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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Zur
Reduzierung der Hauptschadstoffkomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine
ist der Einsatz eines Katalysators, insbesondere eines Dreiwegekatalysators
allgemein bekannt. So ist z. B. zur Oxidation von HC und CO ein
Sauerstoffüberschuss erforderlich,
während
die Reduktion der Stickoxide die Anwesenheit reduzierender Komponenten
verlangt. Da im Fahrbetrieb möglichst
alle Schadstoffkomponenten gleichermaßen umgesetzt werden müssen, ergibt
sich hinsichtlich der Abgaszusammensetzung und -konvertierung ein
enges Betriebsfenster, in dem die Verbrennung betrieben werden kann.
Durch die Regelung der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches,
d. h. des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
mit Hilfe einer Lambda-Sonde im engen Bereich um das stöchometrische
Verhältnis von
Lambda gleich 1 ist es möglich,
sowohl die Oxidations- wie auch die Reduktionsreaktionen mit einer mit
einer hohen Umsatzrate zu betreiben. D. h., dass die Oxidations-
und Reduktionsreaktionen nur gleichzeitig bei maximaler Konvertierung
ablaufen können, wenn sich
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
im stöchiometrischen
Punkt befindet, also bei Lambda gleich 1. Die Motorsteuerung löst dieses
Problem, in dem sie mittels der Lambda-Sonde und einem geschlossenen
Regelkreis ständig
eine dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
proportionale Größe misst.
Misst nun die Sonde ein zu fettes oder zu mageres Abgas, wird durch die
Regelung in die eine oder andere Richtung korrigiert. Das bedeutet
aber, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur zeitlich gemittelt
stöchiometrisch
ist, in konkreten Lastpunkten des Motorbetriebs jedoch sehr wohl
deutlich verschieden von 1 sein kann. Der Katalysator würde darauf
je nach Zustand des Abgases, fett oder mager, mit HC-, CO- bzw.
NOx-Durchbrüchen,
d. h. mit Fett- bzw. Magerdurchbrüchen bezüglich der Konvertierung reagieren.
Um diese Durchbrüche
möglichst
zu minimieren, ist es bereits allgemein bekannt, in den Katalysator
einen Sauerstoffspeicher zu integrieren, mit dem Sauerstoff in den
Katalysator eingespeichert und auch wieder ausgespeichert werden
kann. Wird nun die Brennkraftmaschine in einem Magerbetriebsbereich
mit einem einen Luftüberschuss
und damit einem Sauerstoffüberschuss
aufweisenden mageren Gemisch betrieben, dann wird der überschüssige Sauerstoff
in den Sauerstoffspeicher eingespeichert. Dieser Sauerstoff kann
dann z. B. in einem darauffolgenden Fettbetrieb, in dem die Brennkraftmaschine
mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden
fetten Gemisch betrieben wird, wieder ausgespeichert und somit zur
Konvertierung der Schadstoffe herangezogen werden.
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Wenn
der Sauerstoffspeicher durch entsprechend lange Dauer der Fettbetriebsphasen
völlig
entleert wird, kann es ebenfalls zu Fettdurchbrüchen kommen, d. h., die Konvertierungsleistung
bezüglich HC
und CO fällt
sehr stark ab. Andererseits kann es, wenn der Sauerstoffspeicher
in zu langen Magerphasen völlig
aufgefüllt
wird, zu Magerdurchbrüchen kommen,
bei denen die Konvertierungsleistung bezüglich des NOx sehr stark abfällt. Diese
beiden Effekte (Fettdurchbruch bzw. Magerdurchbruch) sind nicht
nur für
den betriebswarmen Zustand des Katalysators, sondern auch während der
Kaltstartphase zu ver meiden. Insbesondere für den Kaltstart ist die Beherrschung
dieser beiden Effekte jedoch äußerst schwierig,
da z. B. während
dieser Kaltstartphase in der Regel die Betriebsbereitschaft der
Sauerstoffsensoren noch nicht erreicht ist, so dass von diesen auch keine
Signale zur Kontrolle der beiden Effekte während der Kaltstartphase zur
Verfügung
stehen können.
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Aus
der
DE 44 10 489 C1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem zur Drehmomentüberhöhung bei Volllastanforderung
eine Beschleunigungsanreicherungsphase mit erniedrigtem Lambdawert
durchgeführt
wird, die jedoch spätestens
dann beendet wird, wenn die im Katalysator eingespeicherte Sauerstoffreserve
erschöpft
ist, so dass ein erhöhter
Schadstoffausstoß verhindert
wird. Anschließend
erfolgt ein Betrieb mit erhöhtem
Lambdawert zur Sauerstoffrückspeicherung.
Damit soll das technische Problem gelöst werden, dass unter Beibehaltung
einer im Wesentlichen vollständigen
Abgaskonvertierung durch den Katalysator der Beginn von Volllast-Betriebsphasen
mit möglichst
weitgehender Beschleunigungsanreicherung zugelassen wird. Ein Lösungsansatz
zur Kontrolle der Fett- bzw. Magerdurchbrüche während einer Kaltstartphase
ist hier ebenso wenig wie bei der
DE 35 20 226 C2 vorgesehen, bei der die Reinigungswirkung
eines in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten
Abgaskatalysators verbessert werden soll, um eine ausreichende Wirksamkeit
des Katalysators im Bereich niedriger Temperaturen ohne Beeinträchtigung
des Betriebswirkungsgrades, d. h. insbesondere des Kraftstoffverbrauchs,
zu ermöglichen.
Dazu ist hier vorgesehen, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des der Brennkraftmaschine
zugeführten
Kraftstoff-Luft-Gemisches in Richtung auf ein höheres und ein niedrigeres Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezogen
auf das stöchometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
anhand eines elektrischen Temperatursignals, das von der Temperatur
des Abgaskatalysators abgeleitet wird, variiert wird.
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Weiter
ist aus der
DE 42 11
116 A1 auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur On-Board-Diagnose
von Katalysatoren bekannt. Dazu wird der Lambdawert des Gemisches
so moduliert, dass sich die periodisch aufeinanderfolgenden Sauerstoffüberschuss-
und Sauerstoffmangelmengen sukzessive vergrößern. Der Zeitpunkt, zu dem
die mit der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators verbundene ausgleichende
Wirkung auf die Sauerstoffkonzentrationsschwankungen im Abgas nicht
mehr zur Kompensation der genannten vergrößerten Mengen ausreicht, wird
durch die Sprungreaktion einer hinter dem Katalysator angeordneten
Lambda-Sonde detektiert. Die Zeitspanne zwischen diesem Zeitpunkt und
dem Start der Vergrößerung wird
als Maß für die Konvertierungsfähigkeit
des Katalysators benutzt. Ein Lösungsansatz
für die
oben angesprochene Problematik zur Kontrolle von Mager- bzw. Fettdurchbrüchen beim
Kaltstart einer Brennkraftmaschine findet sich hier somit ebenfalls
nicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit dem insbesondere
während
einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine Fett- bzw. Magerdurchbrüche und damit unerwünschte Schadstoffemissionen
vermieden werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
dieses Verfahrens gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Gemäß Anspruch
1 weist das der Brennkraftmaschine zugeführte Gemisch, insbesondere
zur Vermeidung eines Fettdurchbruchs oder eines Magerdurchbruchs
beim Kaltstart, ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf, das wenigstens zeitweise anhand
der ermittelten Sauerstoffspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers eingestellt
wird.
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Vorteilhaft
wird es dadurch möglich,
den Fett- bzw. Magereintrag in den Fett- bzw. Magerbetriebsphasen insbesondere
während
der kritischen Kaltstartphase an die momentane Sauerstoffspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers
des Katalysators während
der Phase der Katalysatorerwärmung
anzupassen, wodurch unnötige
Emissionen insbesondere durch Fettdurchbrüche vermieden werden können. D.
h., dass somit gemäß der erfindungsgemäßen Verfahrensführung die
beiden unerwünschten
Effekte des Magerdurchbruchs bzw. des Fettdurchbruchs bereits während der
Kaltstartphase aber auch im Anschluss an diese z. B. über den
gesamten Arbeitsbereich kontrolliert und damit vermieden werden
können.
Denn dadurch, dass die Sauerstoffspeicherkapazität z. B. als Funktion der Temperatur
betrachtet wird, kann das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des zugeführten Gemisches
vorteilhaft daran angepasst werden, so dass die sich z. B. mit der
Erwärmung
des Katalysators stark ändernde
Sauerstoffspeicherkapazität
des Sauerstoffspeichers keinerlei negative Auswirkungen zeigt. Alternativ
oder zusätzlich
kann diese Einstellung aber auch in Abhängigkeit von der Katalysatoralterung
oder -vergiftung oder weiterer Einflüsse vorgenommen werden. Zudem
kann durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung eine
Unabhängigkeit
von der Betriebsbereitschaft der Sauerstoffssensoren erreicht werden,
so dass es auch unerheblich ist, dass diese z. B. keine Signale
liefern, mit denen ein Schluss auf den Sauerstoffspeicherinhalt
möglich
ist. Durch die Herstellung eines Zusammenhangs mit dem Sauerstoffspeicher,
insbesondere z. B. während
der Kaltstartphase und/oder aber auch im Anschluss an diese im betriebswarmen
Zustand ist es somit möglich,
die Zunahme des Sauerstoffspeichers z. B. für die Phase des Kaltstartes
parallel zur Aufheizung des Katalysators einfachst zu berechnen,
um damit die schadstoffoptimierte Einstellung der Mager- und Fettbetriebsphasen
während der
Kaltstartphase zu erreichen.
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Grundsätzlich kann
die Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in Abhängigkeit
von der Katalysatortemperatur und der Sauerstoffspeicherkapazität auch für einen
betriebswarmen Katalysator erfolgen, wie dies zuvor bereits erläutert wurde.
Nach Anspruch 2 wird jedoch eine Verfahrensführung vorgesehen, bei der die
Sauerstoffspeicherkapazität
am Ende einer Kaltstartphase und damit bei betriebswarmem Katalysator
zusätzlich
oder alternativ anhand von Regelsondensignalen einer Regelsonde und/oder
anhand von Führungssondensignalen
einer Führungssonde
ermittelt wird. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird
somit eine Alternative zur Verfügung
gestellt, mit der sich im betriebswarmen Katalysator die erforderlichen
Kraftstoff-Luft-Verhältnisse
einstellen lassen. Auch die Verwendung beider Ermittlungsarten ist
möglich,
um z. B. eine Redundanz für
die ermittelten Werte zu haben.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Verfahrensführung nach Anspruch 3 wird
die Aufheizung des Katalysators, vorzugsweise in axialer Richtung gesehen,
vorzugsweise wenigstens während
der Kaltstartphase über
den Wärmeeintrag
der Abgasenergie in den Abgaskatalysator ermittelt. Dies ist einfach
und auf funktionssichere Weise durchzuführen.
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Besonders
bevorzugt ist nach Anspruch 4 vorgesehen, dass die Sauerstoffspeicherkapazität als Funktion
der Katalysatoraufheiztemperatur bzw. der Katalysatortemperatur
z. B. während
der Kaltstartphase als Kennfeld oder Kennlinie abrufbar in einer
Speichereinheit einer Motorsteuereinrichtung abgelegt ist. Dadurch
kann die Kennlinie oder das Kennfeld je nach Bedarf jederzeit abgerufen
werden, so dass eine funktionssichere Betriebsweise einer Brennkraftmaschine
möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
der Vorrichtung gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Gemäß Anspruch
5 weist die Motorsteuerungseinrichtung eine Auswerteeinrichtung
auf, mittels der das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des der Brennkraftmaschine
zuführbaren
Gemisches wenigstens zeitweise, insbesondere während der Kaltstartphase, anhand
der ermittelten Sauerstoffspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers einstellbar
ist.
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Mit
einer derartigen Vorrichtung ist eine funktionssichere und einfache
Durchführung
des zuvor beschriebenen Verfahrens mit den dort genannten Vorteilen
möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1: den zeitlichen Verlauf
der Zunahme des Füllgrads
eines Sauerstoffspeichers nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine,
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2 den schematischen Zusammenhang zwischen
Temperatur und Füllgrad
des Sauerstoffspeichers,
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3 den zeitlichen Verlauf
der Lambdaregelung gemäß einer
erfindungsgemäßen Verfahrensführung,
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4 den zeitliche Verlauf
der Zunahme des Füllgrads
des Sauerstoffspeichers bei einer erfindungsgemäßen Lambdaregelung nach 3,
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5 die über der Zeit aufgetragene Konvertierung
bei einer erfindungsgemäßen Lambdaregelung
nach 3,
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6 die Lambdaregelung über der
Zeit bei einer Verfahrensführung
gemäß dem Stand
der Technik,
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7 den zeitlichen Verlauf
der Zunahme des Füllgrads
des Sauerstoffspeichers bei einer Verfahrensführung nach dem Stand der Technik
gemäß 6, und
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8 die über der Zeit aufgetragene Konvertierung
bei einer Verfahrensführung
nach dem Stand der Technik gemäß 6.
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In 1 ist die Zunahme des Füllgrades
des Sauerstoffsspeichers über
der Zeit gezeigt. Aus diesem Diagramm wird ersichtlich, dass der
Sauerstoffspeicher zu Beginn der Kaltstartphase (Zeitpunkt to) noch
nicht aufgefüllt
ist und erst im Verlauf des Betriebs der Brennkraftmaschine durch
einen mageren Betrieb der Brennkraftmaschine aufgefüllt wird.
In der 6 ist eine Lambdaregelung
nach dem Stand der Technik dargestellt, bei dem sich Fett- und Magerphasen
zu Beginn der Startphase z. B. aufgrund der noch nicht vorhandenen
Betriebsbereitschaft der Sauerstoffsensoren in jeweils gleichen
zeitlichen Abständen
periodisch wiederholen. Dies ist durch die Sauerstoffbilanz dargestellt,
wobei hohe Sauerstoffwerte einen mageren Betrieb und niedrige Sauerstoffwerte
einen Fettbetrieb bezeichnen. Bei einer derartigen Verfahrensführung nach 6 wird der Sauerstoffspeicher
im Katalysator entsprechend dem Diagramm der 7 entsprechend zyklisch aufgefüllt und
wieder entleert, wobei hier deutlich zu erkennen ist, dass insbesondere
zum Start der Brennkraftmaschine (Zeitpunkt to), d. h. unter Kaltstartbedingungen
der Sauerstoffspeicher aufgrund einer nur kurzen mageren Betriebsphase
nur sehr wenig aufgefüllt
wird und es anschließend
bei der drauffolgenden fetten Betriebsphase zu einer vollständigen Entleerung
des Sauerstoffspeichers kommt und damit zu einem Fettdurchbruch.
Erst zu einem späteren
Zeitpunkt ist der Sauerstoffspeicher dann so weit aufgefüllt, dass
es zu keinem vollständigen
Entleeren des Sauerstoffspeichers mehr kommt, so dass der Fettdurchbruch
vermieden werden kann. Diese Verfahrensführung zieht eine sehr schlechte
Konvertie rungsrate, insbesondere zu Beginn des Betriebs der Brennkraftmaschine,
d. h. im Kaltstart nach sich, wie dies schematisch der 8 zu entnehmen ist.
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Zur
Vermeidung dieser schlechten Konvertierungsrate und somit zum Fettdurchbruch
des hier gezeigten Beispiels wird gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagen, dass das der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisch
ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis
aufweist, das beispielhaft wenigstens während der Kaltstartphase anhand
der in Abhängigkeit von
einer Katalysatoraufheiztemperatur ermittelten Sauerstoffspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers eingestellt
wird. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Füllgrad des Sauerstoffspeichers
und der Katalysatoraufheiztemperatur, wie dies schematisch in der 2 gezeigt ist, ausgenutzt,
wobei Kurve 1 den Füllgrad
des Sauerstoffspeichers (= OSC-Speicher) und Kurve 2 den
Temperaturanstieg des Katalysators darstellen. Mit einer derartigen
erfindungsgemäßen Verfahrensführung ergibt
sich beispielsweise der in 3 dargestellte
zeitliche Verlauf der Lambdaregelung. Es ist hier deutlich zu erkennen, dass
insbesondere zu Beginn des Betriebs der Brennkraftmaschine, d. h.
beim Kaltstart die Fett- und Magerphasen sehr schnell aufeinanderfolgend
abwechseln. Dies hat zur Folge, dass der Sauerstoffspeicher, wie
dies der 3 zu entnehmen
ist, nie vollständig
entleert wird, so dass es auch zu keinem z. B. Fettdurchbruch kommen
kann. Dementsprechend wird mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung eine
sehr hohe und sehr gute Konvertierungsrate erreicht, wie dies schematisch
in der 4 dargestellt
ist.