DE10351590A1 - Method for operating an internal combustion engine of a vehicle, in particular of a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden mageren Gemisch mit einem vorgebbaren mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird und mit einem zweiten Betriebsbereich als Fettbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden fetten Gemisch mit einem vorgebbaren fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird, wobei der von der Brennkraftmaschine kommende Abgasstrom zur Konvertierung der darin enthaltenen Schadstoffkomponenten durch einen Katalysator, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator, geleitet wird, der einen Sauerstoffspeicher aufweist, in den bei Sauerstoffüberschuss Sauerstoff einspeicherbar ist, und wobei mittels einer Steuereinrichtung das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und damit das zyklische Umschalten zwischen dem Fett- und dem Magerbetriebsbereich zu einem definierten, vorgebbaren Umschaltzeitpunkt geregelt wird. Erfindungsgemäß wird der Umschaltzeitpunkt (t¶U¶, t¶M¶) in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt, dergestalt, dass die in den Katalysator (1) einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers ein ...The invention relates to a method for operating an internal combustion engine of a vehicle, in particular of a motor vehicle, with a first operating range as a lean operating range in which the internal combustion engine is operated with a lean excess and thus an excess of oxygen having lean mixture with a predeterminable lean air-fuel ratio and with a second operating range as the rich operating range, in which the internal combustion engine is operated with an air deficiency and thus a lack of oxygen rich mixture having a predetermined rich fuel-air ratio, wherein the exhaust gas coming from the engine for converting the pollutant components contained therein by a catalyst , in particular a 3-way catalyst, is passed, which has an oxygen storage, in which oxygen is einspeicherbar in excess of oxygen, and wherein by means of a control device, the fuel Air ratio and thus the cyclical switching between the rich and the lean operating range is regulated to a defined, predetermined switching time. According to the invention, the switching time (t¶U¶, t¶M¶) is determined as a function of the oxygen loading of the oxygen storage, such that the oxygen mass flowing into the catalyst (1) is detected by means of the oxygen storage capacity in dependence on an oxygen storage capacity. ..

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for operating an internal combustion engine a vehicle, in particular a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.

Im heutigen Automobilbau übliche Katalysatoren, insbesondere 3-Wege-Katalysatoren, erfüllen die Funktion, gleichzeitig drei Schadstoffkomponenten, nämlich CO, HC, und NOx zu konvertieren. Für die Konvertierung der Schadstoffkomponenten CO und HC wird Sauerstoff benötigt, d. h. die Brennkraftmaschine muss mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Dagegen ist zur Konvertierung der Schadstoffkomponente NOX durch Reduktion ein fettes Kraftstoff-Luft-Verhältnis erforderlich, d. h., dass CO und HC als Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt wird. Dies bedeutet, dass die Oxidations- und Reduktionsreaktionen nur dann gleichzeitig bei maximaler Konvertierung ablaufen können, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im stöchiometrischen Punkt befindet, also bei Lambda gleich eins. Die Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine löst dieses Problem, in dem sie unter Zuhilfenahme einer Messsonde im Abgas, der sog. Lambdasonde, und einem geschlossenen Regelkreis ständig eine dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis proportionale Größe misst. Misst nun die Lambdasonde 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 Motorbetriebes jedoch sehr wohl deutlich verschieden von eins sein kann. Der Katalysator würde darauf je nach Zustand des Abgases, fett oder mager, mit HC-, CO- bzw. NOx- Durchbrüchen bezüglich der Konvertierung reagieren.Catalysts customary in today's automotive industry, in particular 3-way catalysts, fulfill the function of simultaneously converting three pollutant components, namely CO, HC, and NO x . For the conversion of the pollutant components CO and HC oxygen is needed, ie the internal combustion engine must be operated with a lean fuel-air mixture. In contrast, to convert the pollutant component NO x by reduction, a rich fuel-air ratio is required, that is, that CO and HC is provided as a reducing agent. This means that the oxidation and reduction reactions can only proceed simultaneously at maximum conversion, if the air-fuel ratio is in the stoichiometric point, ie at lambda equal to one. The control device of the internal combustion engine solves this problem, in which it constantly measures a variable proportional to the air-fuel ratio with the aid of a measuring probe in the exhaust gas, the so-called lambda probe, and a closed control loop. If the lambda probe now measures a too rich or too lean exhaust gas, it is corrected by the regulation in one direction or the other. However, this means that the air-fuel ratio is stoichiometric only averaged over time, but may well be clearly different from one in concrete load points of engine operation. Depending on the state of the exhaust gas, rich or lean, the catalyst would react with HC, CO or NO x breakthroughs with respect to the conversion.

Um diese Durchbrüche zu vermeiden, ist es bereits bekannt, in einem Katalysator einen Sauerstoffspeicher vorzusehen, in den im Falle eines Sauerstoffüberschusses, d. h. in einem Magerbetriebsbereich der Brennkraftmaschine, in dem diese mit einem Luftüberschuss und damit mit einem einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden mageren Gemisch betrieben wird, Sauerstoff eingespeichert wird. Dieser eingespeicherte Sauerstoff kann dann in Fettbetriebsbereichen, in denen die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden fetten Gemisch mit einem vorgebbaren fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird, aus dem Sauerstoffspeicher ausgespeichert und zur Konvertierung der Schadstoffkomponenten herangezogen werden. Ebenso wird ein derartiger Sauerstoffspeicher benötigt, um den bei der Reduktion der Schadstoffkomponente NOx frei werdenden Sauerstoff einzuspeichern. Durch die Lambdamodulation werden über die axiale Länge des Katalysators gesehen sowohl Bereiche mit einem gefüllten Sauerstoffspeicher als auch Bereiche mit einem mehr oder weniger entleerten Sauerstoffspeicher ausgebildet.In order to avoid these breakthroughs, it is already known to provide an oxygen storage in a catalytic converter, in which, in the case of an excess of oxygen, ie in a lean operating region of the internal combustion engine in which it is operated with an excess of air and thus with an oxygen excess lean mixture. Oxygen is stored. This stored oxygen can then be stored in rich operating ranges, in which the internal combustion engine is operated with a lack of air and thus a lack of oxygen rich mixture with a predeterminable rich air-fuel ratio from the oxygen storage and used to convert the pollutant components. Likewise, such an oxygen storage is needed to store the released during the reduction of the pollutant component NO x oxygen. As a result of lambda modulation, both regions with a filled oxygen reservoir and regions with a more or less depleted oxygen reservoir are formed over the axial length of the catalytic converter.

Bei einem wünschenswerten Aufbau der Lambdaregelung ist eine Führungssonde vor und eine Regelsonde nach dem Katalysator platziert. Mit der Führungssonde kann dann solange der Eintrag von definiert fettem bzw. definiert magerem Abgas in den Katalysator geführt werden, bis dieser Eintrag von fettem bzw. magerem Abgas bis zur Regelsonde durchschlägt. Das Durchschlagen des Signals für fettes bzw. mageres Abgas bedeutet dann, dass bereits der Sauerstoffspeicher des Katalysators entweder fast völlig entleert bzw. fast völlig gefüllt ist, d. h. im Falle des fast völlig entleerten Sauerstoffspeichers wird kein CO und HC mehr oxidiert, während im Fall des fast völlig gefüllten Sauerstoffspeichers kein NOx mehr reduziert wird. Problematisch hierbei ist, dass es aufgrund der Trägheit des Systems eine zu lange Zeit dauert, bis nach der Feststellung mittels der Regelsonde, ob der Sauerstoffspeicher völlig entleert oder völlig gefüllt ist, auf die jeweils andere Betriebsphase umgeschalten wird, so dass es zu unerwünschten Fett- bzw. Magerdurchbrüchen kommt.In a desirable construction of the lambda control, a guide probe is placed in front of and a control probe is placed after the catalyst. With the guide probe can then as long as the entry of defined fat or defined lean exhaust gas are fed into the catalyst until this entry breaks through from rich or lean exhaust gas to the control probe. The breakthrough of the signal for rich or lean exhaust gas then means that already the oxygen storage of the catalyst is either almost completely empty or almost completely filled, ie in the case of almost completely emptied oxygen storage, no more CO and HC is oxidized, while in the case of Almost completely filled oxygen storage NO NO x is reduced more. The problem here is that it takes too long a time due to the inertia of the system until after detection by means of the control probe, whether the oxygen storage is completely empty or completely filled, is switched to the other operating phase, so that it is undesirable fat or lean breakthroughs comes.

Aus diesem Grund wird derzeit in der Praxis die Führungssonde 2' vor und die Regelsonde 5' nach einem gewissen Teilvolumen des Katalysators 1' platziert, wie dies in der den Stand der Technik darstellenden 3 gezeigt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass derjenige Teil des Sauerstoffspeichers des Katalysators, der nach der Regelsonde platziert ist, nicht völlig entleert bzw. völlig gefüllt wird und somit als Puffer zur Vermeidung der Fett- bzw. Magerdurchbrüche dienen kann. Der Nachteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, dass die Katalysatoranordnung und der Katalysatoraufbau hier sehr kompliziert ist und einen zusätzlichen Raumbedarf mit sich bringt. D. h. es entstehen dadurch zusätzliche Kosten. Weiterhin kann durch diese Anordnung der Regelsonde nicht der Sauerstoffspeicher des gesamten Katalysatorvolumens erfasst werden, was sich wiederum dahingehend auswirkt, dass dieser auch nicht optimal für die Konvertierung der Schadstoffe genutzt werden kann.For this reason, in practice, the guide probe 2 ' before and the control probe 5 ' after a certain partial volume of the catalyst 1' placed as shown in the prior art 3 is shown. This ensures that the part of the oxygen storage of the catalyst, which is placed after the control probe is not completely emptied or completely filled and thus can serve as a buffer to avoid the fat or lean breakthroughs. The disadvantage of this arrangement, however, is that the catalyst arrangement and the catalyst structure is very complicated here and brings with it an additional space requirement. Ie. There are additional costs. Furthermore, by this arrangement of the control probe not the oxygen storage of the entire catalyst volume can be detected, which in turn has the effect that this can not be used optimally for the conversion of pollutants.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zu entwickeln, mit dem Fett- bzw. Magerdurchbrüche auch bei einfachem Aufbau der Konvertierungseinheit funktionssicher vermieden werden können.task The invention therefore relates to a method for operating an internal combustion engine to develop a vehicle, in particular a motor vehicle, with the fat or lean breakthroughs too functionally reliable avoided with a simple design of the conversion unit can be.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.These Task is solved with the features of claim 1.

Gemäß Anspruch 1 wird der Umschaltzeitpunkt zwischen dem Fett- und Magerbetriebsbereich bzw. entsprechend umgekehrt zwischen dem Mager- und Fettbetriebsbereich in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt, und zwar dergestalt, dass die in den Katalysator einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt wird, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschalten wird.According to claim 1, the switching time between the rich and lean operating range or correspondingly reversed between the lean and rich operating range depending determined by the oxygen loading of the oxygen storage, and Although such that the oxygen mass flowing into the catalyst is detected by means of dependence from an oxygen storage capacity of the oxygen storage Oxygen loading threshold is set when it reaches switched between each fat and lean operating phases becomes.

Mit einem derartigen Sauerstoffbeladungsmodell kann auf einfache Weise eine Aussage über die zeitliche Sauerstoffbeladung sowie damit auch eine Aussage über die axiale Sauerstoffbeladung des Katalysators getroffen werden, um zur Vermeidung eines Fett- bzw. Magerdurchbruchs ein rechtzeitiges Umschalten zwischen den einzelnen Betriebsphasen vorzunehmen. Denn durch die Erfassung der in den Katalysator einströmenden Sauerstoffmasse ist auf einfache Weise eine Aussage über die zeitliche und auch die axiale Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers des Katalysators möglich, so dass man in diesem Fall nicht mehr auf den Zeitpunkt eines Sondensignales nach dem Katalysator angewiesen ist. Damit kann der zuvor erwähnte aufwendige Aufbau, bei dem die Regelsonde nach einem ersten Teilvolumen des Katalysators angeordnet ist, vorteilhaft vermieden werden. Ferner kann durch dieses erfindungsgemäße Sauerstoffbeladungsmodell eine Verfahrensführung erzielt werden, bei der ein Lambdasprung, d. h. ein Umschalten zwischen den einzelnen Betriebsphasen auch bereits bei solchen geringfügigen Änderungen der Sauerstoffbeladung der Sauerstoffspeicher vorgenommen werden, die messtechnisch nicht oder nur schwer zu erfassen sind. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung auf der Basis eines Sauerstoffbeladungsmodells wird somit eine vorteilhafte Unabhängigkeit von der Regelsonde insgesamt erreicht, so dass diese grundsätzlich sogar ganz eingespart werden könnte. Auf jeden Fall kann die Regelsonde bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung dem Katalysator nachgeschaltet werden und braucht nicht mehr in aufwendiger und komplizierter Weise nach einem Teilvolumen des Katalysators angeordnet werden. So kann mit der nachgeschalteten Regelsonde z. B. auf einfache und vorteilhafte Weise ein Abgleich des bzw. der voreingestellten Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte und somit des Sauerstoff-Beladungsmodells durchgeführt werden, worauf später noch näher eingegangen wird.With Such an oxygen loading model can easily a statement about the temporal oxygen loading and thus also a statement about the axial oxygen loading of the catalyst to be taken To avoid a fat or Magerdurchbruchs a timely switching between the individual operating phases. Because of the Detecting the inflow into the catalyst oxygen mass in a simple way a statement about the temporal and also the axial oxygen loading of the oxygen storage the catalyst possible, so that in this case you are no longer at the time of a probe signal is dependent on the catalyst. Thus, the aforementioned elaborate Structure in which the control probe after a first partial volume of the Catalyst is arranged, can be advantageously avoided. Further can by this invention oxygen loading model a procedure achieved in which a lambda jump, d. H. a switch between the individual operating phases even with such minor changes the oxygen loading of the oxygen storage are made, which are difficult or impossible to measure. With the process control according to the invention The basis of an oxygen loading model is thus an advantageous independence achieved by the control probe in total, so that in principle even completely saved could be. In any case, the control probe in the process control according to the invention the Catalyst can be connected downstream and no longer needs in consuming and complicated way after a partial volume of the catalyst to be ordered. So can with the downstream control probe z. B. in a simple and advantageous way a balance of or preset oxygen loading thresholds and thus the Oxygen loading model will be performed later discussed in more detail becomes.

Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Verfahrensführung ist dabei nach Anspruch 2 vorgesehen, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert in Abhängigkeit von katalysatorbedingten Parametern, wie z. B. der Katalysatoralterung und/oder der Katalysatortemperatur, festgelegt wird. Diese Parameter sind vorzugsweise in einem Kennfeld der Steuereinrichtung abgelegt, wobei diese Kennfelder z. B. auch während des Betriebs an veränderte Bedingungen angepasst werden können.According to one Particularly preferred concrete process control is according to claim 2 provided that the oxygen loading threshold depending on of catalyst-related parameters, such. B. the catalyst aging and / or the catalyst temperature. These parameters are preferably stored in a map of the control device, these maps z. B. also during operation to changing conditions can be adjusted.

Nach Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase ausgehend von einem vollen Sauerstoffspeicher bei in etwa 50 bis 90%, vorzugsweise 60 bis 80%, höchst bevorzugt 65 bis 75% Restsauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird. Ebenso kann der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Fettbetriebsphase auf die Magerbetriebsphase ausgehend von einem leeren Sauerstoffspeicher vorteilhaft bei in etwa 10 bis 50%, vorzugsweise 20 bis 40%, höchst bevorzugt 25 bis 35% Sauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt werden. Grundsätzlich wäre dabei auch die Festlegung lediglich eines dieser Schwellwerte möglich, wenn z. B. von dem einen Schwellwert auf den anderen Schwellwert geschlossen werden soll, wie dies bei der Einstellung einer definierten Amplitude der Zyklen möglich wäre.To Claim 3 is provided that the oxygen loading threshold for switching from the lean operating phase to the rich operating phase starting from a full oxygen storage at about 50 to 90%, preferably 60 to 80%, highest preferably 65 to 75% residual oxygen content in the oxygen storage is determined. Similarly, the oxygen loading threshold for switching the rich operating phase on the lean operating phase starting from a empty oxygen storage advantageous at about 10 to 50%, preferably 20 to 40%, highest preferably fixed 25 to 35% oxygen content in the oxygen storage become. in principle would be present also the definition of only one of these thresholds possible, if z. B. closed from one threshold to the other threshold should be like this when setting a defined amplitude Cycles possible would.

Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass der Sauerstoffmasseneintrag in den Katalysator in der Steuereinrichtung massenbasiert aus dem vorzugsweise mittels einer dem Katalysator vorgeschalteten Führungssonde erfassten Abgasmassenstrom abgeleitet wird. Dies ist auf einfache Weise möglich, da im Motorsteuergerät als Steuereinrichtung die Abgasmasse ohnehin vorhanden ist. Diese berechnet sich aus der in der Regel gemessenen angesaugten Luftmenge sowie der dazu eingespritzten Kraftstoffmenge.According to claim 4 it is provided that the oxygen mass entry into the catalyst mass-based in the control device preferably by means of an upstream of the catalyst guide probe detected exhaust mass flow is derived. This is possible in a simple manner, since in the engine control unit as a control device the exhaust gas mass is available anyway. This is calculated from the usually measured amount of air sucked in as well as the injected Fuel quantity.

Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung nach Anspruch 5, bei der die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte der Fett- und Magenbetriebsphasen eine Amplitude definieren, deren Mittellage zum Abgleich und/oder zur Vertrimmung der Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte einstellbar ist. So kann z. B. gemäß Anspruch 6 zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells vorgesehen sein, dass nach einer vorgebbaren Anzahl von Fett- und Magerzyklen der Lufteintrag oder der Kraftstoffeintrag solange erhöht wird, bis es z. B. von einer dem Katalysator nachgeschalteten Regelsonde ein Mager- oder Fettdurchbruch erfasst wird. Anschließend kann dann die Mittellage der Amplitude entsprechend dem ermittelten Abgleichergebnis festgelegt werden. Vorzugsweise wird dabei die Amplitude so eingestellt, dass das Volumen des Katalysators möglichst vollständig ausgenutzt wird. Bei der Einstellung der Amplitude ist auch zu beachten, dass größere Amplituden messtechnisch eher zu erfassen sind als kleinere Amplituden. Gemäß der erfindungsgemäßen Verfahrensführung können jedoch derartige kleinere Amplituden ohne weiteres eingestellt werden, da diese messtechnisch eben gerade nicht mehr erfasst werden müssen, so dass hier ganz alleine nach dem Sauerstoffbeladungsmodell gefahren werden kann.A method guide according to claim 5, wherein the oxygen loading threshold values of the fat and stomach operating phases define an amplitude whose center position can be set for the adjustment and / or for the compensation of the oxygen loading threshold values, is particularly preferred. So z. B. be provided according to claim 6 for balancing the oxygen loading model that after a predetermined number of rich and lean cycles of air intake or the fuel input is increased until it z. B. from a downstream of the catalyst control probe a lean or fat breakthrough is detected. Subsequently, the center position of the amplitude can then be determined according to the determined adjustment result. Preferably, the amplitude is adjusted so that the volume of the catalyst is utilized as completely as possible. When setting the amplitude, it should also be noted that larger amplitudes are easier to detect by measurement than smaller amplitudes. According to the process control according to the invention, however, such smaller amplitudes can be readily adjusted, since these metrology just are no longer detected need to be driven so that all alone after the oxygen loading model.

Nach Anspruch 7 beträgt der Wert für das mittlere Lambda nach dem Katalysator für einen Normalbetrieb der Brennkraftmaschine in etwa eins, so dass die Lambdaabweichungen vor dem Katalysator nicht durch den Katalysator durchtreten.To Claim 7 is the value for the mean lambda after the catalyst for a normal operation of the internal combustion engine in about one, so the lambda deviations in front of the catalyst are not pass through the catalyst.

Weiterhin besteht bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Sauerstoffbeladungsmodells noch die vorteilhafte Möglichkeit, den massenbasierten Oxidationsmittel- bzw. Reduktionsmitteleintrag in den Katalysator über der Abgasmasse auf ein Optimum bezüglich Katalysatorkonvertierung und Kraftstoffverbrauch einzustellen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, den Lambdaverlauf während einer halben Periode in der Fett- bzw. Magerphase nicht konstant einzustellen, sondern in der Art zu optimieren, dass die Emissionen minimiert werden. Ebenso kann das Nach-Kat-Signal möglichst langsam den Wechsel von fett auf mager bzw. von mager auf fett anzeigen. Je geringer die Signaländerung nach dem Katalysator ist, desto höher ist dann die Auflösung des Lambdaverlaufs in axialer Richtung des Katalysators.Farther exists in the process of the invention with the use of the oxygen loading model according to the invention still the advantageous possibility the mass-based oxidant or reducing agent entry into the catalyst over the exhaust gas mass to an optimum with respect to catalyst conversion and to adjust fuel consumption. There is also the possibility the lambda curve during Half a period in the fat or lean phase is not constant to adjust, but in the way to optimize that emissions be minimized. Likewise, the post-Kat signal as possible slowly indicate the change from rich to lean or from lean to rich. The lower the signal change After the catalyst, the higher is the resolution of the Lambdaverlaufs in the axial direction of the catalyst.

Gleichzeitig ist aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung anhand der Berechnung des Oxidationsmittel- bzw. Reduktionsmitteleintrag und dem Signal der Lambdasonde nach dem Katalysator nach jeder Amplitude die Berechnung des aktuellen Sauerstoffspeichers auf einfache Weise möglich. Dieser Wert ist einerseits ebenfalls für den stetigen Abgleich des Modells von Vorteil und andererseits wird er auch für die On-Board-Diagnose benötigt.simultaneously is based on the method of the invention based the calculation of the oxidant or reducing agent entry and the signal of the lambda probe after the catalyst after each amplitude the calculation of the current oxygen storage in a simple way possible. This value is on the one hand also for the continuous adjustment of the Model of benefit and on the other hand, he will also for on-board diagnosis needed.

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist auch eine Steuereinrichtung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren.object The present application is also a control device for performing one of method described above.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. The The invention will be explained in more detail with reference to a drawing.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Fett- und Magerbetriebsphasen mit entsprechender Sauerstoffbeladung eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators, wobei hier ein theoretischer Verlauf mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung verglichen wird, 1 a schematic representation of different rich and lean operating phases with corresponding oxygen loading of an oxygen storage of a catalyst, in which case a theoretical course is compared with the method according to the invention,

2 einen schematischen Aufbau einer Abgasanlage bei erfindungsgemäßer Verfahrensführung, und 2 a schematic structure of an exhaust system in the inventive process, and

3 einen schematischen Aufbau einer Abgasanlage bei einer Verfahrensführung gemäß dem Stand der Technik. 3 a schematic structure of an exhaust system in a process control according to the prior art.

In der 1 ist die Sauerstoffbilanz vor dem Katalysator bzw. der Sauerstoffanteil in% über der Zeit aufgetragen, wobei strichliert der in den Katalysator einströmende Sauerstoff und mit durchgezogenen Linien der aus dem Katalysator ausströmende Sauerstoff dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t0 wird von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase umgeschalten, wodurch der in den Katalysator einströmende Sauerstoff nahezu gegen null geht. Dadurch, dass zum Zeitpunkt t0 der Sauerstoffspeicher des Katalysators vollständig gefüllt ist, wird im weiteren zeitlichen Verlauf des Fettzyklus der Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher des Katalysators ausgespeichert, wie dies in der 1 durch den abnehmenden Teilkurvenausschnitt zwischen den Zeitpunkten t0 und t* UF gezeigt ist. Zum Zeitpunkt t* UF ist der Sauerstoffspeicher vollständig entleert, so dass es hier zu einem Durchbruch der Schadstoffkomponenten HC und CO kommen würde. Um dies zu vermeiden, wird zum Zeitpunkt t* UF wieder vom Fettbetriebsphasenzyklus auf den Magerbetriebsphasenzyklus umgeschalten, bei dem wieder ein hoher Sauerstoffanteil im in den Katalysator einströmenden Abgasstrom enthalten ist, um den Sauerstoffspeicher wieder aufzufüllen. Das Auffüllen des Sauerstoffspeichers wird durch den Kurvenabschnitt zwischen t* UF und t* UM dargestellt. Zum Zeitpunkt t* UM ist dann der Sauerstoffspeicher wieder vollständig gefüllt, was bedeutet, dass kein NOx mehr reduziert wird und es zu einem Durchbruch dieser Schadstoffkomponente kommt. Das Problem bei dieser eben beschriebenen rein theoretischen Verfahrensführung wäre jedoch, dass die mit z. B. einer Regelsonde erfasste Situation zu den Zeitpunkten t* UF und t* UM aufgrund der Trägheit der Regelung zu einem unerwünschten Durchbruch großer Mengen der Schadstoffkomponenten führen würde. Aufgrund der Trägheit des Systems wäre daher um einen entsprechenden Puffer bezüglich der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers zu haben z. B. ein Umschalten zu den Zeitpunkten tUF und tUM erforderlich, was jedoch mit einer dem Katalysator nachgeschalteten Regelsonde messtechnisch nicht erfassbar ist, da u. a. die in 1 schematisch eingezeichnete Amplitude A hier zu klein ist, um sie messtechnisch zu erfassen. Aus diesem Grund wird in der Praxis der in 3 dargestellte und bereits in der Beschreibungseinleitung gewürdigte Aufbau gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, bei dem eine Regelsonde 5' nach einem ersten Teilvolumen eines zweigeteilten Katalysators 1' angeordnet wird.In the 1 is the oxygen balance in front of the catalyst or the percentage of oxygen in% plotted over time, wherein the dashed lines of the oxygen flowing into the catalyst and with solid lines of the effluent from the catalyst oxygen. At time t 0 , the lean operating phase is switched over to the rich operating phase, whereby the oxygen flowing into the catalyst approaches almost zero. Characterized in that at the time t 0, the oxygen storage of the catalyst is completely filled, the oxygen is expelled from the oxygen storage of the catalyst in the further course of the fat cycle, as in the 1 is shown by the decreasing part curve section between the times t 0 and t * UF . At the time t * UF , the oxygen storage is completely emptied, so that it would come here to a breakthrough of the pollutant components HC and CO. In order to avoid this, at the time t * UF the system switches over again from the rich operation phase cycle to the lean operation phase cycle, in which a high proportion of oxygen in the exhaust gas flow flowing into the catalyst is again contained, in order to replenish the oxygen storage. The filling of the oxygen storage is represented by the curve section between t * UF and t * UM . At time t * UM , the oxygen storage is then completely filled again, which means that no more NO x is reduced and there is a breakthrough of this pollutant component. The problem with this just described theoretical procedure, however, would be that with z. B. a control probe detected situation at the times t * UF and t * UM would lead to an unwanted breakthrough of large quantities of pollutant components due to the inertia of the scheme. Due to the inertia of the system would therefore have to have a corresponding buffer with respect to the oxygen loading of the oxygen storage z. B. a switching to the times t UF and t UM required, but this is not detectable by a control downstream of the catalyst control probe, since, inter alia, in 1 schematically drawn amplitude A is too small here to capture them by measurement. For this reason, in practice the in 3 illustrated and already appreciated in the introduction introduction structure according to the prior art, in which a control probe 5 ' after a first partial volume of a two-part catalyst 1' is arranged.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Verfahrensführung werden jedoch, die Umschaltzeitpunkte tUF und tUM anhand eines Sauerstoffbeladungsmodells in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt. Dazu wird mittels der in der 2 dargestellten und dem Katalysator 1 vorgeschalteten Führungssonde 2 die in den Katalysator 1 von der Brennkraftmaschine 3 kommende Sauerstoffmasse im Abgasstrom erfasst und in der Steuereinrichtung 4 ausgewertet, z. B. durch Aufintegration. Mittels der Steuereinrichtung 4 wird dann in Abhängigkeit von einer in einem Kennfeld der Steuereinrichtung 4 abgelegten und gegebenenfalls jeweils aktuell ermittelbaren maximalen Sauerstoffeinspeicherkapazität eines Sauerstoffspeichers des Katalysators 1 ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig von einer Regelsonde lediglich anhand des Sauerstoffbeladungsmodells die Umschaltzeitpunkte tUF und tUM ermittelt werden können. Eine Regelsonde 5, die dann auf baulich technische einfache Weise dem Katalysator 1 nachgeordnet werden kann, dient in einem solchen Fall somit vorteilhaft nur noch zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells bzw. zur Unterstützung einer Vertrimmung in Richtung fett oder mager.According to the process control according to the invention, however, the switching times t UF and t UM are determined on the basis of an oxygen loading model as a function of the oxygen loading of the oxygen storage. This will be by means of in the 2 and the catalyst shown 1 upstream guide probe 2 into the catalyst 1 from the internal combustion engine 3 incoming oxygen mass detected in the exhaust stream and in the control device 4 evaluated, z. B. by integration. By means of the control device 4 is then dependent on a in a map of the controller 4 stored and possibly each currently ascertainable maximum oxygen storage capacity of an oxygen storage of the catalyst 1 set an oxygen loading threshold value, which switches between the individual rich and lean operating phases when it is reached. It is thereby achieved that, independently of a control probe, the switching times t UF and t UM can only be determined on the basis of the oxygen loading model . A control probe 5 , which then in a structurally simple technical way the catalyst 1 can be subordinate in such a case thus advantageously only to balance the oxygen loading model or to support a trimming in the direction of fat or lean.

Die Umschaltzeitpunkte tUF und tUM werden dabei anhand des Sauerstoffbeladungsmodells ggf. auch unter Abgleich desselben so gewählt, dass das gesamte Katalysatorvolumen, und hier insbesondere das Sauerstoffspeichervolumen optimal ausgenützt wird.The switching times t UF and t UM are thereby optionally selected on the basis of the oxygen loading model and also under balancing thereof so that the entire catalyst volume, and here in particular the oxygen storage volume, is optimally utilized.

Wie dies in der 1 lediglich schematisch eingezeichnet ist, werden die Umschaltzeitpunkte und damit die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte so festgelegt, dass diese die Amplitude A mit der Mittellage M definieren.Like this in the 1 is shown only schematically, the switching times and thus the oxygen loading thresholds are set so that they define the amplitude A with the center position M.

Die Amplitude kann dabei z. B. so eingestellt werden, dass sich zeitlich gleiche Fett- und Magerbetriebsphasenzyklen ergeben. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Lambdaverlauf in der Art zu optimieren, dass die Emissionen minimiert werden, so dass die Zyklen der Fett- bzw. Magerbetriebsphasen auch nicht zeitlich gleich sein können. Z. B. kann dabei die Einstellung auch so gewählt werden, dass das Nach-Kat-Signal möglichst langsam den Wechsel von fett auf mager bzw. mager auf fett anzeigt, d. h. je geringer die Signaländerung dann nach dem Katalysator ist, desto höher ist die Auflösung des Lambdaverlaufs in axialer Richtung des Katalysators.The Amplitude can be z. B. be set so that in time same fat and lean operating phase cycles. It exists but also the possibility to optimize the lambda curve in the way that the emissions be minimized so that the cycles of the rich and lean phases of operation also can not be the same in time. For example, the setting can also be selected so that the post-Kat signal preferably slowly indicates the change from rich to lean or lean to rich, d. H. the lower the signal change then after the catalyst is, the higher the resolution of the Lambda curve in the axial direction of the catalyst.

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden mageren Gemisch mit einem vorgebbaren mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird und mit einem zweiten Betriebsbereich als Fettbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden fetten Gemisch mit einem vorgebbaren fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird, wobei der von der Brennkraftmaschine kommende Abgasstrom zur Konvertierung der darin enthaltenen Schadstoffkomponenten durch einen Katalysator, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator, geleitet wird, der einen Sauerstoffspeicher aufweist, in den bei Sauerstoffüberschuss Sauerstoff einspeicherbar ist und aus dem bei Sauerstoffmangel Sauerstoff ausspeicherbar ist, und wobei mittels einer Steuereinrichtung das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und damit das zyklische Umschalten zwischen dem Fett- und Magerbetriebsbereich zu einem definierten, vorgebbaren Umschaltzeitpunkt geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltzeitpunkt (tU, tM) in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt wird dergestalt, dass die in den Katalysator (1) einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt wird, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschalten wird.Method for operating an internal combustion engine of a vehicle, in particular a motor vehicle, having a first operating range as a lean operating range, in which the internal combustion engine is operated with a lean excess and thus excess oxygen lean mixture with a predetermined lean fuel-air ratio and with a second operating range as rich operating range in which the internal combustion engine with a lack of air and thus an oxygen deficiency rich mixture is operated with a predetermined rich air-fuel ratio, the exhaust gas coming from the engine for converting the pollutant components contained therein by a catalyst, in particular a 3 -Way catalyst is passed, which has an oxygen storage, in which oxygen can be stored in oxygen excess and ausspeicherbar from the oxygen deficiency oxygen, and wherein means a control device, the fuel-air ratio and thus the cyclical switching between the rich and lean operating range is controlled at a defined, predetermined switching time, characterized in that the switching time (t U , t M ) is determined in dependence on the oxygen loading of the oxygen storage such that in the catalyst ( 1 ) inflowing oxygen mass is detected, by means of which, depending on an oxygen storage capacity of the oxygen storage, an oxygen loading threshold value is set when it is switched between the individual rich and lean phases of operation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert in Abhängigkeit von katalysatorbedingten Parametern festgelegt wird, die vorzugsweise in einem Kennfeld der Steuereinrichtung abgelegt sind oder werden.Method according to claim 1, characterized in that that the oxygen loading threshold value depends on catalyst Parameter is set, preferably in a map of the Control device are stored or will. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase ausgehend von einem vollen Sauerstoffspeicher bei in etwa 50 bis 90%, vorzugsweise 60 bis 80% höchst bevorzugt 65 bis 75% Restsauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird, und/oder dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Fettbetriebsphase auf die Magerbetriebsphase ausgehend von einem leeren Sauerstoffspeicher bei in etwa 10 bis 50%, vorzugsweise 20 bis 40%, höchst bevorzugt 25 bis 35% Sauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the oxygen loading threshold for switching from the lean operating phase on the rich operation phase starting from a full oxygen storage at about 50 to 90%, preferably 60 to 80% most preferred 65 to 75% residual oxygen content in the oxygen storage set will, and / or that the oxygen loading threshold value for Switchover from the rich operation phase to the lean operation phase starting from an empty oxygen storage at about 10 to 50%, preferably 20 to 40%, highest preferably fixed 25 to 35% oxygen content in the oxygen storage becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffmasseneintrag in den Katalysator (1) in der Steuereinrichtung (4) massenbasiert aus dem vorzugsweise mittels einer dem Katalysator (1) vorschalteten Führungssonde (2) erfassten Abgasmassenstrom abgeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the oxygen mass entry into the catalyst ( 1 ) in the control device ( 4 ) mass-based from which preferably by means of a catalyst ( 1 ) upstream guide probe ( 2 ) detected exhaust gas mass flow is derived. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte der Fett- und Magerbetriebsphasen eine Amplitude (A) definieren, deren Mittellage zum Abgleich und/oder Vertrimmung der Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte einstellbar ist.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygen loading threshold values of the rich and lean operating phases define an amplitude (A) the center position of which can be set to balance and / or cancel the oxygen loading threshold values. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells nach einer vorgebbaren Anzahl von Fett- und Magerzyklen der Lufteintrag oder der Kraftstoffeintrag solange erhöht wird, bis ein Mager- oder Fettdurchbruch erfasst wird, vorzugsweise von einer dem Katalysator (1) nachgeschalteten Regelsonde (5) erfasst wird, und dass die Mittellage der Amplitude (A) entsprechend dem ermittelten Abgleichergebnis festgelegt wird.A method according to claim 5, characterized in that for adjusting the oxygen loading model after a predetermined number of rich and lean cycles, the air intake or the fuel input is increased until a lean or fat breakthrough is detected, preferably from a catalyst ( 1 ) downstream control probe ( 5 ) is detected, and that the center position of the amplitude (A) is determined according to the determined adjustment result. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für das mittlere Lambda nach dem Katalysator (1) für einen Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (3) in etwa eins beträgt und somit die Lambdaabweichungen vor dem Katalysator nicht durch den Katalysator durchtreten.A method according to claim 6, characterized in that the value for the mean lambda after the catalyst ( 1 ) for a normal operation of the internal combustion engine ( 3 ) is about one and thus the lambda deviations before the catalyst do not pass through the catalyst. Steuereinrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7.Control device for performing one of the method according to the claims 1 to 7.
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