EP1429014A2 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges Download PDF

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EP1429014A2
EP1429014A2 EP20030028035 EP03028035A EP1429014A2 EP 1429014 A2 EP1429014 A2 EP 1429014A2 EP 20030028035 EP20030028035 EP 20030028035 EP 03028035 A EP03028035 A EP 03028035A EP 1429014 A2 EP1429014 A2 EP 1429014A2
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EP
European Patent Office
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operating range
lean
load
lean operating
dependent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20030028035
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bodo Odendall
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3076—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion with special conditions for selecting a mode of combustion, e.g. for starting, for diagnosing
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1473—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method
    • F02D41/1475—Regulating the air fuel ratio at a value other than stoichiometry

Definitions

  • 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.
  • gasoline engines are used as internal combustion engines with direct petrol injection instead of conventional manifold injection preferred because such internal combustion engines over the conventional Otto engines have significantly more dynamics in terms of torque and performance are better while reducing consumption by up to 15%.
  • stratified charge in the partial load range in which an ignitable only in the area of the spark plug Mixture is needed while the rest of the combustion chamber is filled with air becomes.
  • this stratified charge mode the fuel mixture around the central one in the combustion chamber positioned spark plug while concentrated in the peripheral areas clean air in the combustion chamber. That is, only this mixture bale has a lambda value of approximately equal to 1.
  • a targeted air flow in the combustion chamber is required, a so-called tumble flow.
  • tumble flow an intense, cylindrical shape is created in the combustion chamber Flow developed and the fuel only in the last third of the piston upward movement injected.
  • the particularly finely atomized Fuel is therefore optimal in a mixture bale around the spark plug concentrated around and sure to be kindled.
  • the injection parameters injection timing, fuel pressure, etc.
  • Such internal combustion engines can be operated in lean operation for a correspondingly long time, which, as has already been explained above, has a positive effect on overall fuel consumption.
  • this lean operation has the disadvantage that a particularly large amount of nitrogen oxides (NO x ) is produced, which the 3-way catalytic converter can no longer completely reduce.
  • nitrogen oxide storage catalysts are used in connection with such internal combustion engines, with which the nitrogen oxide emissions can be reduced by the fact that the nitrogen oxides are stored in the nitrogen oxide storage catalyst.
  • the nitrogen oxides in connection with oxygen on the noble metal of the nitrogen oxide storage catalytic converter oxidize by reaction with oxygen and form nitrogen dioxide (NO 2 ).
  • the nitrogen dioxide then reacts with metal oxides embedded in the nitrogen oxide storage catalytic converter, which are used as storage materials, to form a corresponding storage material nitrate. Due to the high amount of air and therefore oxygen present in the lean exhaust gas flow, this reduction of nitrogen oxides can be carried out very well and effectively. However, since this reduction reaction is not catalytic but stoichiometric, the storage material of the nitrogen oxide storage catalytic converter is consumed as a result.
  • nitrate formation decreases as the amount of nitrogen oxide stored increases. A state of saturation is reached. To maintain a high storage effectiveness, the storage material must therefore be regenerated periodically. To do this, you switch briefly to sub-stoichiometric, ie rich engine operation, in which the internal combustion engine is operated with a lack of air. Under such rich operating conditions, the temperature stability of the nitrate is lower than in lean operation, so that the nitrate decomposes. The nitrogen oxide (NO) released in the process is then converted to nitrogen using the reducing agents hydrocarbon (HC) and / or carbon monoxide (CO), which are also present under rich operating conditions.
  • HC hydrocarbon
  • CO carbon monoxide
  • An internal combustion engine of a motor vehicle is equipped with a first load-dependent operating area operated as a stratified lean operating area, in which the internal combustion engine with an excess air and thus a layered lean mixture having an excess of oxygen is operated, and in which those generated by the internal combustion engine Nitrogen oxides can be stored in a nitrogen oxide storage catalytic converter.
  • the choice of the operating area and thus switching between the stratified lean operating area and The homogeneous operating range is dependent on an engine control unit from an operational load and / or speed requirement A load and / or speed-dependent changeover limit is reached.
  • the object of the invention is therefore a method for operating an internal combustion engine a vehicle, in particular a motor vehicle, for To make available in conjunction with a lean operation of the Internal combustion engine good fuel savings is possible.
  • the stratified lean operating area becomes a homogeneously lean Operating area expanded in which the internal combustion engine before switching to the homogeneous operating range with a lean mixture is operable, the less excess air and thus a smaller Lambda value shows as the mixture in the stratified lean operating range. Furthermore, the load-dependent switching limit between the extended Lean operating range and the homogeneous operating range depending a certain minimum residual oxygen concentration in the exhaust gas flow the lambda value of the mixture provided that with the minimum residual oxygen concentration still storage and holding nitrogen oxides in the nitrogen oxide storage catalytic converter can be carried out is.
  • the internal combustion engine even with a very dynamic driving style, such as in particular City traffic is given, driven much more frequently in the lean operating area, than this in the generic mode of operation of the prior art Is because the switch from the lean operating range to the homogeneous Operating area is delayed.
  • the internal combustion engine is also avoided in the lean operating range, that the residual oxygen in the exhaust gas during acceleration and thereby increased Load requirements can fall below a level where no storage of nitrogen oxides in the nitrogen oxide storage catalyst is possible. Because at Residual oxygen concentrations in the exhaust gas stream below the minimum residual oxygen concentration the nitrogen oxide storage catalytic converter can no longer contain nitrogen oxide store so that there is a nitrogen oxide breakthrough that is always a Discharge required, d.
  • a switch to a rich operating range is necessary makes an oxygen storage of the nitrogen oxide storage catalytic converter first is discharged to oxygen for the storage of the nitrogen oxide to provide the nitrogen oxide storage catalyst. Because with such Discharge of the nitrogen oxide storage catalytic converter is always approximately constant If the amount of fuel required is too early, it must be switched over into the homogeneous operating area and the associated increase the number of discharges also increases fuel consumption.
  • the method according to the invention thus ensures that the operation of the prior art in the lean operating area higher Loads can be driven, while at the same time by the minimal Residual oxygen concentration in the exhaust gas stream ensures that sufficient Residual oxygen is present to the nitrogen oxides in the nitrogen oxide storage catalyst to store and keep in it.
  • This can help the mode of operation of the prior art in the internal combustion engine longer lean area are operated, so that on the one hand the Fuel saving potential is increased, while also the storage capacity the nitrogen oxide storage catalyst is better utilized, so that a Discharge is to be carried out less often. All of this contributes significantly to especially with a more dynamic driving style, such as this.
  • B. in City traffic is given to internal combustion engines with significant fuel savings to operate.
  • the lean operating area Basically there is the possibility to expand the lean operating area so that only a lean operating area with a defined switching limit towards the homogeneous operating area. Particularly good lean operating results
  • the lean operating area into several, preferably at least two different ones Lean operating areas is divided, with the transitions between the individual operating areas by load and / or speed dependent Switching limits are precisely defined.
  • the lean operating range is according to claim 3 in a stratified lean operating area and homogeneously lean operating area.
  • This can cause a through the operational load requirement triggered exceeding the load-dependent first switching limit between the stratified lean operating range and the homogeneous, lean operating area and not exceeding the load-dependent second switching limit between the homogeneous-lean Operating range and the homogeneous operating range of the engine control unit be switched to the homogeneous, lean operating range.
  • the operational load requirement triggered exceeding of the load-dependent second switching limit between the homogeneous-lean operating area and the homogeneous operating area from the engine control unit immediately into the homogeneous operating range can be switched. With such an operation, one becomes special sensible lean operation of an internal combustion engine possible, which is advantageous here much of the torque requirements for accelerations from the lean operating range is covered.
  • the internal combustion engine in the stratified lean area with a residual oxygen concentration of equal to or greater than 5 mol% in the exhaust gas stream Lambda value operated.
  • a further particularly preferred procedure according to claim 5 becomes the internal combustion engine in the homogeneous, lean operating range in contrast, with a residual oxygen concentration equal to or greater than 2 Mol% operated in the exhaust gas flow lambda value operated.
  • a residual oxygen concentration is preferred here of lambda value which is approximately equal to or greater than 3 mol%, which is therefore preferably of the order of magnitude of 1.15 to 1.3 lies.
  • the homogeneous, lean operating range is therefore preferably in about between 2 to 5 mol% residual oxygen concentration in the exhaust gas stream, the corresponds approximately to a lambda of 1.15 to 1.4. With such specific operational areas is a particularly advantageous practical operation of the internal combustion engine possible.
  • the load-dependent switchover limit is from the lean operating range to the homogeneous operating range with a relative torque of approximately 70 to 90% of a predetermined maximum relative torque, preferably about 80%.
  • the latter corresponds approximately to an effective medium pressure of approx. 8 bar, if of a usual reference value of approx. 10 bar effective medium pressure is assumed.
  • This value would then correspond to an effective medium pressure of in about 4 bar with a reference value of 10 bar effective mean pressure.
  • This Allocation of the lean operating area into two lean operating areas enabled the longest possible lean operation of the internal combustion engine, whereby the fuel saving potential of the internal combustion engine is considerable is increased.
  • a targeted adaptation of the Operating range to the one specified by a driver for operational reasons Torque request so that in terms of fuel saving potential an optimized adaptation to the driving behavior takes place.
  • Fig. 1 shows schematically a diagram in which the effective mean pressure over the speed is plotted, with a first load-dependent operating range as a stratified lean operating area 1 from an adjacent homogeneous-lean area Operating range 2 by a first limit curve 3 as the first load-dependent switching limit is separated.
  • the homogeneous-lean operating area 2 is separated from an adjacent homogeneous operating area 4 by a second limit curve 5 as the second load-dependent changeover limit.
  • this first limit curve 3 extends substantially along a load of 4 bar as mean effective pressure, and decreases at higher speeds in the range of 3 500 min -1 from.
  • the lambda value is approximately equal to 1, with the residual oxygen concentration in the exhaust gas is less than 1%.
  • the engine control unit determines an operationally increased load requirement, which roughly corresponds to an effective mean pressure of approx. 6 to 6.5 bar, then the engine control unit overruns the first limit curve 3 and switches from the stratified lean operating area 1 to the homogeneously lean operating area 2.
  • this homogeneously lean operating area 2 there is still a sufficiently high residual oxygen concentration with which nitrogen oxides can be stored in the nitrogen oxide storage catalytic converter.
  • the uppermost bell-shaped curve 7 represents the nitrogen oxide storage capacity with a residual oxygen concentration in the exhaust gas flow of more than 5 mol%
  • the middle bell-shaped curve 8 shows the nitrogen oxide storage capacity with a residual oxygen concentration in the exhaust gas flow of more than 3%
  • the bottom curve 9 shows the nitrogen oxide Represents storage capacity with a residual oxygen concentration in the exhaust gas flow of less than 1%.
  • FIG. 2 shows schematically that with increasing acceleration, the nitrogen oxide storage capacity is retained to a high degree when switching over to the homogeneously lean operating area 2 (solid lines).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten lastabhängigen Betriebsbereich als geschichteten Magerbetriebsbereich (1), in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden geschichteten mageren Gemisch betrieben wird und in dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden. Ferner ist ein zweiter Lastabhängiger Betriebsbereich als homogener Betriebsbereich (4) vorgesehen, in dem die Brennkraftmaschine mit einem im wesentlichen stöchiometrischen homogenen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird, wobei die Wahl des Betriebsbereiches von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von einer betriebsbedingten Lastanforderung bei Erreichen einer lastabhängigen Umschaltgrenze vorgenommen wird. Erfindungsgemäß wird der geschichtete Magerbetriebsbereich (1) zu einem homogen-mageren Betriebsbereich (2) erweitert dergestalt, dass die lastabhängige Umschaltgrenze (5) zwischen einem Magerbetriebsbereich (1, 2) und dem homogenen Betriebsbereich (4) in Abhängigkeit von einem im Abgasstrom eine bestimmte minimale Restsauerstoffkonzentration zur Verfügung stellenden Lambdawert des Gemisches so festgelegt wird, dass mit der minimalen Restsauerstoffkonzentration noch eine Einspeicherung und Halten von Stickoxiden im Stickoxid-Speicherkatalysator erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der heutigen Fahrzeugtechnik werden Ottomotoren als Brennkraftmaschinen mit einer Benzin-Direkteinspritzung anstatt einer konventionellen Saugrohreinspritzung bevorzugt, da derartige Brennkraftmaschinen gegenüber den herkömmlichen Ottomotoren deutlich mehr Dynamik aufweisen, bezüglich Drehmoment und Leistung besser sind und gleichzeitig eine Verbrauchssenkung um bis zu 15 % ermöglichen. Möglich macht dies vor allem eine sog. Schichtladung im Teillastbereich, bei der nur im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch benötigt wird, während der übrige Brennraum mit Luft befüllt wird. Da herkömmliche Brennkraftmaschinen, die nach dem Saugrohrprinzip arbeiten, bei einem derartig hohem Luftüberschuss, wie er bei der Benzin-Direkteinspritzung vorliegt (Lambda ≥ 1,4), nicht mehr zündfähig sind, wird bei diesem Schichtlademodus das Kraftstoff-Gemisch um die zentrale im Brennraum positionierten Zündkerze konzentriert, während sich in den Randbereichen des Brennraums reine Luft befindet. D. h., dass lediglich dieser Gemischballen einen Lambdawert von in etwa gleich 1 aufweist. Um das Kraftstoff-Gemisch um die zentral im Brennraum positionierte Zündkerze herum zentrieren zu können, ist eine gezielte Luftströmung im Brennraum erforderlich, eine sog. Tumbleströmung. Dazu wird im Brennraum eine intensive, walzenförmige Strömung ausgebildet und der Kraftstoff erst im letzten Drittel der Kolbenaufwärtsbewegung eingespritzt. Durch die Kombination von gezielter Luftströmung und spezieller Geometrie des Kolbens der z. B. über eine ausgeprägte Kraftstoff- und Strömungsmulde verfügt, kann der besonders fein zerstäubte Kraftstoff somit in einem Gemischballen optimal um die Zündkerze herum konzentriert und sicher entflammt werden. Für die jeweils optimale Anpassung der Einspritzparameter (Einspritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck, etc.) sorgt die Motorsteuerung bzw. das Motorsteuergerät.
Derartige Brennkraftmaschinen können entsprechend lange im Magerbetrieb betrieben werden, was sich, wie dies oben bereits dargelegt worden ist, positiv auf den Kraftstoffverbrauch insgesamt auswirkt. Dieser Magerbetrieb bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass eine besonders große Menge von Stickoxiden (NOx) produziert wird, die vom 3-Wege-Katalysator nicht mehr vollständig reduziert werden kann. Um die Stickoxid-Emissionen im Rahmen vorgeschriebener Grenzwerte, z. B. des Euro-IV-Grenzwertes zu halten, werden in Verbindung mit derartigen Brennkraftmaschinen regelmäßig Stickoxid-Speicherkatalysatoren eingesetzt, mit denen die Stickoxid-Emissionen dadurch reduziert werden können, dass die Stickoxide in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden. Um die Stickoxide im Stickoxid-Speicherkatalysator einspeichern zu können, ist eine bestimmte Menge von Sauerstoff erforderlich, da die Stickoxide in Verbindung mit Sauerstoff am Edelmetall des Stickoxid-Speicherkatalysators durch Reaktion mit Sauerstoff oxidiert und Stickstoffdioxid (NO2) bildet. Das Stickstoffdioxid reagiert anschließend mit im Stickoxid-Speicherkatalysator eingelagerten Metalloxiden, die als Speichermaterialien verwendet werden, unter Bildung eines entsprechenden Speichermaterial-Nitrates. Aufgrund der im mageren Abgasstrom vorhandenen hohen Luft- und damit Sauerstoffmenge, kann diese Reduktion der Stickoxide sehr gut und effektiv durchgeführt werden. Da diese Reduktionsreaktion jedoch nicht katalytisch sondern stöchiometrisch verläuft, wird das Speichermaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators dadurch verbraucht. Mit zunehmender gespeicherter Stickoxidmenge sinkt die Effektivität der Nitratbildung ab. Es wird ein Sättigungszustand erreicht. Zur Aufrechterhaltung einer hohen Speichereffektivität muss daher das Speichermaterial periodisch regeneriert werden. Dazu schaltet man kurzfristig auf unterstöchiometrischen, d. h. fetten Motorbetrieb um, bei dem die Brennkraftmaschine mit einem Luftmangel betrieben wird. Unter derartigen fetten Betriebsbedingungen ist die Temperaturstabilität des Nitrates geringer als im Magerbetrieb, so dass es zu einem Zerfall des Nitrates kommt. Das dabei freigesetzte Stickoxid (NO) wird anschließend mit Hilfe der unter fetten Betriebsbedingungen ebenfalls vorhanden Reduktionsmittel Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonooxid (CO) zu Stickstoff konvertiert. Gegen Ende der Entladephase ist ein Großteil des eingespeicherten Stickoxids reduziert und immer weniger des Reduktionsmittels trifft auf Stickoxid, das es zu Sauerstoff und Stickstoff reduzieren kann. Deshalb steigt gegen Ende der Entladephase der Anteil an Reduktionsmittel in dem Abgas hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator an. Durch eine entsprechende Analyse des Abgases hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator mittels z. B. einem Sauerstoff-Sensor, kann dann das Ende der Entladephase eingeleitet werden und wieder auf den Magerbetrieb umgeschalten werden.
Bei einem allgemein bekannten, gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird diese mit einem ersten lastabhängigen Betriebsbereich als geschichteten Magerbetriebsbereich betrieben, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einem Sauerstoffüberschuss aufweisenden geschichteten mageren Gemisch betrieben wird, und in dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden. Weiter kann die Brennkraftmaschine hier mit einem zweiten lastabhängigen Betriebsbereich als homogenen Betriebsbereich betrieben werden, in dem die Brennkraftmaschine mit einem im wesentlichen stöchiometrischen homogenen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird. Die Wahl des Betriebsbereiches und damit das Umschalten zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich wird von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von einer betriebsbedingten Last- und/oder Drehzahlanforderung bei Erreichen einer last- und/oder drehzahlabhängigen Umschaltgrenze vorgenommen.
Konkret wird hier im geschichteten Magerbetriebsbereich, wie dies bereits eingangs erläutert worden ist, die Brennkraftmaschine mit einem Lambda von in etwa 1,4 oder größer und damit einem erheblichen Luftüberschuss betrieben. In diesem geschichteten Magerbetriebsbereich können Motor-Drehmomente gefahren werden, die in etwa einem Mitteldruck von ca. 4 bar entsprechen. Bei der Anforderung eines höheren Momentes muss der geschichtete Magerbetriebsbereich verlassen werden, wodurch vom Motorsteuergerät in den homogenen Betriebsbereich umgeschalten wird. Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist bei einer derartigen allgemein bekannten Betriebsweise das Kraftstoffeinsparpotential insbesondere in Verbindung mit einer dynamischen Fahrweise, wie z. B. im Stadtverkehr, nicht zufriedenstellend. Dies beruht zum Teil darauf, dass bei dieser Betriebsweise ein Vielzahl von Stickoxid-Speicherkatalysatorentladungen durchgeführt werden muss, die zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen, so dass der durch den Magerbetrieb eingefahrene Kraftstoffgewinn oftmals zu einem Großteil durch die Entladungen kompensiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, mit dem in Verbindung mit einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine eine gute Kraftstoffeinsparung möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß Anspruch 1 wird der geschichtete Magerbetriebsbereich zu einem homogen-mageren Betriebsbereich erweitert, in dem die Brennkraftmaschine vor dem Umschalten in den homogenen Betriebsbereich mit einem mageren Gemisch betreibbar ist, das weniger Luftüberschuss und damit einen kleineren Lambdawert aufweist als das Gemisch im geschichteten Magerbetriebsbereich. Weiter wird die lastabhängige Umschaltgrenze zwischen dem erweiterten Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich in Abhängigkeit von einem im Abgasstrom eine bestimmte minimale Restsauerstoffkonzentration zur Verfügung stellenden Lambdawert des Gemisches so festgelegt, dass mit der minimalen Restsauerstoffkonzentration noch eine Einspeicherung und eine Halten von Stickoxiden im Stickoxid-Speicherkatalysator durchführbar ist.
Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Betriebsweise wird die Brennkraftmaschine auch bei einer sehr dynamischen Fahrweise, wie dies insbesondere im Stadtverkehr gegeben ist, wesentlich öfter im Magerbetriebsbereich gefahren, als dies bei der gattungsgemäßen Betriebsweise des Standes der Technik der Fall ist, da das Umschalten von dem Magerbetriebsbereich in den homogenen Betriebsbereich hinausgezögert wird. Dabei wird bei einer derartigen Betriebsweise der Brennkraftmaschine im Magerbetriebsbereich zudem vermieden, dass der Restsauerstoff im Abgas bei Beschleunigungen und dadurch erhöhten Lastanforderungen unter ein Maß fallen kann, bei dem keine Speicherung von Stickoxiden mehr im Stickoxid-Speicherkatalysator möglich ist. Denn bei Restsauerstoffkonzentrationen im Abgasstrom unter der minimalen Restsauerstoffkonzentration kann der Stickoxid-Speicherkatalysator kein Stickoxid mehr einspeichern, so dass es zu einem Stickoxid-Durchbruch kommt, der stets eine Entladung erfordert, d. h. ein Umschalten in einen fetten Betriebsbereich nötig macht, bei dem zuerst ein Sauerstoffspeicher des Stickoxid-Speicherkatalysators entladen wird, um Sauerstoff für die Ausspeicherung des Stickoxids aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator zur Verfügung zu stellen. Da bei einer derartigen Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators stets eine in etwa konstante Kraftstoffmenge benötigt wird, erfordert ein zu frühzeitiges Umschalten in den homogenen Betriebsbereich und das damit einhergehende Ansteigen der Anzahl der Entladungen auch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit sichergestellt, dass gegenüber der Betriebsweise des Standes der Technik im Magerbetriebsbereich höhere Lasten gefahren werden können, wobei gleichzeitig durch die minimale Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom sichergestellt ist, dass genügend Restsauerstoff vorhanden ist, um die Stickoxide in den Stickoxid-Speicherkatalysator einzuspeichern und auch darin zu halten. Dadurch kann gegenüber der Betriebsweise des Standes der Technik die Brennkraftmaschine länger im mageren Bereich betrieben werden, so dass zum einen bereits dadurch das Kraftstoffeinsparpotential vergrößert wird, wobei zudem die Einspeicherkapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators besser ausgenutzt wird, so dass eine Entladung weniger oft durchzuführen ist. Dies alles trägt wesentlich dazu bei, insbesondere auch bei einer dynamischeren Fahrweise, wie dies z. B. im Stadtverkehr gegeben ist, Brennkraftmaschinen mit einer erheblichen Kraftstoffeinsparung zu betreiben.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit den Magerbetriebsbereich so zu erweitern, dass nur ein Magerbetriebsbereich mit einer definierten Umschaltgrenze zum homogenen Betriebsbereich hin vorhanden ist. Besonders gute Magerbetriebsergebnisse lassen sich jedoch nach Anspruch 2 dadurch erzielen, dass der Magerbetriebsbereich in mehrere, vorzugsweise wenigstens zwei unterschiedliche Magerbetriebsbereiche aufgeteilt ist, wobei die Übergänge zwischen den einzelnen Betriebsbereichen durch last- und/oder drehzahlabhängige Umschaltgrenzen genau definiert sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Betriebsweise ist der Magerbetriebsbereich nach Anspruch 3 in einen geschichteten Magerbetriebsbereich und einen homogen-mageren Betriebsbereich aufgeteilt. Dadurch kann bei einem durch die betriebsbedingte Lastanforderung ausgelösten Überschreiten der lastabhängigen ersten Umschaltgrenze zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich und dem homogen-mageren Betriebsbereich sowie dem Nicht-Überschreiten der lastabhängigen zweiten Umschaltgrenze zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich vom Motorsteuergerät in den homogen-mageren Betriebsbereich umgeschalten werden. Andererseits kann bei einem durch die betriebsbedingte Lastanforderung ausgelösten Überschreiten der lastabhängigen zweiten Umschaltgrenze zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich vom Motorsteuergerät sofort in den homogenen Betriebsbereich umgeschalten werden. Mit einer derartigen Betriebsweise wird ein besonders sinnvoller Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine möglich, wobei hier vorteilhaft ein Großteil der Momentenanforderungen bei Beschleunigungen vom Magerbetriebsbereich abgedeckt wird.
Bei einer Verfahrensführung gemäß Anspruch 4 wird die Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbereich mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder größer 5 Mol-% im Abgasstrom zur Verfügung stellenden Lambdawert betrieben. Ein besonders optimierter geschichteter Magerbereich ergibt sich bei einem Lambdawert von in etwa 1,4 bis 3.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Verfahrensführung nach Anspruch 5 wird die Brennkraftmaschine im homogen-mageren Betriebsbereich dagegen mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder größer 2 Mol-% im Abgasstrom zur Verfügung stellenden Lambdawert betrieben. Besonders bevorzugt ist hier ein Betrieb mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von in etwa gleich oder größer 3 Mol-% zur Verfügung stellenden Lambdawert, der vorzugsweise somit in etwa in einer Größenordnung von 1,15 bis 1,3 liegt. Der homogen-magere Betriebsbereich liegt somit vorzugsweise in etwa zwischen 2 bis 5 Mol-% Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom, dem in etwa ein Lambda von 1,15 bis 1,4 entspricht. Mit derartigen konkreten Betriebsbereichen ist ein besonders vorteilhafter praktischer Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
Nach Anspruch 6 liegt die lastabhängige Umschaltgrenze vom Magerbetriebsbereich zum homogenen Betriebsbereich bei einem relativen Drehmoment von in etwa 70 bis 90 % eines vorgegebenen maximalen relativen Drehmomentes, bevorzugt bei in etwa 80 %. Letzteres entspricht in etwa einem effektiven Mitteldruck von ca. 8 bar, falls von einer üblichen Bezugsgröße von in etwa 10 bar effektivem Mitteldruck ausgegangen wird. Es kann somit mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise sichergestellt werden, dass hier ein Großteil der Momentenanforderung bei Beschleunigungen abgedeckt wird. Entsprechend kann z. B. in einer konkreten Betriebsweise die lastabhängige erste Umschaltgrenze vom geschichteten Magerbetriebsbereich zum homogen-mageren Betriebsbereich nach Anspruch 7 weiterhin in allgemein bekannter Weise bei einem relativen Drehmoment von in etwa 35 bis 45 % eines vorgegebenen relativen Drehmomentes liegen, wobei in etwa 40 % als bevorzugter Wert angesehen wird. Dieser Wert entspräche dann einem effektiven Mitteldruck von in etwa 4 bar bei einer Bezugsgröße von 10 bar effektivem Mitteldruck. Diese Aufteilung des Magerbetriebsbereiches in zwei Magerbetriebsbereiche ermöglicht einen möglichst langen gewünschten Magerbetrieb der Brennkraftmaschine, wodurch das Kraftstoffeinsparpotential der Brennkraftmaschine erheblich erhöht wird. Insbesondere erfolgt hier somit eine gezielte Anpassung des Betriebsbereiches an die jeweils von einem Fahrer betriebsbedingt vorgegebene Momentenanforderung, so dass in Bezug auf das Kraftstoffeinsparpotential eine optimierte Anpassung an das Fahrverhalten erfolgt.
Nach Anspruch 8 ist die lastunabhängige Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von einer bestimmten Einspeicherzeit des Stickoxid-Speicherkatalysators beansprucht, wobei diese Einspeicherzeit auch wiederum vom Alterungsgrad des Stickoxid-Speicherkatalysators bzw. dessen Speicherfähigkeit abhängt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
ein schematisches Diagramm des effektiven Mitteldrucks über der Drehzahl in Verbindung mit unterschiedlichen Brennkraftmaschinen-Betriebsbereichen, und
Fig. 2
ein schematisches Diagramm der NOX-Speicherfähigkeit über der Temperatur für unterschiedliche Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Diagramm, in dem der effektive Mitteldruck über der Drehzahl aufgetragen ist, wobei ein erster lastabhängiger Betriebsbereich als geschichteter Magerbetriebsbereich 1 von einem daran angrenzenden homogen-mageren Betriebsbereich 2 durch eine erste Grenzkurve 3 als erste lastabhängige Umschaltgrenze getrennt ist.
Der homogen-magere Betriebsbereich 2 ist dagegen von einem daran angrenzenden homogenen Betriebsbereich 4 durch eine zweite Grenzkurve 5 als zweite lastabhängige Umschaltgrenze getrennt. Wie dies der Fig. 1 entnommen werden kann, verläuft diese erste Grenzkurve 3 im wesentlichen entlang einer Last von 4 bar als effektivem Mitteldruck und sinkt erst bei höheren Drehzahlen im Bereich von 3 500 min-1 ab.
Im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 liegt ein Lambda von erheblich größer als 1, vorzugsweise von im Durchschnitt in etwa Lambda = 1,4 bis 3 vor, so dass eine Restsauerstoffkonzentration im Abgas von zwischen ca. 5 und 15 % vorliegt. Im homogen-mageren Betriebsbereich liegt dagegen ungefähr ein Lambdawert von 1,2 vor, so dass die minimale Restsauerstoffkonzentration im Abgas größer oder gleich 3 Mol-% ist. Im homogenen Betriebsbereich 4 dagegen ist der Lambdawert ungefähr gleich 1, wobei die Restsauerstoffkonzentration im Abgas kleiner als 1 % ist.
Wird nun von einem bestimmten Betriebspunkt 6 ausgehend, bei dem die Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 betrieben wird eine betriebsbedingte erhöhte Lastanforderung vom Motorsteuergerät festgestellt, dem in etwa ein effektiver Mitteldruck von ca. 6 bis 6,5 bar entspricht, dann stellt das Motorsteuergerät eine Überscheitung der ersten Grenzkurve 3 fest und schaltet vom geschichteten Magerbetriebsbereich 1 in den homogen-mageren Betriebsbereich 2 um. In diesem homogen-mageren Betriebsbereich 2 steht nach wie vor eine ausreichend hohe Restsauerstoffkonzentration zur Verfügung, mit der eine Einspeicherung von Stickoxiden in den Stickoxid-Speicherkatalysator möglich ist. Dies ergibt sich insbesondere aus dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm, bei dem die NOX-Speicherfähigkeit schematisch über der Temperatur aufgetragen ist. Die oberste glockenförmige Kurve 7 stellt hier die Stickoxid-Speicherfähigkeit bei einer Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom von größer 5 Mol-% dar, während die mittlere glockenförmige Kurve 8 die Stickoxid-Speicherfähigkeit bei einer Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom von größer 3 % und die unterste Kurve 9 die Stickoxid-Speicherfähigkeit bei einer Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom von kleiner 1 % darstellt. Ausgehend von dem Betriebspunkt 6 der Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 zeigt Fig. 2 schematisch, dass mit zunehmender Beschleunigung die Stickoxid-Speicherfähigkeit bei einem Umschalten in den homogen-mageren Betriebsbereich 2 nach wie vor im hohen Maße erhalten bleibt (durchgezogene Linien). Würde dagegen ausgehend vom Betriebspunkt 6 im geschichteten Magerbetriebsbereich 1 ein Umschalten sofort in den homogenen Betriebsbereich 4 erfolgen, würde sich der in Fig. 2 strichliert dargestellte Zusammenhang ergeben, d. h. die Stickoxid-Speicherfähigkeit nahezu gegen Null gehen, was im Diagramm der Fig. 2 mit Strichpunkten und mit dem Betriebspunkt 10 dargestellt ist. Dies würde zwangsläufig zu einem Stickoxiddurchbruch führen und damit die Einleitung einer sofortigen Entladung erfordern, um den Stickoxid-Speicherkatalysator zu entleeren. Mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise sinkt somit die Anzahl der notwendigen Entladungen des Stickoxid-Speicherkatalysators und damit der Kraftstoffverbrauch. Dies lässt sich auch aus den Diagrammen der Fig. 1 und 2 ablesen, da ohne den erweiterten homogen-mageren Betriebsbereich 2, insbesondere bei einer dynamischeren Fahrweise, wie diese z. B. im Stadtverkehr gegeben ist, eine Vielzahl von Entladungen aufgrund des oftmaligen Verlassens des geschichteten Magerbetriebsbereiches 1 erforderlich wäre.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
    mit einem ersten last- und/oder drehzahlabhängigen Betriebsbereich als geschichteten Magerbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden geschichteten mageren Gemisch betrieben wird und in dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden, und
    mit einem zweiten last- und/oder drehzahlabhängigen Betriebsbereich als homogenen Betriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem im wesentlichen stöchiometrischen homogen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird, wobei die Wahl des Betriebsbereiches und damit das Umschalten zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von einer betriebsbedingten Last- und/oder Drehzahlanforderung bei Erreichen einer last- und/oder drehzahlabhängigen Umschaltgrenze vorgenommen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der geschichtete Magerbetriebsbereich (1) zu einem homogen-mageren Betriebsbereich (2) erweitert wird, in dem die Brennkraftmaschine vor dem Umschalten in den homogenen Betriebsbereich (4) mit einem mageren Gemisch betreibbar ist, das weniger Luftüberschuss und damit einen kleineren Lambdawert aufweist als das Gemisch im geschichteten Magerbetriebsbereich (1), und
    dass die last- und/oder drehzahlabhängige Umschaltgrenze (5) zwischen dem erweiterten Magerbetriebsbereich (1, 2) und dem homogenen Betriebsbereich (4) in Abhängigkeit von einem im Abgasstrom eine bestimmte minimale Restsauerstoffkonzentration zur Verfügung stellenden Lambdawert des Gemisches so festgelegt wird, dass mit der minimalen Restsauerstoffkonzentration im Abgasstrom noch eine Einspeicherung und ein Halten von Stickoxiden im Stickoxid-Speicherkatalysator durchführbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum geschichteten Magerbetriebsbereich (1) wenigstens ein weiterer homogen-magerer Betriebsbereich (2) mit definierten last- und/oder drehzahlabhängigen Umschaltgrenzen (3, 5) zu den angrenzenden Betriebsbereichen vorgesehen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magerbetriebsbereich (1, 2) in einen geschichteten Magerbetriebsbereich (1) und einen homogen-mageren Betriebsbereich (2) aufgeteilt ist dergestalt,
    dass bei einem durch die betriebsbedingte Last- und/oder Drehzahlanforderung ausgelösten Überschreiten einer last- und/oder drehzahlabhängigen ersten Umschaltgrenze (3) zwischen dem geschichteten Magerbetriebsbereich (1) und dem homogen-mageren Betriebsbereich (2) sowie dem Nicht-Überschreiten einer last- und/oder drehzahlabhängigen zweiten Umschaltgrenze (5) zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich (2) und dem homogenen Betriebsbereich (4) vom Motorsteuergerät in den homogen-mageren Betriebsbereich (2) umgeschalten wird, und
    dass bei einem durch die betriebsbedingte Last- und/oder Drehzahlanforderung ausgelösten Überschreiten der last- und /oder drehzahlabhängigen zweiten Umschaltgrenze (5) zwischen dem homogen-mageren Betriebsbereich (2) und dem homogenen Betriebsbereich (4) vom Motorsteuergerät in den homogenen Betriebsbereich (4) umgeschalten wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im geschichteten Magerbetriebsbereich (1) mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder größer 5 Mol-% im Abgasstrom zur Verfügung stellenden Lambdawert, vorzugsweise einem Lambdawert von in etwa 1,4 bis 3 betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im homogen-mageren Betriebsbereich (2) mit einem eine Restsauerstoffkonzentration von gleich oder größer 2 Mol-%, bevorzugt gleich oder größer 3 Mol-%, im Abgasstrom zur Verfügung stellenden Lambdawert, vorzugsweise einem Lambdawert von in etwa 1,15 bis 1,3, bevorzugt gleich oder größer in etwa 1,2, betrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die last- und/oder drehzahlabhängige Umschaltgrenze (5) vom Magerbetriebsbereich (1, 2) zum homogenen Betriebsbereich (4) bei einem relativen Drehmoment von in etwa 70 bis 90 %, bevorzugt bei in etwa 80 %, eines vorgegebenen maximalen relativen Drehmomentes liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die last- und/oder drehzahlabhängige erste Umschaltgrenze (3) vom geschichteten Magerbetriebsbereich (1) zum homogen-mageren Betriebsbereich (2) bei einem relativen Drehmoment von in etwa 35 bis 45 %, bevorzugt bei in etwa 40 %, eines vorgegebenen relativen Drehmomentes liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass lastunabhängig nach einer bestimmten Einspeicherzeit von Stickoxiden in den Stickoxid-Speicherkatalysator im Magerbetriebsbereich (1, 2) zur Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators in einen fetten Betriebsbereich umgeschalten wird, in der die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel aufweisenden fetten Gemisch betrieben wird.
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