DE19932290A1 - Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet sind, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben und wobei die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur wenigstens eines, in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO x -Speicherkatalysators erfolgt. Es ist vorgesehen, daß DOLLAR A (a) beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare erste Grenztemperatur (G1) ein Arbeitsmodus mit <6 1 eingestellt wird; DOLLAR A (b) eine zweite Grenztemperatur (G2) vorgegeben wird, die oberhalb der ersten Grenztemperatur (G1) liegt, und DOLLAR A (c) nach einem erstmaligen Überschreiten der Katalysatortemperatur über die zweite Grenztemperatur (G2) und einem anschließenden Absinken der Katalysatortemperatur unter die zweite Grenztemperatur (G2) ein Arbeitsmodus mit <> 1 (Magerbetrieb) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, einer Verbrennungskraftmaschine Mittel zuzuordnen, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben. Ferner ist bekannt, in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine einen NOx- Speicherkatalysator zur Reinigung eines Abgases anzuordnen. Ein solcher NOx- Speicherkatalysator absorbiert in einem Arbeitsmodus mit λ < 1 NOx, und zwar so lange, bis eine NOx-Desorptionstemperatur oder eine NOx-Speicherkapazität erreicht ist. In einem Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 wird das NOx wieder desorbiert und an einer Katalysatorkomponente des NOx-Speicherkatalysators mit den während eines Verbrennungsvorgangs entstehenden Reduktionsmitteln CO, HC oder H2 umgesetzt (stöchiometrischer oder fetter Betrieb). Zur Minderung einer NOx-Emission muß die Verbrennungskraftmaschine daher zumindest temporär in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb geschaltet werden.
Im Zuge fortschreitender Optimierungsbemühungen hinsichtlich eines Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Magerbetrieb möglichst lange aufrechtzuerhalten. Gemäß den bisherigen Verfahren wird eine Regeneration - also ein Wechsel in den Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 - in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur und/oder einer NOx-Speicherfähigkeit initiiert. Wird beispielsweise eine vorgebbare Grenztemperatur des NOx- Speicherkatalysators überschritten, so wird bei den herkömmlichen Verfahren so lange der stöchiometrische oder fette Betrieb aufrechterhalten, bis diese Grenztemperatur wieder unterschritten wird. Dies kann jedoch aus zweierlei Gründen nachteilig sein. Einerseits ist im allgemeinen eine Abgastemperatur im stöchiometrischen oder fetten Betrieb höher als im Magerbetrieb und somit verzögert sich ein Auskühlen des NOx- Speicherkatalysators. Andererseits wird die Grenztemperatur mit einem relativ großen Sicherheitsabstand zur tatsächlichen NOx-Desorptionstemperatur gewählt, um in einem dynamischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine hinreichend niedrige NOx-Emis­ sionen stromab des NOx-Speicherkatalysators zu gewähren. Häufig liegen jedoch Randbedingungen vor, die es auch nach dem Überschreiten der Grenztemperatur erlauben, die Verbrennungskraftmaschine im Magerbetrieb zu betreiben. Insgesamt kommt es damit zu einem unnötigen Mehrverbrauch an Kraftstoff.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Aufrechterhaltung des stöchiometrischen oder fetten Betriebes der Verbrennungskraftmaschine stärker an einen tatsächlichen Katalysatorzustand anzupassen. Damit einhergehend soll der stöchiometrische oder fette Betrieb nach Möglichkeit verkürzt und ein Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Dadurch, daß
  • a) beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare erste Grenztemperatur ein Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 eingestellt wird und
  • b) eine zweite Grenztemperatur vorgegeben wird, die oberhalb der ersten Grenztemperatur liegt, und
  • c) nach einem erstmaligen Überschreiten der Katalysatortemperatur über die zweite Grenztemperatur (G2) und einem anschließenden Absinken der Katalysatortemperatur unter die zweite Grenztemperatur (G2) ein Arbeitsmodus mit λ < 1 (Magerbetrieb) eingestellt wird,
kann wesentlich flexibler auf den tatsächlichen Katalysatorzustand reagiert werden. Nach dem Überschreiten der ersten Grenztemperatur wird zwar die Verbrennungskraftmaschine auf den stöchiometrischen oder fetten Betrieb eingestellt, jedoch kann der Wechsel zurück in den Magerbetrieb unabhängig von dieser ersten Grenztemperatur stattfinden. Erlauben die Randbedingungen des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine den Magerbetrieb, so kann der Wechsel auch bei einer Katalysatortemperatur oberhalb der ersten Grenztemperatur stattfinden. Zur Vermeidung eines permanenten Umschaltens zwischen Magerbetrieb und stöchiometrischem oder fettem Betrieb wird der Wechsel jedoch abhängig davon gemacht, daß zunächst die zweite Grenztemperatur überschritten werden muß. Dabei wird die zweite Grenztemperatur derart gewählt, daß oberhalb dieser Temperatur ein Magerbetrieb definitiv nicht sinnvoll ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wechsel in den Magerbetrieb und dessen Aufrechterhaltung in Abhängigkeit von wenigstens einem der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine gesteuert. So kann beispielsweise eine Motordrehzahl, eine angeforderte Last, eine Raumgeschwindigkeit des Abgases, eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder ein Gehalt wenigstens einer Gaskomponente am Abgas berücksichtigt werden. Auf diese Weise können die sich laufend ändernden Betriebsparameter bei einem dynamischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in die Wahl des Arbeitsmodus mit einfließen. So mag es wenig sinnvoll sein, in den Magermodus zu wechseln oder diesen aufrechtzuerhalten, wenn abzusehen ist, daß beispielsweise infolge eines Beschleunigungsvorgangs eine Abgastemperatur und damit die Katalysatortemperatur kurze Zeit später wieder die zweite Grenztemperatur überschreiten wird.
In bevorzugter Weise wird unmittelbar nach dem Wechsel in Magerbetrieb die NOx- Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators überwacht. Überschreitet die NOx- Emission einen vorgebbaren Schwellenwert, so kann zum einen direkt wieder ein Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb erfolgen und zum anderen kann - sofern es die Randbedingungen des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine erlauben - eine NOx-Minderungsmaßnahme, wie beispielsweise ein low-NOx- Magerbetrieb, eingestellt werden. In einem solchen low-NOx-Magerbetrieb ist ein Gehalt des NOx am Abgas herabgesetzt.
In gleicher Weise kann eine Dauer einer Zeitspanne für ein Erreichen einer vorgebbaren kumulierten NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators mit einer Dauer einer Sollzeitspanne für das Erreichen der vorgebbaren kumulierten NOx-Emission verglichen werden. Unterschreitet die gemessene Zeitspanne die Sollzeitspanne, so wird wieder der stöchiometrische oder fette Betrieb aufgenommen. Insgesamt können somit aus­ geprägte und übergroße NOx-Emissionen stromab des NOx-Speicherkatalysators in dem Magerbetrieb verhindert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung eines NOx-Speicherkatalysators in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 2 einen Verlauf einer Katalysatortemperatur und
Fig. 3 und 4 zwei Flußdiagramme zweier Ausführungs­ beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung eines Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine.
In der Fig. 1 ist in schematischer Weise eine Anordnung 10 eines NOx- Speicherkatalysators 12 in einem Abgaskanal 14 einer Verbrennungskraftmaschine 16 dargestellt. Ferner sind in dem Abgaskanal 14 Sensoren 18, 20 angeordnet, die es erlauben, einen Gehalt einer Gaskomponente am Abgas zu bestimmen (Gassensoren) oder zur Erfassung einer Temperatur dienen (Temperatursensoren). Anzahl, Lage und Typ solcher Sensoren 18, 20 sind in einem hohen Maße variabel. Eine Erfassung und Auswertung der Signale derartiger Sensoren 18, 20 ist bekannt und soll im Rahmen dieser Beschreibung nicht näher erläutert werden. Daneben ist es in bekannter Weise möglich, mit Hilfe von geeigneten Modellen den Gehalt der Gaskomponenten oder die Temperatur in ausgewählten Bereichen der Anordnung 10 zu berechnen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine Darstellung von der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Mitteln verzichtet, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine eine Regelung eines Arbeitsmodus erlauben. Derartige Mit­ tel zur Beeinflussung der Betriebsparameter sind hinlänglich bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Ebenso ist es bekannt, eine Katalysatortemperatur beispielsweise mittels des Sensors 20 zu erfassen und die Regelung der Betriebs­ parameter der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von dieser Katalysatortemperatur durchzuführen.
Liegt während eines Verbrennungsvorganges in der Verbrennungskraftmaschine 16 Sauerstoff in einem Überschuß gegenüber einem Kraftstoff vor, so befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in einem Arbeitsmodus mit λ < 1 (Magerbetrieb). Während des Magerbetriebs wird das während des Verbrennungsvorganges entstehende NOx in dem NOx-Speicherkatalysator 12 absorbiert, und zwar so lange, bis entweder eine NOx- Desorptionstemperatur oder eine NOx-Speicherkapazität überschritten ist.
Unter stöchiometrischen Bedingungen oder bei einem Überschuß des Kraftstoffs gegenüber dem Sauerstoff (λ ≦ 1) entstehen im allgemeinen in einem vermehrten Maße Reduktionsmittel wie CO, HC oder H2. Im stöchiometrischen oder fetten Betrieb wird das absorbierte NOx wieder ausgelagert und mit Hilfe der Reduktionsmittel im NOx-Spei­ cherkatalysator 12 umgesetzt.
Wie bereits erwähnt, ist eine NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 12 temperaturabhängig. Zur Vermeidung einer NOx-Emission wird daher die Verbrennungskraftmaschine 16 in dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem Überschreiten einer vorgebbaren ersten Grenztemperatur G1 in den Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 eingestellt. Ein Verlauf der Temperatur während einer solchen Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 ist in Fig. 2 exemplarisch dargestellt. Am Ende einer mageren Phase tm1 erreicht - wie dargestellt - die Katalysatortemperatur die erste Grenztemperatur G1 und nachfolgend wird in einer stöchiometrischen oder fetten Phase tf1 der Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 sichergestellt.
Am Ende der stöchiometrischen oder fetten Phase tf1 überschreitet die Katalysatortemperatur eine vorgebbare zweite Grenztemperatur G2. Von diesem Moment an kann wieder ein Wechsel in den Magerbetrieb stattfinden, ist jedoch aufgrund der hohen Katalysatortemperatur wenig sinnvoll, und deshalb wird in einer stöchiometrischen oder fetten Phase tf2 weiterhin der stöchiometrische oder fette Betrieb aufrechterhalten. Da dadurch ein Wechsel des Arbeitsmodus erst nach Überschreiten des zweiten Grenzwertes G2 möglich ist, kann ein permanentes Umschalten zwischen Mager- und stöchiometrischem oder fettem Betrieb unmittelbar nach dem Überschreiten des ersten Grenzwertes G1 vermieden werden.
Unterschreitet die Katalysatortemperatur nachfolgend wieder die zweite Grenztemperatur G2, so kann bereits in einer Phase tm2 ein Wechsel in den Magerbetrieb erfolgen. Da im allgemeinen eine Abgastemperatur in dem Magerbetrieb niedriger ist als im stöchiometrischen oder fetten Betrieb, kann der NOx- Speicherkatalysator 12 schneller abkühlen.
Der Wechsel des Arbeitsmodus kann zudem abhängig gemacht werden von wenigstens einem der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16. So ist es sinnvoll, eine Motordrehzahl, eine angeforderte Last, eine Raumgeschwindigkeit des Abgases, einen Gehalt wenigstens einer Gaskomponente am Abgas (Rohemission) oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit zu berücksichtigen. Ferner ist es sinnvoll, die NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 zu überwachen und anhand vorgebbarer Schwellenwerte für die NOx-Emission eine Aufrechterhaltung des Magerbetriebs festzulegen. Dazu kann beispielsweise auch eine Dauer einer Zeitspanne für ein Erreichen einer vorgebbaren kumulierten NOx-Emission stromab des NOx- Speicherkatalysators 12 mit einer Dauer einer Sollzeitspanne für das Erreichen der vorgebbaren kumulierten NOx-Emission verglichen werden und beim Unterschreiten der Dauer der Zeitspanne gegenüber der Dauer der Sollzeitspanne wieder ein Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Modus initiiert werden.
Eine derartige Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine nach dem Überschreiten der ersten Grenztemperatur G1 zeigt ein Flußdiagramm in der Fig. 3. In einem ersten Schritt S1 wird ermittelt, ob die Katalysatortemperatur zwischen der ersten Grenztemperatur G1 und der zweiten Grenztemperatur G2 liegt. Übersteigt die Katalysatortemperatur die zweite Grenztemperatur G2, so wird mit einem Schritt S2 die Abfrage abgebrochen und gegebenenfalls neu initiiert.
Liegt die Katalysatortemperatur in einem geeigneten Bereich, so wird in einem Schritt S3 ermittelt, ob die Katalysatortemperatur bereits wenigstens einmal die zweite Grenztemperatur G2 überschritten hat. Kann auch dies bejaht werden, so kann in einem Schritt S4 eine Evaluierung ausgewählter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 erfolgen. So kann beispielsweise eine Schwelle für die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Raumgeschwindigkeit des Abgases gesetzt werden, ab der ein Wechsel in den Magerbetrieb nicht mehr zugelassen ist. Ebenso ist denkbar, den Gehalt wenigstens einer Gaskomponente im Abgas, insbesondere von NOx mit einfließen zu lassen.
Sind alle Randbedingungen erfüllt, so kann in einem Schritt S5 ein Wechsel in den Magerbetrieb erfolgen. Eine Aufrechterhaltung des Magerbetriebs kann dabei von der NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 abhängig gemacht werden. Dazu kann in einem Schritt S6, beispielsweise mittels des Sensors 20, die NOx- Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 erfaßt werden und mit einem vorgebbaren Schwellenwert für die NOx-Emission verglichen werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 wird in dem Schritt S6 jedoch die kumulierte NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 12 erfaßt. Dabei wird mit dem Wechsel in den Magerbetrieb im Schritt S5 ein Zeitzähler gestartet. Erreicht die kumulierte NOx-Emission einen vorgebbaren Schwellenwert für die kumulierte NOx- Emission, so wird die Zeiterfassung gestoppt und die Dauer der Zeitspanne gemessen. In einem Schritt S7 wird die Dauer dieser Zeitspanne mit der Dauer der Sollzeitspanne für das Erreichen der vorgebbaren kumulierten NOx-Emission verglichen. Solange die gemessene Zeitspanne nicht die Sollzeitspanne unterschreitet, wird der Magerbetrieb aufrechterhalten (Schritt 8).
Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 gemäß Fig. 3. Unmittelbar an den Schritt 5 schließt sich hier ein Entscheidungsvorgang anhand eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine 16 (Schritt S5A) an. Wird der Schwellenwert überschritten, so kann in einem Schritt S5b überprüft werden, ob eine NOx-Minderungsmaßnahme ergriffen werden kann und beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine 16 in einen low-NOx-Magerbetrieb geschaltet werden kann, indem die NOx-Rohemission besonders niedrig ist. Sofern dies möglich ist (Schritt S5c), folgt wieder der bereits erläuterte Schritt S6.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet sind, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine die Regelung des Arbeitsmodus erlauben und wobei die Regelung des Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur wenigstens eines, in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) beim Überschreiten der Katalysatortemperatur über eine vorgebbare erste Grenztemperatur (G1) ein Arbeitsmodus mit λ ≦ 1 eingestellt wird;
  • b) eine zweite Grenztemperatur (G2) vorgegeben wird, die oberhalb der ersten Grenztemperatur (G1) liegt, und
  • c) nach einem erstmaligen Überschreiten der Katalysatortemperatur über die zweite Grenztemperatur (G2) und einem anschließenden Absinken der Katalysatortemperatur unter die zweite Grenztemperatur (G2) ein Arbeitsmodus mit λ < 1 (Magerbetrieb) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Magerbetriebs in Abhängigkeit von wenigstens einem der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (16) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter zumindest eine Motordrehzahl, eine angeforderte Last, eine Raumgeschwindigkeit eines Abgases, einen Gehalt wenigstens einer Gaskomponente am Abgas oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb bis zum Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (12) aufrechterhalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb bis zum Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für eine kumulierte NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine (16) aufrechterhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des vorgebbaren Schwellenwertes für die kumulierte NOx-Rohemission eine NOx-Minderungsmaßnahme, insbesondere ein low-NOx-Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (16) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb so lange aufrechterhalten wird, bis eine Dauer einer Zeitspanne für ein Erreichen einer vorgebbaren kumulierten NOx- Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (12) eine Dauer einer Sollzeitspanne für das Erreichen der vorgebbaren kumulierten NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (12) unterschreitet.
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