DE19963902A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die mit einem Katalysator (12) versehen ist, der mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt werden kann. Es ist ein Temperatursensor (13) zur Messung der Temperatur des Abgases nach dem Katalysator (12) vorgesehen. Durch ein Steuergerät (18) kann zusätzliche Luft vor dem Katalysator (12) dem Abgas zugeführt werden. Durch das Steuergerät (18) kann aus einer Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator (12) auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (12) geschlossen werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Katalysator mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt wird, und bei dem die Temperatur des Abgases nach dem Katalysator gemessen wird. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs sowie eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Ein derartiges Verfahren, ein derartiges Steuergerät und eine derartige Brennkraftmaschine sind beispielsweise bei einer sogenannten Saugrohreinspritzung bekannt. Dort wird der Kraftstoff während der Ansaugphase in das Ansaugrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Kohlenwasserstoffe werden in dem Katalysator unter anderem in Kohlendioxid konvertiert. Es ist bekannt, daß der Katalysator einer Alterung unterliegt, die zu einer Einschränkung seiner Konvertierungsfähigkeit führt.
Ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art ist auch bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine bekannt. Dort wird der Kraftstoff unter anderem während der Ansaugphase direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die entstehenden Kohlenwasserstoffe werden von dem nachgeordneten Katalysator unter anderem in Kohlendioxid konvertiert.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem die Alterung des Katalysators erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzliche Luft vor dem Katalysator dem Abgas zugeführt wird, und daß aus einer Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators geschlossen wird. Bei einem Steuergerät und einer Brennkraftmaschine der jeweils eingangs genannten Art wird die Aufgabe entsprechend gelöst. Die vorliegende Erfindung ist dabei gleichermaßen bei einer Saugrohreinspritzung wie bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine einsetzbar.
Durch die zusätzliche Luft wird die aus der Konvertierung von Kohlenwasserstoffen resultierende exotherme Reaktion in dem Katalysator verstärkt. Die daraus sich ergebende Erhöhung der Temperatur nach dem Katalysator kann als Maß für die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators herangezogen werden. Je größer die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators noch ist, desto mehr Kohlenwasserstoffe werden von demselben konvertiert, was zu einer größeren Temperaturerhöhung führt. Umgekehrt werden von einem gealterten Katalysator weniger Kohlenwasserstoffe konvertiert, so daß sich daraus eine geringere Temperaturerhöhung ergibt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlicher Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Damit wird die aus der Konvertierung von Kohlenwasserstoffen resultierende exotherme Reaktion in dem Katalysator weiter verstärkt. Die Ermittlung der Konvertierungsfähigkeit und damit der Alterung des Katalysators wird auf diese Weise weiter verbessert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der zusätzliche Kraftstoff im Rahmen einer sogenannten Sekundärluftdiagnose der Brennkraftmaschine zugeführt. Dies hat zur Folge, daß mit ein- und derselben Maßnahme zwei Diagnosen durchgeführt werden, nämlich die genannte Sekundärluftdiagnose sowie die erfindungsgemäße Diagnose der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators. Der aus der Maßnahme gegebenenfalls resultierende erhöhte Kraftstoffverbrauch wird damit auf ein Minimum reduziert. Entsprechendes gilt für möglicherweise aus der Maßnahme sich ergebende Schadstoffemissionen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Temperaturerhöhung mit einer Temperaturerhöhung eines Referenzkatalysators verglichen wird. Dies stellt ein besonders einfaches Vorgehen dar, um einen gealterten von einem noch nicht gealterten Katalysator zu unterscheiden.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so daß dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory oder ein Flash-Memory.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, und
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaubild von Temperaturerhöhungen bei der Brennkraftmaschine der Fig. 1.
In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlaßventil 5 und ein Auslaßventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlaßventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslaßventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
Im Ansaugrohr 7 ist ein Einspritzventil 9 vorhanden. Im Bereich des Einlaßventils 5 und des Auslaßventils 6 ragt eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in das Ansaugrohr 7 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann das angesaugte Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum 4 entzündet werden.
In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht. Die Menge der dem Brennraum 4 zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.
Bei dem Katalysator 12 handelt es sich im vorliegenden Fall einer Saugrohreinspritzung um einen Dreiwegekatalysator. Der Katalysator 12 ist unter anderem dazu vorgesehen, Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid zu konvertieren. In dem Abgasrohr unmittelbar nach dem Katalysator 12 ist ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der dazu geeignet ist, die Temperatur des Abgases hinter dem Katalysator 12 zu messen. Alternativ oder zusätzlich kann der Temperatursensor 13 auch dem Katalysator 12 selbst zugeordnet sein, so daß in diesem Fall die Temperatur der Abgase in dem Katalysator 12 gemessen werden.
In dem Abgasrohr 8 vor dem Katalysator 12 ist eine Luftzuführung 14 vorgesehen, über die eine Sekundärluft dem aus dem Brennraum 4 herausströmenden Abgas hinzugefügt werden kann. Die Sekundärluft wird mittels einer Pumpe dem Abgasrohr 8 zugeführt. Die Sekundärluft enthält eine Sekundärluftmasse msl und das aus dem Brennraum 4 herausströmende Abgas enthält eine Luftmasse ml.
Ein Steuergerät 18 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflußt werden kann. Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Flash-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 entstehen Kohlenwasserstoffe (HC), die den Katalysator 12 beaufschlagen. Diese Kohlenwasserstoffe werden von dem Katalysator 12 unter anderem in Kohlendioxid konvertiert. Die andauernde Konvertierung führt zu einer Einschränkung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12, die nachfolgend als Alterung bezeichnet wird.
Die Konvertierung von Kohlenwasserstoff in Kohlendioxid in dem Katalysator 12 ist eine exotherme Reaktion. Es wird damit Energie in Form von Wärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung des aus dem Katalysator 12 austretenden Abgases führt. Die Größe der Temperaturerhöhung kann als Maß für die Konvertierungsfähigkeit und damit für die Alterung des Katalysators 12 herangezogen werden.
Zur Diagnose der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12 wird einerseits die dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Kraftstoffmasse erhöht. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer sogenannten Sekundärluftdiagnose durchgeführt werden, bei der die Funktionsfähigkeit der Pumpe überprüft wird, mit der die Sekundärluft dem Abgasrohr 8 zugeführt wird.
Andererseits wird zur Diagnose des Katalysators 12 zusätzliche Sekundärluft gegebenenfalls mittels der vorgesehenen Pumpe über die Luftzuführung 14 dem Abgasrohr 8 zugeführt. Die dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 über die Drosselklappe 11 zugeführte Luft wird jedoch konstant gehalten.
Dies hat zur Folge, daß einerseits die zur Verbrennung anstehende Kraftstoffmasse erhöht ist bei andererseits gleichzeitig konstanter, dem Brennraum 4 zugeführter Luft. Damit ist die aus dem Brennraum 4 herausströmende Luftmasse ml ebenfalls konstant, das Lambda am Ausgang des Brennraums 4 ist jedoch kleiner als Eins und damit fett. Es liegt also eine erhöhte Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Brennraum 4 vor.
Durch die zugeführte Sekundärluftmasse msl wird dem fetten Lambda entgegengewirkt. Dabei wird von dem Steuergerät 18 die zugeführte Kraftstoffmasse so gewählt, daß bei einer von der Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 vorgegebenen Luftmasse ml sich ein Lambda am Eingang des Katalysators 12 ergibt, das stöchiometrisch und damit Eins ist.
Die dem Brennraum 4 zugeführte Kraftstoffmasse kann von dem Steuergerät 18 in zwei Anteile aufgeteilt werden. Der eine Anteil ist derjenige, der an sich aufgrund der angeforderten Last eingespritzt worden wäre. Der andere Anteil ist eine zusätzliche Kraftstoffmasse, die aufgrund der durchzuführenden Diagnose der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12 eingespritzt wird.
Da die dem Brennraum 4 zugeführte Luft konstant gehalten wird, wird die zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmasse weitestgehend nicht im Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 verbrannt, sondern strömt in der Form der bereits erwähnten erhöhten Emission von Kohlenwasserstoffen wieder aus dem Brennraum 4 heraus. Diese erhöhte Emission von Kohlenwasserstoffen reagiert dann mit der zugeführten Sekundärluftmasse msl in dem Abgasrohr 8 und hauptsächlich innerhalb des Katalysators 12. Dies wird durch die hohe Betriebstemperatur des Katalysators 12 von mehr als 300 Grad Celsius unterstützt.
Weist nunmehr der Katalysator 12 eine gute Konvertierungsfähigkeit auf, so führt dies zu einer starken Umsetzung der zugeführten Kohlenwasserstoffe und damit zu einer starken Temperaturerhöhung des Katalysators 12 selbst und der Temperatur des Abgases hinter dem Katalysator 12. Besitzt der Katalysator 12 jedoch keine ausreichende Konvertierungsfähigkeit, so werden die Kohlenwasserstoffe nicht umgesetzt und es kommt zu keiner Temperaturerhöhung hinter dem Katalysator 12.
Die Temperaturerhöhung der Abgase wird von dem Temperatursensor 13 gemessen. Dabei handelt es sich um die Temperaturerhöhung der Abgase in und/oder nach dem Katalysator 12, je nach Anordnung des Temperatursensors 13. Diese Temperaturerhöhung wird als Maß für die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12 herangezogen.
Zu diesem Zweck wird die letztgenannte Temperaturerhöhung mit einer vorab ermittelten Temperaturerhöhung eines Referenzkatalysators verglichen. Bei dem Referenzkatalysator kann es sich um einen neuen und damit noch nicht gealterten Katalysator handeln, oder um einen sogenannten Grenzkatalysator, dessen Konvertierungsfähigkeit gerade noch einen zulässigen Grenzwert aufweist.
Überschreitet die aktuell gemessene Temperaturerhöhung z. B. den von dem Grenzkatalysator vorgegebenen Grenzwert, so ist noch eine ausreichende Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 12 vorhanden. Ist dies nicht der Fall, so muß der Katalysator 12 ausgetauscht werden.
Ebenfalls ist es möglich, daß das Steuergerät 18 aus der beschriebenen zusätzlich eingespritzten Kraftstoffmasse und der daraus resultierenden erhöhten Emission von Kohlenwasserstoffen aus dem Brennraum 4 diejenige Temperaturerhöhung in oder hinter dem Katalysator 12 ermittelt, die aus der Konvertierung dieser zusätzlichen Kraftstoffmasse bei einem funktionsfähigen Katalysator 12 resultieren müsste. Diese berechnete Temperaturerhöhung kann dann von dem Steuergerät 18 mit der gemessenen Temperaturerhöhung verglichen werden.
Alternativ oder zusätzlich können dem Vergleich die absoluten Temperaturen zugrunde gelegt werden. Dies ist in der Fig. 2 dargestellt.
In der Fig. 2 ist die Temperatur des aus dem Katalysator 12 austretenden Abgases über der Zeit aufgetragen. Bis zu einem Zeitpunkt t1 wird die Brennkraftmaschine 1 "normal bzw. unverändert" betrieben. Etwa im Zeitpunkt t1 erfolgt die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmasse. Diese zusätzliche Einspritzung und die daraus resultierende zusätzliche Konvertierung der entstehenden Abgase durch den Katalysator 12 hat - wie erwähnt - eine zusätzliche Temperaturerhöhung des Abgases zur Folge.
Die zusätzliche Temperaturerhöhung durch die zusätzliche Einspritzung ist gleichbedeutend mit einer Maximaltemperatur, die von dem Temperatursensor 13 gemessen wird. Diese Maximaltemperatur wird aufgrund der Alterung des Katalysators 12 mit der Zeit geringer.
Ist der Katalysator 12 noch nicht gealtert und weist der Katalysator 12 damit noch eine ausreichende Konvertierungsfähigkeit auf, so hat dies eine Maximaltemperatur zur Folge, die einen unteren Schwellwert 15 übersteigt. Dies ist in der Fig. 2 mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet.
Besitzt der Katalysator 12 jedoch keine ausreichende Konvertierungsfähigkeit mehr, ist also der Katalysator 12 gealtert und damit verbraucht, so wird der Schwellwert 15 nicht mehr überschritten. Dies ist in der Fig. 2 mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet.
Ab dem Zeitpunkt t2 wird die Brennkraftmaschine 1 dann wieder von dem Steuergerät 18 normal betrieben.
Das vorstehende Verfahren kann fortlaufend während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das Verfahren speziell zur Diagnose der Alterung des Katalysators 12 einzusetzen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Katalysator (12) mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt wird, und bei dem die Temperatur des Abgases nach dem Katalysator (12) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Luft vor dem Katalysator (12) dem Abgas zugeführt wird, und daß aus einer Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator (12) auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (12) geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlicher Kraftstoff der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Kraftstoff im Rahmen einer sogenannten Sekundärluftdiagnose der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerhöhung mit einer Temperaturerhöhung eines Referenzkatalysators verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Temperaturerhöhung eine absolute Temperatur verwendet wird, und daß die absolute Temperatur mit einer absoluten Temperatur eines Referenzkatalysators verglichen wird.
6. Steuerelement, insbesondere Flash-Memory, für ein Steuergerät (18) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geeignet ist.
7. Steuergerät (18) für eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Katalysator (12) aufweist, der mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt werden kann, sowie einen Temperatursensor (13) zur Messung der Temperatur des Abgases nach dem Katalysator (12), dadurch gekennzeichnet, daß durch das Steuergerät (18) zusätzliche Luft vor dem Katalysator (12) dem Abgas zuführbar ist, und daß durch das Steuergerät (18) aus einer Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator (12) auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (12) geschlossen werden kann.
8. Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Katalysator (12), der mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt werden kann, und mit einem Temperatursensor (13) zur Messung der Temperatur des Abgases nach dem Katalysator (12), sowie mit einem Steuergerät (18), dadurch gekennzeichnet, daß durch das Steuergerät (18) zusätzliche Luft vor dem Katalysator (12) dem Abgas zuführbar ist, und daß durch das Steuergerät (18) aus einer Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator (12) auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (12) geschlossen werden kann.
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