperaturen arbeitende Katalysatoren
erforderlich.
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Ferner weisen heutige NOx-Katalysatoren
gegenüber
Dreiwegekatalysatoren eine deutlich geringere Hochtemperaturstabilität auf. Neben
einer temperatur-protektiven Auslegung der Abgasanlage ist häufig eine thermische
Bauteilschutzstrategie notwendig, um das Katalysatorsystem auch
bei stark dynamischen Fahrzuständen
nicht oberhalb der thermischen Belastbarkeitsgrenze zu betreiben,
was eine unzulässig
starke Alterung zur Folge haben könnte.
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Eine genaue Kenntnis der Katalysatortemperatur
ist daher von Vorteil. Dazu wird im Patent
US 5 747 049 A ein Temperaturmodell
für einen
NOx-Speicherkatalysator vorgeschlagen, bei dem die Temperatur eingangs-
und ausgangsseitig des Speicherkatalysators ermittelt wird und die
Motorsteuerung entsprechend beeinflusst wird. Auch die Offenlegungsschrift
EP 1 067 279 A2 offenbart
ein Temperaturmodell zum Erkennen und Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft
eines NOx-Speicherkatalysators.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 198 36 955 A1 ist
ein Temperaturmodell für
einen NOx-Speicherkatalysator bekannt, bei dem die Temperatur getrennt
für zwei
Teilbereiche ermittelt und die Motorsteuerung entsprechend beeinflusst
wird. Der NOx-Speicherkatalysator
besteht dabei aus zwei Teilkatalysatoren. Ein Magerbetrieb wird
nur dann eingeleitet, wenn sich beide Teilkatalysatoren innerhalb
eines zulässigen
Temperaturbereichs befinden.
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Allerdings sind Effekte, die im dynamischen
Betrieb durch eine inhomogene Temperaturverteilung im Katalysator
auftreten, mit den bekannten Verfahren nur schwer zu erfassen. Bei
magerlauffähigen
Brennkraftmaschinen wird daher zur Vermeidung von NOx-Durchbrüchen ein
großer
Sicherheitsabstand von kritischen Temperaturen eingehalten, etwa
einer thermischen Desorptionsschwelle. Konsequenterweise muss die Brennkraftmaschine
daher höhere
Zeitanteile als erforderlich in einem verbrauchsungünstigen
Betriebsmodus betrieben werden.
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In der Offenlegungsschrift
DE 100 36 942 A1 wird
eine Verteilungsfunktion der Temperatur eines Katalysatorvolumens
mittels eines Mehrzonen-Rechenmodells ermittelt. Der Katalysator
wird dabei in Teilbereiche entlang der Laufrichtung des Abgases
aufgeteilt und eine ortsabhängige
Temperaturverteilung im Katalysator bestimmt. Ein ähnliches
Temperaturmodell ist z.B. aus der Offenlegungsschrift
DE 100 38 461 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist daher die Schaffung eines Verfahrens, mit dem eine Brennkraftmaschine
verbrauchsgünstig
und schadstoffemissionsarm betrieben werden kann sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird ein Temperaturmodell
des Katalysators mit einer vorgegebenen dynamischen Verteilungsfunktion
der lokalen Temperatur im Katalysatorvolumen bereitgestellt und
die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von Werten dieser Verteilungsfunktion betrieben. Hiermit wird eine
verbesserte Kontrolle der lokalen thermischen Katalysatorbelastung
ermöglicht
und die Verbrauchs- und Emissionsoptimierung der Verbrennungskraftmaschine
verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Verteilungsfunktion mittels eines Mehrzonen-Rechenmodells
für eine
Mehrzahl von Teilbereichen des Katalysatorvolumens bestimmt. Ein
Betriebszustand der Brennkraftmaschine, welche eine Abgastemperaturerhöhung bewirkt,
kann dann eingeleitet werden, wenn eine Anzahl von vorgegebenen
Teilbereichen ein erlaubtes Temperaturniveau oberhalb einer unteren
kritischen Temperatur unterschreitet. Bewirkt der Betriebszustand
der Brennkraftmaschine eine Abgastemperaturerniedrigung, dann kann
dieser eingeleitet werden, wenn eine vorgegebene Anzahl von Teilbereichen
ein erlaubtes Temperaturniveau unterhalb einer oberen kritischen
Temperatur überschreitet.
Statt einer Anzahl von Teilbereichen kann als Kriterium auch eine
vorgegebene Summe des Volumens von Teilbereichen herangezogen werden.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen
kann ein Korrekturfaktor hinsichtlich der Alterung eines Katalysators und/oder
einer Menge von gespeicherten Schadstoffen und/oder einer zu erwartenden
Konvertierung abhängig
von einer aktuellen, lokalen Temperatur in zumindest einem Teilbereich
berücksichtigt
und die Brennkraftmaschine entsprechend betrieben werden.
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Die Erfindung bringt als einen Vorteil
mit sich, dass Betriebsparameter der Brennkraftmaschine hinsichtlich
einer Schadstoffkonvertierung des Katalysators, einer zulässigen Betriebsart
und eines thermischen Bauteileschutzes optimiert werden. Es ist
beispielsweise möglich,
dass die Brennkraftmaschine bereits mager betrieben werden kann,
wenn sich nur ein Teil des Katalysators im erlaubten Temperaturbereich
befindet. Dies bedeutet, dass ein verbrauchsgünstiger Magerbetrieb bereits
zu einem frühen
Zeitpunkt eingeleitet werden kann.
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Weiterhin können Maßnahmen zur Aufheizung des
Katalysators, beispielsweise nach einem Kaltstart oder einer längeren Leerlauf-
oder Schwachlastphase, früher
beendet werden oder mit geringerer Intensität durchgeführt werden, was Verbrauchseinsparungen
ermöglicht
und den Katalysator thermisch weniger belastet.
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Maßnahmen zum thermischen Bauteileschutz
vor unzulässig
hohen Temperaturen können
von der Verteilungsfunktion der Temperaturen im Katalysatorvolumen
abhängig
gemacht werden. Dies gestattet für den
Fall, dass Bauteileschutzmaßnahmen
eingeleitet werden müssen,
eine Verringerung von Sicherheitszuschlägen, mit denen verhindert werden
soll, eine obere kritische Temperatur zu überschreiten, und damit beispielsweise
eine spätere
und/oder geringere Gemischanreicherung.
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Durch die verbesserte Betriebsweise
der Brennkraftmaschine und das dadurch verbesserte Abgasverhalten
ist es möglich,
bei Einhaltung von vorgegebenen Emissionsgrenzwerten den Edelmetallgehalt
eines Katalysators im Vergleich zu bekannten Systemen zu verringern.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit zugeordneter Abgasanlage,
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2 den
zeitlichen Verlauf einer Abgastemperatur sowie einer Verteilung
der Katalysatortemperatur in verschiedenen Bereichen eines Katalysatorvolumens
mit zugeordneter Fahrzeuggeschwindigkeit.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein magerlauffähiger Ottomotor
oder eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Abgasanlage 2 und
einem Motorsteuergerät 3,
vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 weist
eine Anzahl von Zylindern 4 auf (entsprechende Komponenten
sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener
Abgaspfad 5 nachgeschaltet ist. In der Abgasanlage 2 ist
zur Konvertierung von schädlichen
oder unerwünschten
Komponenten des Abgases in andere Komponenten eine Abgasreinigungsvorrichtung
mit einem optionalen Vorkatalysator 6 und einem Hauptkatalysator 7 angeordnet.
Vorzugsweise ist der Vorkatalysator 6 als Dreiwegekatalysator
und der Hauptkatalysator 7 als NOx-Speicherkatalysator
ausgebildet. Stromabwärts
der Zylinder 4 sind in den Abgaspfaden 5 optionale
Abgassensoren bspw. NOx-Sensoren angeordnet, mit denen bspw. die
NOx-Konzentration des
durch die Abgasanlage 2 geführten Abgases der Brennkraftmaschine 1 gemessen
werden kann. Stromaufwärts
des Vorkatalysators 6 ist ein weiterer optionaler Abgassensor 8' angeordnet.
In einem Bereich der Abgasanlage 2 zwischen dem Vorkatalysator 6 und
dem Hauptkatalysator 7, stromabwärts des Vorkatalysators 6 und
stromaufwärts
des Hauptkatalysators 7, ist ein weiterer Abgassensor 9 angeordnet.
Ein weiterer Sensor 10 ist stromabwärts des Hauptkatalysators 7 in
der Abgasanlage 2 angeordnet. Es versteht sich von selbst,
dass bei einer strukturierten Abgasreinigungsvorrichtung mit mehreren
Teilen Sensoren stromauf oder stromab der jeweiligen Teile angeordnet
sein können.
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Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren
sind stromaufwärts
und stromabwärts
des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 Lambda-Sonden 11 bzw. 12,
sowie zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtungen
Temperatursensoren 13, 13' vorgesehen. Es versteht sich ferner, dass
alternativ oder zusätzlich
weitere Temperatursensoren zur Messung der Abgastemperatur oder
der Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung oder von Teilen
dieser vorgesehen sein können.
Insbesondere können
Temperatursensoren vorgesehen sein, um eine Temperaturverteilung
im Katalysatorvolumen des Hauptkatalysators 7 und/oder
des Vorkatalysators 6 zu detektieren. Zur Abgasrückführung weist
die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführeinrichtung 15 mit
einem steuerbaren Ventil auf.
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Das Motorsteuergerät 3 erfasst
in an sich bekannter Weise über
nicht dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1,
wie beispielsweise Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate,
Zündzeitpunkt,
Einspritzzeitpunkt von Vor-/Haupt-/Nacheinspritzungen, Einspritzdruck, Tumble-Klappenstellung,
Ladedruck, Phasensteller der Nockenwelle, Drehzahl, Fahrpedalstellung,
Last, Fahrgeschwindigkeit und dergleichen, und kann diese über (nicht
dargestellte) Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei zur
Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät 3 und den Sensoren
bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem 14 oder dergleichen
vorgesehen ist. Ferner umfasst das Motorsteuergerät 3 eine
Lambda-Regeleinrichtung 3a zur
Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. des Lambda-Werts.
Das Motorsteuergerät 3 erhält von den
Abgassensoren Signale, mit denen die Konzentration einzelner Abgaskomponenten, wie
z.B. die Konzentration der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine 1 bzw.
die NOx-Konzentration stromabwärts
der Katalysatoreinrichtungen 6 und/oder 7 ermittelt
werden können.
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Der NOx-Speicherkatalysator 7 wird üblicherweise
in einem Speicherzyklus betrieben, der zumindest einen üblicherweise
längeren
Adsorptionsmodus und kürzeren
Regenerationsmodus umfasst. Die Speicherung erfolgt dabei bei einem
Lambda-Wert > 1, die
Ausspeicherung zu einem späteren
Zeitpunkt bei einem Lambda-Wert < 1
oder = 1.
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Da NOx-Speicherkatalysatoren gegenüber Dreiwegekatalysatoren
eine deutlich geringere Hochtemperaturstabilität aufweisen und hohe Temperaturen
in Kombination mit hohen Sauerstoffkonzentrationen zu einer starken
Beschleunigung der Alterung führen,
muss eine unzulässig
hohe Temperaturbelastung des Hauptkatalysators 7 vermieden
werden. Ebenso muss angestrebt werden, die Temperatur des Katalysators
in einem zulässigen
Temperaturbereich oberhalb einer unteren kritischen Temperatur Tu
und unterhalb einer oberen kritischen Temperatur To zu halten, um
ausreichende Konvertierungsraten für Stickoxide zu ermöglichen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
des Hauptkatalysators 7, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators,
beschrieben. Sie ist jedoch mit Vorteil auch auf andere Katalysatortypen
sowie auf Katalysatorsysteme. die aus mehreren Katalysatoren bestehen,
anwendbar.
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Erfindungsgemäß wird ein Temperaturmodell
des Katalysators mit einer vorgegebenen dynamischen Verteilungsfunktion
der lokalen Temperatur im Katalysatorvolumen vorgesehen und die
Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von Werten dieser Verteilungsfunktion betrieben. Das Temperaturmodell
ist vorzugsweise in dem Motorsteuergerät 3 implementiert.
Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus. Im realen
Fahrbetrieb werden Katalysatoren nur selten über längere Zeiträume mit einer konstanten Abgastemperatur
beaufschlagt. Sehr häufig
liegen innerhalb des Katalysatorvolumens größere örtliche Temperaturunterschiede
vor. Um den vielfältigen
Randbedingungen für
einen Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators nachzukommen, ist es
vorteilhaft, Mittel vorzusehen, um örtliche Temperaturunterschiede
im Katalysatorvolumen zu bestimmen. Dies können Temperatursensoren sein,
die örtliche
Temperaturwerte innerhalb des Katalysatorvolumens erfassen und dem
Motorsteuergerät 3 übermitteln
oder bevorzugt ein Rechenmodell, welches örtliche Temperaturunterschiede
und zeitliche Veränderungen
der Temperatur berücksichtigt.
Besonders bevorzugt wird eine Verteilungsfunktion der Temperatur
im Katalysatorvolumen entlang einer Hauptströmungsrichtung des Abgases ermittelt.
Reale Temperaturverhältnisse
werden damit auf einfache Weise abgebildet.
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Vorzugsweise wird der Katalysator 7 in
eine Mehrzahl von räumlichen
Teilbereichen unterteilt und die Temperatur der einzelnen Teilbereiche
ermittelt. Daraus ergibt sich eine Verteilungsfunktion der Temperatur
für die
Mehrzahl von Teilbereichen. Dabei kann die Unterteilung prinzipiell
beliebig erfolgen, wobei eine Unterteilung in axialer Richtung,
insbesondere entlang der Hauptströmungsrichtung des Abgases durch
den Katalysator 7 zweckmässig ist. Ebenso kann auch
eine radiale Unterteilung vorgenommen werden. Die genaue Anzahl der
Teilbereiche richtet sich sinnvollerweise nach der Größe des Katalysators
und/oder der Art der Anströmung der
Stirnfläche,
um Ungleichförmigkeiten
zu erfassen und/oder nach real auftretenden bzw. zu erwartenden Temperaturgradienten.
Bevorzugt wird eine Anzahl von 3 bis 5 Teilbereichen. Es ist möglich, für verschiedene Betriebszustände der
Brennkraftmaschine 1 jeweils eine unterschiedliche Anzahl
von Teilbereichen des Katalysators 7 zugrunde zu legen.
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Vorzugsweise wird im Motorsteuergerät 3 ein
Mehrzonen-Rechenmodell für
den NOx-Speicherkatalysator 7,
optional auch für
den Katalysator 6, hinterlegt.
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2 zeigt
zur Veranschaulichung beispielhaft den Zusammenhang zwischen einer
Abgastemperatur AT(t) als Funktion der Zeit t, einem zeitlichen
Temperaturverlauf T1(t), T2(t), T3(t) in einem Katalysatorvolumen mit
einer Mehrzahl von Teilbereichen T1, T2, T3 im oberen Teilbild sowie
einer zugehörigen
Geschwindigkeitszeitfunktion vfzg(t) im unteren Teilbild. Der Katalysator 7 ist
hier in drei Teilbereiche T1, T2, T3 zerlegt, wie im oberen Teilbild
angedeutet ist. Der zulässige
Temperaturbereich für
einen sinnvollen Katalysatorbetrieb liegt zwischen einer unteren
kritischen Temperatur Tu und einer oberen kritischen Temperatur
To.
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Ein Abgasmassenstrom strömt die Stirnfläche des
Katalysators 7 an, was im oberen Teilbild durch einen Pfeil
angedeutet ist. Die Hauptströmungsrichtung
des Abgases entspricht der axialen Erstreckung des Katalysators 7.
Eine Vergleichsrechnung mit einem Einzonen-Rechenmodell, bei dem
der Katalysator 7 nicht in mehrere Teilbereiche unterteilt
ist, ist als gestrichelte Kurve im oberen Bild eingezeichnet.
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Aufgrund der thermischen Trägheit des
NOx-Speicherkatalysators 7 eilt die Katalysatortemperatur, beispielsweise
nach einer Beschleunigungsphase, der Abgastemperatur AT(t) hinterher.
Es zeigt sich, dass dabei zumindest in axialer Richtung örtlich und
zeitlich erhebliche Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen
Teilbereichen T1, T2, T3 bestehen.
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Wird im direkten Anschluss an eine
kurze Beschleunigungsphase wieder ein Leerlaufbetriebspunkt oder
ein Schwachlastbetriebspunkt angefahren, tritt der Umstand ein,
dass der Katalysator stellenweise schnell wieder unterhalb der oberen
kritischen Temperatur To des Katalysators 7 liegt. Bei
den dann folgenden nur geringen Abgasmassenströmen, die meist auch mit geringen
NOx-Massenströmen
einhergehen, stellen sich im Katalysator 7 auch nur geringe
Raumgeschwindigkeiten ein. Daher ist es für eine ausreichende NOx-Konvertierung
bereits ausreichend, wenn sich nur ein Teil des Gesamtvolumens des
Katalysators 7 auf einer entsprechend niedrigen, zulässigen Temperatur
befindet. In diesem Fall ist es zulässig, einen verbrauchsgünstigen
Magerbetrieb für
die Brennkraftmaschine 1 bereits frühzeitig freizugeben, obwohl
sich noch ein Teil des Katalysators 7 oberhalb der oberen
kritischen Temperatur To befindet.
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Das untere Teilbild veranschaulicht
eine typische Fahrsituation. Ausgehend von einer niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeit
v0 zum Zeitpunkt t0 mit niedrigen Abgastemperaturen wird eine Beschleunigungsphase durchfahren,
die zu einem Anstieg der Abgastemperatur AT(t) führt. Anschließend wird
das Fahrzeug jedoch nur kurz mit einer höheren Geschwindigkeit v1 bewegt,
bis kurz nach dem Zeitpunkt t2 eine Verzögerungsphase beginnt und kurz
vor dem Zeitpunkt t4 mit einer geringeren, konstanten Geschwindigkeit
v2, die grösser
als v1 ist, weitergefahren wird. In der Verzögerungsphase verringert sich
die Abgastemperatur AT(t) und erreicht in der anschliessenden Konstantfahrt
mit der Geschwindigkeit v2 ein annähernd konstantes Niveau.
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Für
das beschriebene Fahrprofil kann das Verhalten der Temperaturen
resultierend aus einem einfachen Einzonen-Rechenmodell (gestrichelte
Kurve) und aus einem bevorzugten Mehrzonen-Rechenmodell (durchgezogene
Kurven), hier für
die drei Teilbereiche ein Dreizonen-Rechenmodell, verglichen werden.
Das Einzonen-Rechenmodell
ist der Einfachheit wegen so normiert, dass die maximale Temperatur
des Katalysators 7 in etwa der maximalen Temperatur des
mittleren Teilbereichs T2 entspricht.
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Die mit dem einfachen Einzonen-Rechenmodell
berechnete Temperatur des Katalysators 7 überschreitet
zwischen den Zeitpunkten t2 und t5 die obere kritische Temperatur
To des erlaubten Temperaturbereichs. Daraufhin würde vom Motorsteuergerät 3 in
diesem Zeitintervall der Magerbetrieb gesperrt. In den einzelnen
Teilbereichen T1, T2, T3 des Dreizonen-Rechenmodells mit den zugehörigen Temperaturkurven
T1(t), T2(t), T3(t) wird die obere kritische Temperatur To dagegen
zeitverzögert
erreicht bzw. überschritten.
Die realen Temperaturverhältnisse
im Katalysator 7 werden daher genauer wiedergegeben. Dies
hat im Ausführungsbeispiel
die Folge, dass in allen Teilbereichen T1, T2, T3 die obere Temperatur
To zwar zeitweise überschritten wird,
jedoch nie zur gleichen Zeit.
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Daher sind zu jedem Zeitpunkt t1 – t7 zumindest
einzelne Teilbereiche T1, T2, T3 des Katalysators
7 bzw.
Flächen
des Katalysatorvolumens verfügbar,
die für
die NOx-Konvertierung
im Magerbetrieb hinreichend geeignet und damit nutzbar sind, da
deren Temperatur zu dem Zeitpunkt, zu dem der Teilbereich mit Abgas beaufschlagt
wird, im erlaubten Temperaturbereich unterhalb der oberen kritischen
Temperatur To liegt, wie in der Übersicht
verdeutlicht wird:
Zeitintervall | Teilbereiche
mit Temperatur T < To |
t1-t2 | T2,
T3 |
t2-t3 | T3 |
t3-t4 | T1,
T3 |
t4-t5 | T1 |
t5-t6 | T1,
T2 |
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Im gesamten Zeitintervall zwischen
t1 und t7 ist es gemäß der Erfindung
daher nicht notwendig, auf einen verbrauchsgünstigen Magerbetrieb aufgrund
zu hoher Katalysatortemperaturen zu verzichten.
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Entsprechendes gilt für den Fall
einer Abkühlung
des Katalysators 7, wenn die Brennkraftmaschine 1 beispielsweise über längere Zeit
im Leerlauf- oder Schwachlastbetrieb betrieben wird und der Katalysator 7 auskühlt und
nach einem einfachen Einzonen-Rechenmodell auf eine Temperatur unterhalb
der unteren kritischen Temperatur Tu fällt. Auch hier treten örtliche
Temperaturunterschiede auf, die dazu führen, dass eingangsseitig im
vorderen Bereich des Katalysators 7 einzelne Teilbereiche
bereits unter die untere kritische Temperatur Tu abgekühlt sind,
während
im hinteren Bereich des Katalysators 7 noch Teilbereiche
mit ausreichend hohen Temperaturen im erlaubten Temperaturbereich
zwischen Tu und To verfügbar
sind.
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Vorzugsweise wird daher ein Magerbetrieb
der Brennkraftmaschine 1 abhängig von einer Anzahl von Teilbereichen
T1, T2, T3 freigegeben, wenn eine ausreichende Anzahl von Teilbereichen
T1, T2, T3 verfügbar ist,
welche ein Temperaturniveau aufweisen, das eine NOx-Konvertierung
bei Magerbetrieb mit ausreichender Schadstoffreduzierung zulässt.
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Ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1,
welcher eine Abgastemperaturerhöhung
bewirkt, kann bevorzugt eingeleitet werden, sobald eine vorgegebene
Anzahl von Teilbereichen T1, T2, T3 ein erlaubtes Temperaturniveau
oberhalb einer unteren kritischen Temperatur Tu unterschreitet.
Ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, welcher eine
Abgastemperaturerniedrigung bewirkt, kann bevorzugt dann eingestellt werden,
sobald eine vorgegebene Anzahl von Teilbereichen T1, T2, T3 ein
erlaubtes Temperaturniveau unterhalb einer oberen kritischen Temperatur
To überschreitet.
Die notwendige Anzahl von Teilbereichen T1, T2, T3 kann von der
Größe des Katalysators 7,
der Abgastemperatur, der Wärmeleitfähigkeit
und/oder Wärmekapazität des Katalysators 7,
der örtlichen
Temperatur in Teilbereichen T1, T2, T3 des Katalysators 7 und
derartigen Parametern abhängig
sein.
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Die Freigabe des jeweiligen Betriebszustands
kann auch von einer Summe der Volumina der mit der gewünschten
Temperatur verfügbaren
Teilbereiche T1, T2, T3 abhängig
gemacht werden.
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Auf der Grundlage der ermittelten
Anzahl oder Summe der Volumina der in einem gewünschten Temperaturbereich verfügbaren Teilbereiche
T1, T2, T3 wird vorzugsweise ein maximal zulässiger NOx-Massenstrom und/oder
Abgasmassenstrom festgelegt und durch Vergleich mit dem jeweiligen
in dem Motorsteuergerät 3 für den aktuellen
Betriebspunkt berechneten Wert entschieden, ob der Magerbetrieb
freigegeben werden kann. Alternativ kann abhängig von der Temperatur der Teilbereiche
T1, T2, T3 auch ein Magerbetrieb mit anderen Motorbetriebsparametern,
wie z.B. Zündwinkel
und/oder Einspritzzeitpunkt, oder eine andere Magerbetriebsart angefordert
werden, der bzw. die geringere NOx-Rohemissionen aufweist. Außerdem kann
auch eine aktuell im NOx-Speicherkatalysator 7 eingelagerte
Masse von Schadstoffen, z.B. NOx, berücksichtigt werden und der zulässige NOx-Massenstrom
und/oder Abgasmassenstrom entsprechend korrigiert werden. Ebenso ist
es möglich,
eine Alterung des Katalysators 7 und/oder weiterer Komponenten
in der Abgasanlage 2 und/oder aktuell gespeicherte Schadstoffmassen
entsprechend zu berücksichtigen,
indem z.B. im Motorsteuergerät 3 entsprechende
Kennwerte gebildet werden, welche die zulässigen Werte für den NOx-Massenstrom und/oder
den Abgasmassenstrom mit diesen Kennwerten bestimmen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die
jeweilige Temperatur eines Teilbereichs T1, T2, T3 entsprechend
ihrem Einfluss auf die damit erreichbare Schadstoffkonvertierung
zu bewerten und daraus Korrekturfaktoren für den zulässigen NOx-Massenstrom und/oder
den Abgasmassenstrom zu bilden. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass eine
einspeicherbare Schadstoffmenge, insbesondere NOx im zulässigen Temperaturbereich
zwischen Tu und To nicht konstant ist, sondern im allgemeinen ein
Maximum aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Anwendung
kann das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt werden, um nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1,
oder gegebenenfalls im Anschluss an eine längere Leerlauf- oder Schwachlastphase
die Schadstoffemission zu verringern. Auch hier wird die Erfindung
im Folgenden anhand des Hauptkatalysators 7 beschrieben;
sie ist aber auch auf weitere Katalysatoren oder Katalysatortypen
anwendbar. Bei den genannten Betriebsphasen ist das Katalysatortemperaturniveau
insgesamt zu gering, um für
nachfolgende Betriebsphasen insbesondere hinsichtlich von HC-Emissionen
ausreichend hohe Konvertierungsraten zu erbringen. Wird die Brennkraftmaschine
nach einem Kaltstart beispielsweise in einer Beschleunigung mit
höheren
Leistungen betrieben, führen
die damit verbundenen höheren
HC-Massenströme und
auch weitere Abgasmassenströme
zu Emissionsdurchbrüchen,
da die Erwärmung
des Katalysators 7 durch seine Wärmekapazität verzögert wird und nur ein Teil
der Schadstoffe umgesetzt werden kann. Um den sogenannten Light-Off
des Hauptkatalysators 7 dennoch möglichst schnell zu erreichen
und Emissionsdurchbrüche
zu vermeiden, können
allgemein bekannte Heizmaßnahmen
für den
Katalysator 7, etwa Zündwinkelspätverstellung
und dergleichen, eingesetzt werden. Diese Heizmaßnahmen sind jedoch mit einer
Erhöhung des
Kraftstoffverbrauchs verbunden. Alternativ kann der Katalysator 7 kann
jedoch auch mit externen Mitteln beheizt werden.
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Die Auslegung der Heizmaßnahme hinsichtlich
Intensität
und zeitlicher Dauer soll so erfolgen, dass im anschließenden Fahrbetrieb
keine unzulässig
hohen Emissionsdurchbrüche
erfolgen, um vorgegebene Schadstoffgrenzwerte sicher einzuhalten.
Für eine
ausreichend hohe Konvertierungsleistung genügt es jedoch erfindungsgemäß bei vielen
Fahrzuständen,
wenn nur ein Teil der Fläche
oder des Volumens des Katalysators 7, bzw. der Katalysatoren 6, 7 in
der Abgasanlage 2, ein entsprechendes Temperaturniveau
erreicht hat, vor allem bei einem frischen oder nur wenig gealterten
Katalysator. Daher ist es in einer bevorzugten Anwendung der Erfindung
ausreichend, eine Heizmassnahme für den Katalysator 7 mittels
Beeinflussung der Brennkraftmaschine 1 nur solange durchzuführen, bis
ein gewünschter
Durchwärmungsgrad
erreicht ist. Unerwünschte Nachteile
beim Kraftstoffverbrauch können
so vermieden werden.
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Da sich der Katalysator 7 in
diesem Betriebsfall von vorne nach hinten entlang eines Abgasströmungsweges
und in der Regel auch von innen nach aussen erwärmt, steht mit zunehmender
Dauer eine zunehmend größere Fläche mit
ausreichendem Temperaturniveau zur Schadstoffkonvertierung zur Verfügung. Damit
steht mit zunehmender Dauer der Heizmaßnahme eine größere Anzahl
von Teilbereichen T1, T2, T3 zur Verfügung, die eine ausreichende
Leistung bei der Schadstoffkonvertierung aufweisen. Die Heizmaßnahme kann
daher frühzeitig
beendet und damit Kraftstoff eingespart werden.
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Ebenso kann nach einer Magerbetriebsphase
vorübergehend
in den sogenannten Homogenbetrieb bei λ = 1 geschaltet werden, um durch
die daraus resultierenden höheren
Abgastemperaturen eine ausreichende Anzahl von Teilbereichen T1,
T2, T3 auf eine höhere
Temperatur anzuheben.
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Vorzugsweise wird die Länge und/oder
die Intensität
einer Heizmaßnahme
zur Erwärmung
des Katalysators 7 in Abhängigkeit von den Temperaturen
T1(t), T2(t), T3(t) der einzelnen Teilbereiche T1, T2, T3 des Katalysators 7 eingestellt.
Im einfachsten Fall kann eine Summe der Volumina derjenigen Teilbereiche
T1, T2, T3 gebildet werden, die oberhalb einer vorgegebenen Temperatur
liegen. Dies kann z.B. eine untere kritische Temperatur Tu sein,
welche die untere Temperaturgrenze für eine ausreichende Schadstoffkonvertierung,
z.B. HC-Konvertierung des Katalysators 7 darstellt. Weiterhin
kann das Temperaturniveau in den einzelnen Teilbereichen T1, T2,
T3 entsprechend dem Einfluss auf eine Umsetzungsgeschwindigkeit
eines Schadstoffs im Katalysator 7 bewertet werden. Daraus
kann in den einzelnen Teilbereichen T1, T2, T3 ein Bewertungsfaktor
hinsichtlich der erzielbaren Konvertierungsleistung gebildet werden,
womit sich die maßgebliche
Summe der Volumina der Teilbereiche T1, T2, T3 korrigieren lässt, die
verfügbar
sein sollen, um die Heizmaßnahme
zu beenden.
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Ebenso ist es möglich, eine geeignete Betriebsart
der Brennkraftmaschine 1 zur Sicherstellung einer hinsichtlich
der Schadstoffkonvertierung ausreichenden aktiven Fläche im Katalysator 7 entsprechend
auszuwählen.
Zusätzlich
kann über
die im Motorsteuergerät 3 gebildeten
Kennwerte der Alterung des Katalysators 7 der Alterungseinfluss
berücksichtigt
werden, indem eine erforderliche Anzahl bzw. Volumina der Teilbereiche T1,
T2, T3 mit ausreichender Temperatur in Abhängigkeit der Kennwerte bestimmt
wird.
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Wird die Brennkraftmaschine 1 mit
einer sehr hohen Leistung betrieben, wird es häufig notwendig, durch Anreicherung
des Gemisches die Temperatur der Abgase zu begrenzen, um den Katalysator 7 bzw.
Katalysatoren 6, 7 in der Abgasanlage 2 vor
einer thermischen Überlastung
zu schützen.
Da dieser Vorgang mit einem deutlichen Anstieg sowohl des Kraftstoffverbrauchs
als auch der Schadstoffemission verbunden ist, wird durch die Erfindung
diese Maßnahme
auf einen minimal erforderlichen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 beschränkt. Der
Katalysator 7 kann auch hier im dynamischen Fahrbetrieb örtlich sehr
unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Daher ist es vorteilhaft,
eine Gemischanreicherung so auszulegen und die Brennkraftmaschine 1 so
zu betreiben, dass die heißeste
Stelle im Katalysator 7 gerade eine maximal zulässige Temperatur,
vorzugsweise eine obere kritische Temperatur To*,
aufweist. Damit gelingt ein Kompromiss zwischen einer Begrenzung
des Kraftstoffverbrauchs und einer thermisch bedingten Begrenzung
der Alterung des Katalysators 7.
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Im Gegensatz zu einem einfachen Einzonen-Rechenmodell,
welches die Katalysatortemperatur global mit einem einzigen Wert
beschreibt, gelingt mit einem bevorzugten Mehrzonen-Rechenmodell
eine bessere Anpassung an die tatsächliche örtliche und zeitliche Verteilungsfunktion
der Temperatur im Katalysator 7. Bei Berücksichtigung
der Verteilung kann daher zu einem späteren Zeitpunkt mit einer Gemischanreicherung
begonnen werden, da Unsicherheiten bezüglich der örtlichen Maximaltemperatur
wesentlich geringer sind. Es kann insbesondere darauf verzichtet
werden, die Abgastemperatur als maßgeblichen Indikator der maximal zulässigen Temperatur
heranzuziehen und bei Überschreitung
dieser Temperatur sofort die Gemischanreicherung einzuschalten,
um eine thermische Überlastung
des Katalysators 7 zu verhindern. Da die Abgastemperatur
sehr viel schneller ansteigt als die Temperatur in dem ersten Katalysator-Teilbereich
T1, würde
die Gemischanreicherung eingeschaltet, sobald die Abgastemperatur
die kritische Temperatur erreicht hat. Bei Berücksichtigung der Verteilungsfunktion
der Temperatur im Katalysator 7 wird dagegen erkannt, ob
zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des vordersten Teilbereichs T1
eingangs des Katalysators 7 noch unterhalb des maximal zulässigen Wertes
liegt und die Gemischanreicherung zur Temperaturbegrenzung noch
nicht notwendig ist. Im stationären
Betrieb, beispielsweise bei maximaler Fahrzeuggeschwindigkeit, wird
die Gemischanreicherung dann in beiden Fällen vergleichbar.
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In analoger Weise kann beim Abkühlfall verfahren
werden, wenn etwa die Brennkraftmaschine 1 zunächst mit
hoher Drehzahl und sehr hohen Belastungen betrieben wird und anschließend in
einen Betrieb mit geringeren Drehzahlen bzw. geringeren Belastungen
oder zwischenzeitlich sogar in einen Schubabschaltebetrieb gewechselt
wird. Hier kühlt
der Katalysator 7 durch das frisch ankommende Abgas ab.
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Da hierbei der Katalysator 7 in
Abgasströmungsrichtung
von vorn nach hinten auskühlt,
wird ein thermischer Bauteileschutz Idealerweise aufrechterhalten,
bis auch die Temperatur des hintersten Teilbereichs T3 ausgangs
des Katalysators 7 unter eine maximal zulässige Temperatur
gefallen ist. Vorzugsweise ist dies eine weitere obere kritische
Temperatur To**, die nicht mit der ersten
oberen kritischen Temperatur To* übereinstimmen
muss. Damit kann der gesamte Katalysator 7 vor einer thermischen Überlastung
geschützt
werden. Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung
der Verteilungsfunktion der Temperatur im Katalysator 7 wird
verhindert, dass eine Bauteilschutzmaßnahme zu früh beendet
wird, da örtlich
und/oder zeitlich auftretende Spitzentemperaturen im Katalysator 7 nicht
vernachlässigt
werden.
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In einer bevorzugten Anwendung der
Erfindung wird daher die Einschaltung oder Ausschaltung und/oder
die Intensität
einer Gemischanreicherung in Abhängigkeit
der Verteilungsfunktion der Temperatur im Katalysator 7 gewählt, wobei
insbesondere die Temperatur T1(t), T2(t), T3(t) des heißesten Teilbereichs
T1, T2, T3 berücksichtigt
wird. Dies kann auch dazu führen,
dass eine Schubabschaltung verzögert
freigegeben wird, um eine starke Sauerstoffbeaufschlagung des Katalysators 7 bei
unzulässig
hohen Katalysatortemperaturen zu vermeiden. Da der Zeitpunkt der
Freigabe der Schubabschaltung von der Verteilungsfunktion der Temperatur
des Katalysators 7 abhängig
ist, ist es sinnvoll, eine Freigabe erst dann zu erteilen, wenn
auch der hinterste Teilbereich T3 des Katalysators 7 ausreichend
abgekühlt
ist. Insgesamt ermöglicht
dies eine bedarfsgerechte Einschaltung und Ausschaltung von thermischen
Bauteilschutzmaßnahmen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird über
den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 der Katalysator 7,
bzw. ein in der Abgasanlage 2 enthaltenes Katalysatorsystem,
optimiert betrieben. Der Katalysator 7 wird effizienter
genutzt. Dadurch wiederum ist es möglich, den Edelmetallgehalt
des Katalysators 7 oder gegebenenfalls weiterer Katalysatoren
abzusenken.
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Fahrzeuge mit magerlauffähigen Brennkraftmaschinen 1,
die den Bedingungen des neuen europäischen Fahrzyklus NEFZ genügen und
mit thermisch ungeschädigten
Katalysatoren mit einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 g/l Katalysatorvolumen und
einem zeitlich gefeuerten Magerbetriebsanteil ohne Schubabschaltungsphasen
mit einem Lambda > 1,15
von zumindest 250 Sekunden, insbesondere mindestens 350 Sekunden
eine HC-Emission von < 0,07
g/km und eine NOx-Emission von < 0,05
g/km erreichen, werden heute üblicherweise
mit Katalysatoren ausgestattet, die Edelmetallgehalte von > 100 g/ft3 aufweisen.
Beim Einsatz von Katalysatorsystemen, die zumindest einen NOx-Speicherkatalysator
und eventuell einen vorgeschalteten Dreiwegekatalysator als Vorkatalysator
aufweisen und die mit dem erfindungsgemässen Verfahren betrieben werden,
kann der Edelmetallgehalt auf < 100
g/ft3, bevorzugt auf < 80 g/ft3,
besonders bevorzugt auf < 60
g/ft3 abgesenkt werden. Auch nach einer
labormässigen
Ofenalterung des NOx-Speicherkatalysators, der einen entsprechend
verringerten Edelmetallgehalt aufweist, bei 850°C für 4 Stunden und des etwaigen
Vorkatalysators für
4 Stunden bei 1100°C
in einer Atmosphäre
mit 2% O2 und 10% H2O
werden bei einem darauffolgenden NEFZ-Test eine HC-Emission von
0,1 g/km und eine NOx-Emission von 0,08 g/km nicht überschritten.