EP1581729A1 - Verfahren zur steuerung einer verbrennungskraftmaschine sowie magerlauff hige verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer verbrennungskraftmaschine sowie magerlauff hige verbrennungskraftmaschine

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EP1581729A1
EP1581729A1 EP03795912A EP03795912A EP1581729A1 EP 1581729 A1 EP1581729 A1 EP 1581729A1 EP 03795912 A EP03795912 A EP 03795912A EP 03795912 A EP03795912 A EP 03795912A EP 1581729 A1 EP1581729 A1 EP 1581729A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
catalyst
lambda value
transition phase
Prior art date
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EP03795912A
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English (en)
French (fr)
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EP1581729B1 (de
Inventor
Ekkehard Pott
Michael Zillmer
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/027—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/12—Introducing corrections for particular operating conditions for deceleration
    • F02D41/123—Introducing corrections for particular operating conditions for deceleration the fuel injection being cut-off
    • F02D41/126—Introducing corrections for particular operating conditions for deceleration the fuel injection being cut-off transitional corrections at the end of the cut-off period
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/027—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0275—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a NOx trap or adsorbent

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an internal combustion engine and a lean-burn internal combustion engine with the features mentioned in the preamble of claim 1 and 18, respectively.
  • the exhaust gas is passed over at least one catalytic converter, which converts one or more pollutant components of the exhaust gas.
  • Catalytic converter which converts one or more pollutant components of the exhaust gas.
  • Oxidation catalysts promote the oxidation of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), while reduction catalysts support a reduction of nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas.
  • 3-way catalysts are used to catalyze the conversion of the three aforementioned components (HC, CO, NO x ) at the same time.
  • Storage catalysts for example NO x storage catalysts, are also known.
  • the NO x storage catalytic converters used in lean-burn gasoline engines for exhaust gas purification show the current level of development compared to conventional 3-
  • Catalyst technology therefore requires special efforts to limit the Thermal stress on these catalysts.
  • measures are considered that lead to a lowering of the stationary temperature level, such as exhaust gas cooling or a reduction in the residual oxygen content of the exhaust gases by optimizing the combustion process.
  • measures that reduce the load during transient engine operation such as the optimization of the application with regard to HC peaks, make sense here.
  • High-temperature cycles with overrun fuel cut-off phases are particularly critical with regard to catalyst aging.
  • the main causes are the high oxygen concentrations, which can lead to a reduction in the conversion performance of the catalysts due to oxidation and sintering processes. It may be necessary to prohibit overrun fuel cutoff at very high catalyst temperatures.
  • Another problem with regard to the thermal load on the catalytic converter arises during the transition from a fuel cut-off phase to fired engine operation if a substoichiometric mixture composition is immediately set.
  • the oxygen storage of the catalytic converter is filled completely, that is, oxygen is temporarily stored in the catalytic converter coating or washcoat. If the catalytic converter is loaded with very low-oxygen exhaust gas when it is reinserted - for example during a subsequent full load acceleration - the partial pressure difference leads to a very rapid release of the stored oxygen.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for controlling an internal combustion engine having at least one catalytic converter arranged in an exhaust gas duct of the internal combustion engine and a corresponding internal combustion engine in which oxygen is present during the transition phase after an overrun cut-off phase and / or an operating phase is stored in the catalytic converter, thermal load peaks of the at least one catalytic converter can be reliably avoided by exothermic processes.
  • This object is achieved by a method and an internal combustion engine with the features mentioned in claims 1 and 18, respectively.
  • the exhaust gas temperatures can briefly be above predetermined limit temperatures and the higher residual oxygen content of the exhaust gases can cause an increased basic exotherm. Overall, however, the rapid emptying of the oxygen storage and thus also an abrupt release of energy, which would lead to an excessive temperature peak or load on the catalytic converter, is advantageously reliably prevented.
  • the sub-stoichiometric lambda value can be requested on the basis of a performance specification for the internal combustion engine or a specification of the engine control, for example because the permissible exhaust gas temperature is exceeded.
  • the transition phase is preferably subdivided into at least two phases, it being possible for the transition phase as a whole or only in at least one phase to be steered to the requested substoichiometric lambda value with different speeds or different steepness.
  • Thrust shutdown phase initially at the beginning of the transition phase or in the first
  • Phase of the transition phase a lambda value between 0.9 and 1.05, preferably between 0.93 and 1, 02 and particularly preferably between 0.97 and 1, 0 and then gradually or continuously controlled to the originally requested lambda value, wherein the step-by-step or continuous reduction in the transition phase can take place as a whole or only in at least one phase.
  • the measure for controlling the lambda value in the transition phase or in at least one of the phases can preferably be made dependent on the exceeding of a temperature threshold for at least one of the catalysts.
  • the transition phase or preferably at least one of the phases should preferably take place with a duration of at least ten work cycles, in particular at least thirty work cycles of the internal combustion engine.
  • the change or the control of the lambda value in the transition phase or in at least one phase of the transition phase should preferably take place with an average enrichment rate of -0.01 to 0.3 s "1 , in particular of about -0.1 s ⁇ 1 .
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention is provided when using an oxygen-sensitive measuring device which is arranged after at least one catalyst.
  • a lambda probe or a NO x sensor with a corresponding measuring function can be used as the oxygen-sensitive measuring device.
  • the lambda in front of the at least one catalytic converter becomes a lambda value that is preferably ⁇ 1.00, optimally between 0.92 and 0.99, ideally between 0.94 and 0.96 is set.
  • the actual lambda can be regulated to the target specification in a known manner via at least one oxygen-sensitive measuring device located downstream of the internal combustion engine, but upstream of an at least first catalytic converter.
  • a lambda threshold value is undershot downstream of an at least first catalytic converter or downstream of the most critical catalyst on the oxygen-sensitive measuring device.
  • This threshold value is close to 1.00, preferably in the range from 0.95 to 1.03, in particular between 0.97 to 1.01 and ideally between 0.98 and 0.9995.
  • the lambda value can, as described, be reduced to the originally requested lambda value determined in a known manner.
  • Both the lambda value at the beginning of the transition phase or at the beginning of the first phase and the enrichment speed are preferably dependent on the engine speed, a temperature of the at least one catalytic converter and / or a pre-catalytic converter, an exhaust gas temperature, an exhaust gas mass flow, the operating point and the oxygen storage capacity of at least one the catalysts of a time that has elapsed since the beginning of the transition phase and / or a lambda-related exhaust gas composition.
  • the method variant described above with a staged restart of the fired operation of the internal combustion engine offers the additional advantage that the duration of the first stage can be adapted to the current catalytic converter state and thus the phase of the brief thermal overload is kept as short as possible and as long as necessary ,
  • the lean-burn internal combustion engine with at least one catalytic converter arranged in an exhaust gas duct of the internal combustion engine has means with which immediately after an overrun cut-off phase of the internal combustion engine and / or immediately after an operating phase in which oxygen is stored in the catalytic converter, initially in one Transition phase an approximately stoichiometric or less sub-stoichiometric lambda can be set, and with which the lambda value can then be controlled with a predefinable course to a lambda value originally requested, preferably by an engine control, of the internal combustion engine.
  • the at least one catalyst is at least one NO x storage catalyst, which can have at least one pre-catalyst.
  • the means can have at least one oxygen-sensitive measuring device, which is arranged downstream of the at least one catalytic converter.
  • a further oxygen-sensitive measuring device can be arranged downstream of the internal combustion engine, but upstream of an at least first catalytic converter.
  • control unit which is preferably integrated in an engine control unit, in which models and algorithms for the coordinated control of exhaust and power-related measures are stored in digital form.
  • control and coordination of the aforementioned means and other customary means takes place via the control unit or the engine control unit.
  • the internal combustion engine according to the invention is a gasoline engine, in particular a direct injection gasoline engine, or a diesel engine.
  • the at least one catalytic converter arranged in the exhaust gas duct of the internal combustion engine advantageously has a lower noble metal content than the prior art.
  • the downstream catalyst system consisting of at least one NO x storage catalytic converter and possibly at least one upstream catalytic converter, advantageously has a noble metal content of 3,5 3.59 g / dm 3 (100 g / ft 3 ), in particular __ 2, 87 g / dm 3 (80 g / ft 3 ) and preferably ⁇ 2.15 g / dm 3 (60 g / ft 3 ).
  • the catalyst system with a reduced noble metal content according to the invention with increasing vehicle mileage in the NEDC has no higher emissions than the original version with a higher noble metal content and without the method according to the invention. Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with a
  • Thrust shutdown phase according to the inventive method
  • FIG 3 shows time profiles of lambda before and after the catalytic converter when changing from a fuel cut-off phase according to a second variant of the method according to the invention.
  • the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 is followed by an exhaust system 12.
  • the exhaust system 12 has an exhaust duct 14, in which a pre-catalytic converter 16 arranged near the engine and a large-volume NO x storage catalytic converter 18 are located.
  • the exhaust gas duct 14 usually has various gas and / or temperature sensors for regulating the internal combustion engine 10, but not shown here. 1 shows, by way of example, two oxygen-sensitive measuring devices 20, 22, upstream or downstream of the NO x storage catalytic converter 18, which supply a signal for the respective lambda value in the exhaust gas, and a temperature sensor 24, with the aid of which the temperature of the NO x Storage catalyst 18 is determined.
  • the signals are transmitted to a control unit 26, in which they are used to control the operating modes of the internal combustion engine 10.
  • the control unit 26 is also integrated in an engine control unit 28.
  • the control unit 26 and the engine control unit 28 influence at least one operating parameter of the internal combustion engine 10, in particular an air-fuel mixture to be supplied (combustion lambda), as a function of the signals.
  • graph 100a and 100b represent the lambda
  • graph 102a and 102b the temperature of the NO x storage catalytic converter 18
  • graph 104a and 104b the oxygen level of the NO x storage catalytic converter 18 in time
  • the graphs 100a, 102a and 104a are shown in dashed lines and show the courses that result from the prior art, while the graphs 100b, 102b and 104b follow the courses represent the inventive method.
  • the lambda value or the mixture composition is initially set stoichiometrically immediately after the fuel cut-off phase at time t 1.
  • the lambda value originally requested by the engine controller 28 is only reached at a time t 2 , the course of the lowering of the lambda value being predetermined.
  • the oxygen store of the NO x storage catalytic converter 18 is gradually emptied.
  • the temperature at the NO x storage catalytic converter 18 rises between the two times t 1 and t 2 , but this rise is less than the temperature peak which arises in the method according to the prior art. This avoids excessive temperature stress and the associated damage to the NO x storage catalytic converter 18.
  • FIG. 3 A variant of the method according to the invention is shown in FIG. 3.
  • the graph 106 with the dashed line shows the lambda after the NO x storage catalytic converter 18 and the graph 108 shows the lambda upstream of the NO x storage catalytic converter 18.
  • the lambda before NO x storage catalytic converter 18 becomes less substoichiometric Lambda value set as originally requested.
  • the actual lambda is regulated to the lambda value in a known manner via at least one oxygen-sensitive measuring device 22 located downstream of the internal combustion engine 10, but upstream of the pre-catalytic converter 16.

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Description

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine sowie magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise 18 genannten Merkmalen.
Zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen wird dieses üblicherweise katalytisch gereinigt. Dazu wird das Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases vornimmt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NOx) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NOx) gleichzeitig zu katalysieren. Daneben sind auch Speicherkatalysatoren, beispielsweise NOx- Speicherkatalysatoren, bekannt. Diese werden bei der Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, die aus Gründen einer Verbrauchsoptimierung wenigstens zeitweise in einem mageren Betriebsmodus, das heißt mit einem sauerstoffreichen Abgas mit λ > 1 , betrieben werden. Die dabei entstehenden Stickoxide NOx können bei einer katalytischen oxidativen Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO in nur sehr geringem Maße zu umweltneutralem Stickstoff umgesetzt werden. Zur Abhilfe werden vorgenannte NOx- Speicherkatalysatoren in den Abgaskanälen von Verbrennungskraftmaschinen angeordnet, die in mageren Betriebsphasen NOx als Nitrat einlagern. In Intervallen muss der NOx- Speicherkatalysator regeneriert werden.
Die bei magerlauffähigen Ottomotoren für die Abgasreinigung eingesetzten NOx- Speicherkatalysatoren weisen im heutigen Entwicklungsstand gegenüber konventionellen 3-
Wege-Katalysatoren eine geringere Hochtemperaturstabilität auf. Der Einsatz dieser
Katalysatortechnik erfordert daher besondere Anstrengungen zur Begrenzung der Temperaturbelastung dieser Katalysatoren. Dafür kommen einerseits Maßnahmen in Betracht, die zur Absenkung des stationären Temperaturniveaus führen, wie beispielsweise die Abgaskühlung oder die Verringerung des Restsauerstoffgehaltes der Abgase durch Optimierung des Brennverfahrens. Andererseits sind hier genauso wie für 3-Wege-Systeme Maßnahmen sinnvoll, die zur Verringerung der Belastung bei instationärem Motorbetrieb führen, wie beispielsweise die Optimierung der Applikation hinsichtlich von HC-Spitzen.
Besonders kritisch bezüglich der Katalysatoralterung sind Hochtemperaturzyklen mit Schubabschaltungsphasen, das heißt mit zwischengeschaltetem, ungefeuertem Motorbetrieb. Als Ursache sind neben den erhöhten HC-Rohemissionen, die aus Wandfilmeffekten oder auch Ungenauigkeiten bei der Kraftstoffzumessung im Dynamikbetrieb resultieren, vor allem die hohen Sauerstoffkonzentrationen zu nennen, die durch Oxidations- und Sinterungsvorgänge zur Verringerung der Konvertierungsleistung der Katalysatoren führen können. Dabei kann es erforderlich sein, die Schubabschaltung bei sehr hohen Katalysatortemperaturen zu verbieten.
Ein weiteres Problem hinsichtlich der thermischen Katalysatorbelastung tritt beim Übergang aus einer Schubabschaltungsphase in den gefeuerten Motorbetrieb auf, wenn dabei sofort eine unterstöchiometrische Gemischzusammensetzung eingestellt wird. Während der Schubabschaltungsphase wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators vollständig gefüllt, das heißt in der Katalysatorbeschichtung beziehungsweise dem Washcoat wird Sauerstoff zwischengespeichert. Wird nun der Katalysator beim Wiedereinsetzen - beispielsweise bei einer anschließenden Volllastbeschleunigung - mit sehr sauerstoffarmem Abgas beaufschlagt, führt der Partialdruckunterschied zu einem sehr raschen Herauslösen des gespeicherten Sauerstoffs. Da das Abgas bei unterstöchiometrischem Motorbetrieb hohe Konzentrationen an brennbaren Komponenten (HC, CO, H2) enthält, kommt es zu heftigen Oxidationsreaktionen, die bei noch ausreichend hohem Grundtemperaturniveau des Katalysators zumindest örtlich zum Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur der Beschichtung führen können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysator sowie eine entsprechende Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei dem beziehungsweise der während der Übergangsphase nach einer Schubabschaltungsphase und/oder einer Betriebsphase, in der Sauerstoff in den Katalysator eingelagert wird, thermische Belastungsspitzen des zumindest einen Katalysators durch exotherme Abläufe sicher vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit den im Anspruch 1 beziehungsweise 18 genannten Merkmalen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysator ist es vorgesehen, dass bei (betriebsbedingter) Anforderung eines unterstöchiometrischen Lambdawertes unmittelbar im Anschluss an eine Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine und/oder unmittelbar im Anschluss an eine Betriebsphase, in der Sauerstoff in den Katalysator eingespeichert wird, zunächst in einer Übergangsphase ein in etwa stöchiometrischer oder weniger unterstöchiometrischer Lambdawert als angefordert eingestellt und anschließend auf den angeforderten Lambdawert, vorzugsweise auf einen von einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine vorgegebenen Wert, abgesteuert wird, wodurch ein Sauerstoffspeicher des zumindest einen Katalysators, vorzugsweise zumindest eines NOx- Speicherkatalysators, der zumindest einen Vorkatalysator aufweisen kann, allmählich geleert wird. Dabei können die Abgastemperaturen kurzzeitig oberhalb von vorgegebenen Grenztemperaturen liegen und der höhere Restsauerstoffgehalt der Abgase eine erhöhte Grundexothermie bewirken. Insgesamt wird damit jedoch vorteilhafterweise die zu rasche Leerung des Sauerstoffspeichers und somit auch eine schlagartige Energiefreisetzung sicher verhindert, die zu einer zu großen Temperaturspitze beziehungsweise Belastung des Katalysators führen würde.
Die Anforderung eines unterstöchiometrischen Lambdawertes kann aufgrund einer Leistungsvorgabe für die Verbrennungskraftmaschine oder einer Vorgabe der Motorsteuerung, zum Beispiel wegen der Überschreitung einer zulässigen Abgastemperatur erfolgen.
Die Übergangsphase ist vorzugsweise in mindestens zwei Phasen unterteilt, wobei in der Übergangsphase insgesamt oder auch nur in mindestens einer Phase mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beziehungsweise unterschiedlicher Steilheit auf den angeforderten unterstöchiometrischen Lambdawert abgesteuert werden kann.
Vorzugsweise wird bei Anforderung eines unterstöchiometrischen Lambdawertes durch die Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine im Anschluss an eine
Schubabschaltungsphase zunächst zu Beginn der Übergangsphase oder in der ersten
Phase der Übergangsphase ein Lambdawert zwischen 0,9 und 1 ,05, vorzugsweise zwischen 0,93 und 1 ,02 und besonders bevorzugt zwischen 0,97 und 1 ,0 eingestellt und anschließend schrittweise oder kontinuierlich auf den ursprünglich angeforderten Lambdawert abgesteuert, wobei die schrittweise oder kontinuierliche Absteuerung in der Übergangsphase insgesamt oder nur in mindestens einer Phase erfolgen kann.
Dabei kann bevorzugterweise die Maßnahme zur Absteuerung des Lambdawertes in der Übergangsphase oder in zumindest einer der Phasen vom Überschreiten einer Temperaturschwelle für zumindest einen der Katalysatoren abhängig gemacht werden.
Die Übergangsphase beziehungsweise vorzugsweise zumindest eine der Phasen soll vorzugsweise mit einer Dauer von mindestens zehn Arbeitsspielen, insbesondere von mindestens dreißig Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine ablaufen.
Die Veränderung beziehungsweise die Absteuerung des Lambdawertes in der Übergangsphase oder in mindestens einer Phasen der Übergangsphase soll vorzugsweise mit einer durchschnittlichen Anreicherungsgeschwindigkeit von -0,01 bis 0,3 s"1, insbesondere von etwa -0,1 s~1 erfolgen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der Verwendung einer sauerstoffsensitiven Messeinrichtung gegeben, die zumindest einem Katalysator nachgeordnet ist. Als sauerstoffsensitive Messeinrichtung kann beispielsweise eine Lambdasonde oder ein NOx-Sensor mit entsprechender Messfunktion verwendet werden. In diesem Falle wird zu Beginn des Wiedereinsetzens des gefeuerten Betriebes der Verbrennungskraftmaschine das Lambda vor dem zumindest einen Katalysator auf einen Lambdawert, der vorzugsweise < 1 ,00, optimal zwischen 0,92 und 0,99, ideal zwischen 0,94 und 0,96 liegt, eingestellt. Über zumindest eine stromab der Verbrennungskraftmaschine, jedoch stromauf eines zumindest ersten Katalysators gelegene sauerstoffsensitive Messeinrichtung kann das tatsächliche Lambda auf die Sollvorgabe in bekannter Weise geregelt werden.
Der Betrieb mit dem so vorgegebenen Lambdawert wird so lange beibehalten, bis stromab eines zumindest ersten Katalysators beziehungsweise stromab des belastungskritischsten Katalysators an der sauerstoffsensitiven Messeinrichtung ein Lambdaschwellwert unterschritten wird. Dieser Schwellwert liegt nahe um 1 ,00, vorzugsweise im Bereich von 0,95 bis 1 ,03, insbesondere zwischen 0,97 bis 1 ,01 und ideal zwischen 0,98 und 0,9995. Nach Unterschreiten des Schwellwertes kann der Lambdawert wie beschrieben auf den ursprünglich angeforderten, in bekannter Weise ermittelten Lambdawert abgesenkt werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, nach Unterschreiten des gemessenen Schwellwertes das Absenken des Lambdawertes noch für eine kurze Zeitspanne von 0 bis 4000 ms, ideal 100 bis 1000 ms und optimal 200 bis 500 ms zu verzögern, um ein zumindest nahezu vollständiges Ausräumen des gespeicherten Sauerstoffs aus dem zumindest einen Katalysator sicherzustellen.
Sowohl der Lambdawert zu Beginn der Übergangsphase oder zu Beginn der ersten Phase als auch die Anreicherungsgeschwindigkeit sind vorzugsweise in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, einer Temperatur des zumindest einen Katalysators und/oder eines Vorkatalysators, einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, des Betriebspunktes, der Sauerstoffspeicherfähigkeit zumindest eines der Katalysatoren einer seit Beginn der Übergangsphase verstrichenen Zeit und/oder einer lambdabezogenen Abgaszusammensetzung festgelegt.
Die vorstehend beschriebene Verfahrensvariante mit einem gestuften Wiedereinsetzen des gefeuerten Betriebes der Verbrennungskraftmaschine bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Zeitdauer der ersten Stufe an den aktuellen Katalysatorzustand angepasst werden kann und somit die Phase der kurzzeitigen thermischen Überlastung so kurz wie möglich und so lang wie erforderlich gehalten wird.
Die magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysator weist erfindungsgemäß Mittel auf, mit denen unmittelbar im Anschluss an eine Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine und/oder unmittelbar im Anschluss an eine Betriebsphase, in der Sauerstoff in den Katalysator eingelagert wird, zunächst in einer Übergangsphase ein in etwa stöchiomet sches oder weniger unterstöchiometrisches Lambda einstellbar ist, und mit denen der Lambdawert anschließend mit einem vorgebbaren Verlauf auf einen ursprünglich, vorzugsweise von einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine angeforderten Lambdawert absteuerbar ist.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem zumindest einen Katalysator um zumindest einen NOx-Speicherkatalysator, der zumindest einen Vorkatalysator besitzen kann. Die Mittel können je nach Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine zumindest eine sauerstoffsensitive Messeinrichtung aufweisen, die dem zumindest einen Katalysator nachgeordnet ist. Eine weitere sauerstoffsensitive Messeinrichtung kann stromab der Verbrennungskraftmaschine, jedoch stromauf eines zumindest ersten Katalysators angeordnet sein.
Diese Mittel umfassen zudem ein Steuergerät, das vorzugsweise in ein Motorsteuergerät integriert ist, in dem Modelle und Algorithmen zur koordinierten Steuerung von abgas- und leistungsreievanten Maßnahmen in digitalisierter Form hinterlegt sind.
Die Steuerung und Koordination vorgenannter Mittel und sonstiger üblicher Mittel erfolgt über das Steuergerät beziehungsweise das Motorsteuergerät.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine handelt es sich um einen Ottomotor, insbesondere einen direkt einspritzenden Ottomotor, oder einen Dieselmotor.
Vorteilhafterweise weist der zumindest eine im Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Katalysator einen gegenüber dem Stand der Technik verringerten Edelmetallgehalt auf.
Fahrzeuge mit magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschinen, die im Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ mit thermisch ungeschädigten Katalysatoren mit einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 g/l Katalysatorvolumen und einem zeitlichen gefeuerten Magerbetriebsanteil ohne Schubabschaltungsphasen mit einem Lambda > 1 ,15 von zumindest 250 s, insbesondere mindestens 350 s, eine HC-Emission von < 0,07 g/km und eine NOx-Emission von < 0,05 g/km erreichen, werden heute im Stand der Technik mit Katalysatoren ausgerüstet, die Edelmetallgehalte von ≥ 3,59 g/dm3 (100 g/ft3) aufweisen.
Vorteilhafterweise weist das nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nachgeordnete Katalysatorsystem, bestehend aus zumindest einem NOx-Speicherkatalysator und eventuell zumindest einem vorgeschalteten Vorkatalysator, einen Edelmetallgehalt ≤ 3,59 g/dm3 (100 g/ft3), insbesondere __ 2,87 g/dm3 (80 g/ft3) und vorzugsweise ≤ 2,15 g/dm3 (60 g/ft3) auf.
Vorteilhafterweise weist das Katalysatorsystem mit erfindungsgemäß abgesenktem Edelmetallgehalt mit zunehmender Fahrzeuglaufleistung im NEFZ gegenüber der ursprünglichen Ausführung mit höherem Edelmetallgehalt und ohne dem erfindungsgemäßen Verfahren keine höheren Emissionen auf. 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:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Abgasanlage;
Figur 2 zeitliche Verläufe verschiedener Parameter beim Wechsel aus einer
Schubabschaltungsphase nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Figur 3 zeitliche Verläufe von Lambda vor und nach dem Katalysator beim Wechsel aus einer Schubabschaltungsphase nach einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der in Figur 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Abgasanlage 12 nachgeordnet. Die Abgasanlage 12 weist einen Abgaskanal 14 auf, in dem ein motornah angeordneter Vorkatalysator 16 sowie ein großvolumiger NOx-Speicherkatalysator 18 befindlich sind. Neben dem Vorkatalysator 16 und dem NOx-Speicherkatalysator 18 weist der Abgaskanal 14 üblicherweise verschiedene, hier jedoch nicht dargestellte Gas- und/oder Temperatursensoren zur Regelung der Verbrennungskraftmaschine 10 auf. Dargestellt sind in Figur 1 lediglich beispielhaft zwei sauerstoffsensitive Messeinrichtungen 20, 22, stromauf beziehungsweise stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 angeordnet, die ein Signal für den jeweiligen Lambdawert im Abgas liefern, sowie ein Temperatursensor 24, mit Hilfe dessen die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 18 ermittelt wird. Die Signale werden an ein Steuergerät 26 übermittelt, in welchem diese zur Steuerung der Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine 10 herangezogen werden. Das Steuergerät 26 ist zudem in einem Motorsteuergerät 28 integriert. Mittels des Steuergerätes 26 und des Motorsteuergerätes 28 wird mindestens ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere ein zuzuführendes Luft-Kraftstoff-Gemisch (Verbrennungslambda), in Abhängigkeit der Signale beeinflusst.
Bei den in Figur 2 dargestellten Verläufen von Parametern stellen der Graph 100a und 100b das Lambda, Graph 102a und 102b die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 18 und Graph 104a und 104b den Sauerstofffüllstand des NOx-Speicherkatalysators 18 im zeitlichen Verlauf während des Übergangs vom Schubbetrieb auf den gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 dar. Die Graphen 100a, 102a und 104a sind gestrichelt dargestellt und zeigen die Verläufe, die sich nach dem Stand der Technik ergeben, während die Graphen 100b, 102b und 104b die Verläufe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen. Der Lambdawert beziehungsweise die Gemischzusammensetzung wird erfindungsgemäß unmittelbar im Anschluss an die Schubabschaltungsphase zum Zeitpunkt tι zunächst stöchiometrisch eingestellt. Der ursprünglich von der Motorsteuerung 28 angeforderte Lambdawert wird erst zu einem Zeitpunkt t2 erreicht, wobei der Verlauf der Absenkung des Lambdawertes vorgegeben wird. Durch diese Maßnahme wird der Sauerstoffspeicher des NOx-Speicherkatalysators 18 allmählich geleert. Dies hat zur Folge dass die Temperatur am NOx-Speicherkatalysator 18 zwischen den beiden Zeitpunkten t, und t2 ansteigt, jedoch ist dieser Anstieg geringer als die Temperaturspitze, die sich beim Verfahren nach dem Stand der Technik einstellt. Dadurch wird eine zu hohe Temperaturbelastung und eine damit einhergehende Schädigung des NOx- Speicherkatalysators 18 vermieden.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 3 dargestellt. Hierbei zeigt der Graph 106 mit der gestrichelten Linie das Lambda nach dem NOx-Speicherkatalysator 18 und der Graph 108 das Lambda vor dem NOx-Speicherkatalysator 18. Es wird zum Zeitpunkt t, das Lambda vor NOx-Speicherkatalysator 18 auf einen weniger unterstöchiometrischen Lambdawert als ursprünglich angefordert eingestellt. Über zumindest eine stromab der Verbrennungskraftmaschine 10, jedoch stromauf des Vorkatalysators 16 gelegene, sauerstoffsensitive Messeinrichtung 22 wird das tatsächliche Lambda auf den Lambdawert in bekannter Weise geregelt. Der Betrieb mit dem so vorgegebenen Lambda wird so lange beibehalten, bis stromab des NOx- Speicherkatalysators 18 an der sauerstoffsensitiven Messeinrichtung 20 zum Zeitpunkt t3 ein Lambdaschwellwert unterschritten wird. Nach Unterschreiten des Lambdaschwellwertes wird der Lambdawert auf den zur Katalysatorschonung angeforderten Lambdawert abgesenkt, wobei das Absenken des Lambdawertes noch für eine kurze Zeitspanne verzögert wird und somit erst zum Zeitpunkt t4 erfolgt, um ein zumindest nahezu vollständiges Ausräumen des gespeicherten Sauerstoffs sicherzustellen. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Verbrennungskraftmaschine
12 Abgasanlage
14 Abgaskanal
16 Vorkatalysator
18 NOx-Speicherkatalysator
20, 22 sauerstoffsensitive Messeinrichtung
24 Temperatursensor
26 Steuergerät
28 Motorsteuergerät
100a, 100b Lambdaverlauf
102a, 102b Temperaturverlauf des NOx-Speicherkatalysators
104a, 104b Verlauf des Sauerstofffüllstandes des NOx-Speicherkatalysators
106 Lambdaverlauf nach NOx-Speicherkatalysator
108 Lambdaverlauf
t, Zeitpunkt / Ende der Schubabschaltungsphase t2 Zeitpunkt / Erreichen des ursprünglich angeforderten Lambdawertes t3 Zeitpunkt / Unterschreiten eines Schwellwertes t4 Zeitpunkt / Ende der Verzögerung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit zumindest einem in einem Abgaskanal (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anforderung eines unterstöchiometrischen Lambdawertes unmittelbar im Anschluss an eine Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder unmittelbar im Anschluss an eine Betriebsphase, in der Sauerstoff in den Katalysator eingespeichert wird, zunächst in einer Übergangsphase ein in etwa stöchiometrischer oder weniger unterstöchiometrischer Lambdawert als angefordert eingestellt und anschließend auf den angeforderten unterstöchiometrischen Lambdawert abgesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der angeforderte Lambdawert und/oder der in der Übergangsphase zunächst eingestellte Lambdawert von einer Motorsteuerung vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator zumindest ein NOx-Speicherkatalysator (18) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator einen Vorkatalysator (16) aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase in mindestens zwei Phasen unterteilt ist, in denen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf den angeforderten unterstöchiometrischen Lambdawert abgesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Phasen oder in der Übergangsphase insgesamt die Absteuerung des Lambdawertes kontinuierlich erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Phasen oder in der Übergangsphase insgesamt die Absteuerung des Lambdawertes schrittweise erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase insgesamt, vorzugsweise bereits eine der Phasen, über eine Dauer von mindestens zehn, insbesondere mindestens dreißig Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine (10) abläuft.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absteuerung des Lambdawertes in der Übergangsphase oder in mindestens einer der Phasen mit einer durchschnittlichen Anreicherungsgeschwindigkeit von -0,01 bis -0,3 s"1, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen Anreicherungsgeschwindigkeit von etwa
-0,1 s"1 erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung der Absteuerung des Lambdawertes in der Übergangsphase oder in zumindest einer der Phasen in Abhängigkeit von der Überschreitung einer
Temperaturschwelle von zumindest einem Katalysator erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Übergangsphase beziehungsweise in der ersten Phase der Übergangsphase ein Lambdawert zwischen 0,9 und 1 ,05, insbesondere zwischen 0,93 und 1 ,02 und bevorzugt zwischen 0,97 und 1 ,0 eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem zumindest einen Katalysator eine sauerstoffsensitive Messeinrichtung (20) nachgeschaltet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Übergangsphase beziehungsweise in der ersten Phase der Übergangsphase ein Lambdawert < 1 ,00, vorzugsweise zwischen 0,92 bis 0,99 und besonders bevorzugt zwischen 0,94 bis 0,96 eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Übergangsphase das in etwa stöchiometrische oder weniger unterstöchiometrische Lambda so lange beibehalten wird, bis stromab eines zumindest ersten Katalysators beziehungsweise stromab des belastungskritischsten Katalysators an der sauerstoffsensitiven Messeinrichtung (20) ein Lambdaschwellwert unterschritten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaschwellwert nahe um 1 ,00, vorzugsweise im Bereich von 0,95 bis 1 ,03, besonders bevorzugt im Bereich von 0,97 bis 1 ,01 und optimal im Bereich von 0,98 bis 0,9995 liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten des Lambdaschwellwertes das Absenken des zunächst eingestellten Lambdawertes noch für eine Zeitspanne von 0...4000 ms, vorzugsweise 100...1000 ms, besonders bevorzugt 200....500 ms, verzögert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert zu Beginn der Übergangsphase und/oder die Anreicherungsgeschwindigkeit während der Übergangsphase in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, einer Temperatur des zumindest einen Katalysators und/oder eines Vorkatalysators, einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, des Betriebspunktes, der Sauerstoffspeicherfähigkeit zumindest eines der Katalysatoren, einer seit Beginn der Übergangsphase verstrichenen Zeit und/oder einer lambdabezogenen Abgaszusammensetzung festgesetzt werden.
18. Magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine (10) mit zumindest einem in einem Abgaskanal (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) Mittel aufweist, mit denen bei Anforderung eines unterstöchiometrischen Lambdawertes unmittelbar im Anschluss an eine Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder unmittelbar im Anschluss an eine Betriebsphase, in der Sauerstoff in den Katalysator eingespeichert wird, zunächst in einer Übergangsphase ein in etwa stöchiometrischer oder weniger unterstöchiometrischer Lambdawert als angefordert einstellbar ist, und mit denen der Lambdawert anschließend auf den ursprünglich angeforderten Lambdawert absteuerbar ist.
19. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator zumindest ein NOx-Speicherkatalysator (18) ist.
20. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator zumindest einen Vorkatalysator (16) besitzt.
21. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zumindest eine sauerstoffsensitive Messeinrichtung (20) umfassen, die dem zumindest einen Katalysator nachgeordnet ist.
22. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein Steuergerät (26) umfassen, das gegebenenfalls in ein Motorsteuergerät (28) integriert ist, in dem Modelle und Algorithmen zur koordinierten Steuerung von abgas- und leistungsrelevanten Maßnahmen in digitalisierter Form hinterlegt sind.
23. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Ottomotor oder ein Dieselmotor ist.
24. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Katalysator einen Edelmetallgehalt von ≤3,59 g/dm3, vorzugsweise ≤2,87 g/dm3, besonders bevorzugt ≤2,15 g/dm3 aufweist.
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