EP4226032A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, recheneinheit und computerprogramm - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, recheneinheit und computerprogramm

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EP4226032A1
EP4226032A1 EP21782955.5A EP21782955A EP4226032A1 EP 4226032 A1 EP4226032 A1 EP 4226032A1 EP 21782955 A EP21782955 A EP 21782955A EP 4226032 A1 EP4226032 A1 EP 4226032A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
composition
emission
Prior art date
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Pending
Application number
EP21782955.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christof Kirchmaier
Michael Fey
Bernd Kraewer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F02D2200/70—Input parameters for engine control said parameters being related to the vehicle exterior

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine and a computing unit and a computer program for its implementation.
  • catalytic converters and sensors in particular exhaust gas sensors such as lambda sensors, are usually installed in the exhaust systems of vehicles with internal combustion engines. Since these components are absolutely necessary for compliance with the specified limit values, they are usually monitored by various diagnostics.
  • There are also operating strategies for other engine concepts that make operation with an exhaust gas lambda of 1 necessary e.g. regeneration of particle filters, heating strategies, .
  • a method for operating an internal combustion engine includes providing and burning an air-fuel mixture with a first composition, determining a current composition of a combustion exhaust gas generated during combustion, determining an emission collective that has a value for at least one component of the combustion exhaust gas total quantity emitted at a predetermined interval, from a plurality of current compositions of the combustion exhaust gas determined one after the other, and setting a second composition of the air-fuel mixture as a function of the collective emissions determined.
  • the emission spectrum relates to a work performed by the internal combustion engine and/or an operating time of the internal combustion engine and/or a distance covered by a vehicle that is driven by the internal combustion engine.
  • the adjustment of the second composition comprises in particular a reduction in the proportion of fuel in the air-fuel mixture if rich gas components predominate in the emission spectrum and/or an increase in the proportion of fuel if lean gas components predominate in the spectrum of emissions.
  • rich gas components are any chemical compound that is produced by burning a fuel with a substoichiometric amount of oxygen, i.e. in particular hydrocarbons or partially oxidized hydrocarbons (e.g. mono- or polyhydric alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids and their respective derivatives and combinations thereof), carbon monoxide, ammonia and hydrogen.
  • Lean gas components include those compounds that are formed in particular when fuel with a superstoichiometric amount of oxygen is burned, in particular various nitrogen oxides.
  • a predominance of one component is characterized in particular by the fact that a proportion of the predominant component in the collective emission has a smaller distance from a threshold value assigned to it than all proportions of other components from a threshold value assigned to them.
  • This offers the advantage that different threshold values can be assigned, for example as a function of a hazard potential emanating from the respective component.
  • the distance mentioned can be calculated in particular in the form of a relative distance from the respective threshold value.
  • the setting of the second composition is preferably carried out depending on the necessity of at least one of several measures.
  • the measures include in particular a diagnosis and/or maintenance of at least one element of the internal combustion engine and/or an exhaust gas aftertreatment system connected downstream of it. Examples of such measures are, in particular, a catalytic converter diagnosis, a lambda probe diagnosis, what is known as catalytic converter cleaning, regeneration of a particle filter, what is known as catalytic converter heating and the like.
  • the measures are carried out one after the other and the method also includes specifying an order in which the multiple measures are carried out on the basis of the predominant component.
  • a storage capacity of a catalytic converter can be optimally utilized and overall emissions of pollutants downstream of the catalytic converter can be avoided or at least reduced.
  • the present invention enables, in particular, an early detection of an (imminent) exceeding of legal exhaust gas limits.
  • the currently accumulated emissions ie the collective emissions
  • applicable threshold values ie the collective emissions
  • a general lambda target value and a lambda value in the case of unavoidable active adjustments can be specifically influenced in such a way that the emissions of exhaust gas components with an already high accumulated value or emission collective do not increase further and that all emission specifications in the current driving cycle be fulfilled.
  • the target value of the lambda control is preferably selected in such a way that the emission of certain exhaust gas components is avoided in a targeted manner.
  • a slightly rich target value i.e. less oxygen content in the air-fuel mixture than would be necessary for complete combustion of the fuel
  • a rich target value is specifically avoided if, for example, hydrocarbons and/or carbon monoxide (or other exhaust gas components that are increasingly formed due to a lack of oxygen during combustion or in downstream exhaust gas treatment processes, for example ammonia) have high emission collectives in relation to the threshold value.
  • sequence strategy of the diagnosis of the exhaust gas components be adapted in a targeted manner, taking into account the accumulated emissions. For example, in markets where only symmetrical dynamic errors of lambda probes are required to be found, it can be decided whether the dynamic diagnosis should be carried out with rich preconditioning and a subsequent measurement jump to lean or vice versa.
  • Sensors are preferably installed in such a system, which provide information about the current exhaust gas composition.
  • Such sensors can be, for example, lambda sensors, nitrogen oxide sensors, temperature sensors, etc.
  • (mathematical) models are preferably present, which convert measurement data into the actual raw emissions at the outlet of the internal combustion engine, or into the actual emissions downstream of a catalytic converter.
  • Such a model is described in DE 10 2016222418 A1, for example.
  • a computing unit according to the invention e.g. a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 shows an arrangement with an internal combustion engine for carrying out an advantageous embodiment of a method according to the invention in the form of a schematic block diagram.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention in a simplified representation in the form of a flow chart.
  • FIG. 1 shows an arrangement with an internal combustion engine 110, which can be used to carry out an advantageous embodiment of a method according to the invention, shown schematically in the form of a block diagram and denoted overall by 100.
  • the arrangement 100 comprises, in addition to the internal combustion engine 110, which can be configured as a gasoline engine, diesel engine or rotary piston engine, for example, an injection system 120, an exhaust gas catalytic converter 130 and a computing unit 140 (so-called engine control unit, ECU).
  • the internal combustion engine 110 which can be configured as a gasoline engine, diesel engine or rotary piston engine, for example, an injection system 120, an exhaust gas catalytic converter 130 and a computing unit 140 (so-called engine control unit, ECU).
  • ECU engine control unit
  • the internal combustion engine 110 includes a plurality of combustion chambers 1-6, which are supplied with fuel by the injection system 120 when the internal combustion engine 110 is in operation.
  • the number of combustion chambers is irrelevant to the present invention.
  • the injection system can be a direct injection system, for example, but the invention is also suitable for intake manifold injection systems.
  • the arithmetic unit 140 monitors and controls the operation of the arrangement 100 and receives control signals from outside the arrangement 100, for example via an operating unit such as a pedal, a switch, etc.
  • the arithmetic unit can be set up to, depending on a received control signal Induce injection system to meter fuel into each or certain of the combustion chambers 1-6, adjust ignition times for the combustion chambers 1-6 of the internal combustion engine, receive signals from components of the arrangement 100 and / or operating parameters of the internal combustion machine 110, the injection system 120 and/or the catalytic converter 130 to be determined.
  • the injection system 120 is in turn set up to supply fuel individually to each of the combustion chambers 1-6 in a quantity defined by the control signals and at a defined point in time as a function of control signals which it receives from the computing unit 140 .
  • this can be done in any way that is suitable for such a defined metering.
  • a fuel pump can supply fuel at a specific pressure to one or more rails, each supplying a plurality of combustion chambers 1-6, which pressure can be predetermined or controlled.
  • the quantity and time of the respective metering can then be controlled via controlled injection valves specific to the combustion chamber.
  • Another example would be an injection arrangement assigned to only one combustion chamber, for example in the form of a conventional pump-nozzle combination or a combustion-chamber-specific injection pump. This list expressly only represents exemplary embodiments and does not claim to be complete.
  • Exhaust gas catalytic converter 130 is set up to cause exhaust gas components generated during operation of internal combustion engine 110 to react with one another in order to convert pollutants into less harmful compounds.
  • the exhaust catalyst 130 may be provided as a conventional three-way catalyst.
  • an oxidation catalytic converter and/or SCR catalytic converter can also be used as exhaust gas catalytic converter 130 .
  • the use of a three-way catalyst is assumed below.
  • the exhaust gas catalytic converter 130 is particularly effective in particular in a defined catalytic converter window, with the catalytic converter window describing a range of exhaust gas compositions.
  • the components oxygen, fatty gas components and carbon monoxide play an important role here.
  • the operation of the combustion Engine 110 is controlled to produce an exhaust gas having a composition corresponding to an air ratio of 1.
  • overrun mode i.e.
  • the rich gas components and carbon monoxide are usually absent in the exhaust gas, since little or no fuel is injected into the combustion chambers 1-6 of the internal combustion engine 110. In such an operating phase, this reduces the fuel consumption and also the corresponding exhaust gas emissions, but subsequently has a negative effect on the conversion capacity of the exhaust gas catalytic converter 130 since the latter then has stored too much oxygen.
  • a rich air-fuel mixture can therefore be injected into the combustion chambers 1-6 of the internal combustion engine 110 after the end of such an overrun phase in order to produce a rich exhaust gas. In this way, the exhaust gas catalyst 130 can be brought back into the catalyst window relatively quickly. This represents a conventional measure for quickly resuming catalytic converter operation after an overrun phase.
  • the composition of the exhaust gas generated by internal combustion engine 110 and by the Exhaust catalyst is converted, determined.
  • signals from the sensors 142, 144, 146 are transmitted to the computing unit 140 and evaluated by it.
  • the composition of the air-fuel mixture injected into the combustion chambers 1-6 of the internal combustion engine 110 is controlled as a function of the signals received.
  • throttle valves can be set in an air path of the injection system 120 or a delivery capacity of a fuel pump can be controlled accordingly.
  • Such control of the composition of the air-fuel mixture is a conventional measure for controlling the composition of the exhaust gas.
  • the processing unit also logs how the current composition of the exhaust gas develops over time or the current compositions are added up or averaged and/or over a (e.g. time or work or route-related) Interval integrated.
  • an emission collective is determined for at least one, preferably several components of the exhaust gas, which includes, for example, the total quantity of the exhaust gas components emitted in an operating cycle, for example a current stage of a route.
  • the components nitrogen oxides, hydrocarbons and carbon monoxide are particularly relevant, since these are regularly subject to particularly strict legal regulations.
  • the emission collective is then compared with threshold values for the respective exhaust gas components.
  • the threshold values can be stored in the control unit 140 itself, for example, or can be retrieved or received from outside the arrangement, in particular via a wireless connection. In the latter case, currently valid limit values (locally or temporally) can be taken into account.
  • a difference between the total quantity determined in the collective emission and a maximum quantity permissible according to the threshold values can be determined.
  • the further control of the internal combustion engine 110 or the injection system 120 can then take these distances into account in such a way that the composition of the air-fuel mixture is adjusted in one direction only, causing a change in the exhaust gas composition in such a way that the components that are already close to their permissible limit are produced to a lesser extent, while components whose total quantity is still far from the respective maximum quantity can be produced to a greater extent.
  • diagnostic and maintenance functions often require a non-stoichiometric composition of the air-fuel mixture.
  • a so-called catalyst sweep may require a rich exhaust
  • Diagnostic functions that are intended to detect malfunctions in a lambda probe when lean exhaust gas is required.
  • a diagnostic function that requires lean exhaust gas can be carried out, for example, when the total quantity of rich gas components in the emission spectrum is just close to the associated threshold value , while nitrogen oxides (a typical lean component), for example, play a minor role in terms of quantity.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention in the form of a simplified flowchart and is labeled 200 overall. References, in particular to device components, in the description of FIG. 2 can also refer to reference symbols in FIG.
  • a current exhaust gas composition downstream of internal combustion engine 110 is determined.
  • the signals from lambda probes and/or nitrogen oxide sensors 142, 144, 146 described with reference to FIG. 1 can be evaluated by control unit 140.
  • an emissions collective is determined from the current composition of the exhaust gas in conjunction with compositions determined beforehand.
  • the respective current compositions can be integrated, for example, over a period of time or a distance covered.
  • step 220 the respective total amounts of exhaust gas components that are summarized in the collective emissions can be compared against one or more corresponding threshold values. For example relative distances between the currently determined total emitted quantity of a component and its respective threshold value or maximum permissible quantity can be determined.
  • a step 230 it is determined whether an adjustment of the composition of the air-fuel mixture is required. If not, the method 200 returns to step 210 and continues recording the exhaust gas composition.
  • step 230 If, on the other hand, it is determined in step 230 that the composition of the air-fuel mixture and thus also the composition of the exhaust gas must be changed in order to carry out one or more measures, the method continues with step 240, in which a sequence of the necessary measures or An implementation mode of the required measure is defined as a function of the collective emissions determined in step 220 (or in particular of the determined distances of the component quantities from their respective threshold values).
  • step 250 the measures are or are carried out in accordance with the order specified in step 240 or in the implementation mode specified therein. Thereafter, the process may return to step 210.
  • the arrangement 100 in FIG. 1 is shown only schematically and can also contain other or additional elements, for example one or more additional catalytic converters, sensors, particle filters or the like. These additional or alternative elements can optionally also be controlled within the scope of the invention or signals provided by them can be used to determine the collective emission (step 220) or to determine the measures to be carried out or their sequence (step 250).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (110) umfassend ein Bereitstellen und Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mit einer ersten Zusammensetzung, ein Bestimmen (210) einer aktuellen Zusammensetzung eines bei dem Verbrennen erzeugten Verbrennungsabgases, ein Ermitteln (220) eines Emissionskollektivs, das für zumindest eine Komponente des Verbrennungsabgases eine über ein vorbestimmtes Intervall ausgestoßene Gesamtmenge umfasst, aus mehreren nacheinander ermittelten aktuellen Zusammensetzungen des Verbrennungsabgases, und ein Einstellen (250) einer zweiten Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Abhängigkeit von dem ermittelten Emissionskollektiv. Ferner betrifft die Erfindung eine Recheneinheit und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Recheneinheit und Computerprogramm
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Um Abgase von Schadstoffen zu reinigen, werden in den Abgassystemen von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen in der Regel Katalysatoren und Sensoren, insbesondere Abgassensoren wie z.B. Lambdasonden, verbaut. Da diese Komponenten zwingend für die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte notwendig sind, werden sie üblicherweise durch verschiedene Diagnosen überwacht.
Um Schadstoffemissionen gering zu halten, kann generell, insbesondere in Systemen mit Ottomotor, vorzugsweise ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff- Verhältnis (Lambda = 1) angestrebt werden. Das bedeutet, dass genau so viel Sauerstoff vorhanden ist, wie notwendig ist, um den Kraftstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser zu verbrennen. Auch bei anderen Motorkonzepten gibt es Betriebsstrategien, die einen Betrieb mit einem Abgaslambda von 1 notwendig machen (z.B. Regeneration von Partikelfiltern, Aufheizstrategien, ...).
Zu Diagnosezwecken kann es notwendig sein, den Sollwert des Verbrennungslambdas aktiv zu verstellen, um die Reaktion der Komponenten im Abgassystem auf die Lambdaverstellung zu bewerten. Beispielsweise kann es sich hier um Dynamikdiagnosen oder Offsetdiagnosen für Lambdasonden oder im Falle des Katalysators um eine Diagnose der Sauerstoffspeicherfähigkeit handeln.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfasst ein Bereitstellen und Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mit einer ersten Zusammensetzung, ein Bestimmen einer aktuellen Zusammensetzung eines bei dem Verbrennen erzeugten Verbrennungsabgases, ein Ermitteln eines Emissionskollektivs, das für zumindest eine Komponente des Verbrennungsabgases eine über ein vorbestimmtes Intervall ausgestoßene Gesamtmenge umfasst, aus mehreren nacheinander ermittelten aktuellen Zusammensetzungen des Verbrennungsabgases, und ein Einstellen einer zweiten Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Abhängigkeit von dem ermittelten Emissionskollektiv. Dadurch wird bei der Steuerung der Brennkraftmaschine nicht nur, wie in herkömmlichen Verfahren üblich, das aktuelle Emissionsverhalten berücksichtigt, sondern beispielsweise die Einhaltung von Grenzwerten über einen gesamten Betriebs- bzw. Fahrtzyklus überwacht und somit insgesamt eine Verringerung der Emissionen ermöglicht.
Vorteilhafterweise bezieht sich das Emissionskollektiv auf eine durch die Brennkraftmaschine geleistete Arbeit und/oder eine Betriebszeit der Brennkraftmaschine und/oder eine durch ein Fahrzeug, das von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, zurückgelegte Strecke. Diese werden beispielsweise bei gesetzlichen Vorgaben in Bezug auf maximale Emissionen zugrunde gelegt und bilden daher besonders wichtige Bezugsgrößen. Das Einstellen der zweiten Zusammensetzung umfasst insbesondere ein Senken des Kraftstoffanteils in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn in dem Emissionskollektiv Fettgaskomponenten überwiegen, und/oder ein Steigern des Kraftstoffanteils, wenn in dem Emissionskollektiv Magergaskomponenten überwiegen.
Dadurch kann einer Verschiebung des Emissionsverhaltens in Richtung einer Komponente, die im Mittel ohnehin schon überrepräsentiert ist, vermieden werden.
Im Rahmen dieser Erfindung wird unter Fettgaskomponenten jede chemische Verbindung verstanden, die durch eine Verbrennung eines Kraftstoffs mit einer unterstöchiometrischen Menge an Sauerstoff erzeugt wird, also insbesondere Kohlenwasserstoffe bzw. teiloxidierte Kohlenwasserstoffe (beispielsweise ein- oder mehrwertige Alkohole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren und deren jeweilige Derivate sowie Kombinationen daraus), Kohlenstoffmonoxid, Ammoniak und Wasserstoff. Unter Magergaskomponenten werden hingegen solche Verbindungen zusammengefasst, die insbesondere bei einer Verbrennung von Kraftstoff mit einer überstöchiometrischen Sauerstoffmenge gebildet werden, insbesondere verschiedene Stickstoffoxide.
Ein Überwiegen einer Komponente ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der überwiegenden Komponente an dem Emissionskollektiv einen geringeren Abstand von einem ihr zugeordneten Schwellwert hat als alle Anteile anderer Komponenten von einem jeweils ihnen zugeordneten Schwellwert. Dies bietet den Vorteil, dass unterschiedliche Schwellwerte, beispielsweise in Abhängigkeit von einem von der jeweiligen Komponente ausgehenden Gefahren potential, vergeben werden können. Der erwähnte Abstand kann insbesondere in Form eines relativen Abstands von dem jeweiligen Schwellwert berechnet werden.
Das Einstellen der zweiten Zusammensetzung erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von einer Erforderlichkeit zumindest einer von mehreren Maßnahmen. Dadurch kann grundsätzlich eine emissionsoptimale Zusammensetzung gewählt werden und eine Verschiebung der Zusammensetzung wird nur bei Vorliegen eines Erfordernisses durchgeführt. Die Maßnahmen umfassen dabei insbesondere eine Diagnose und/oder Wartung zumindest eines Elements der Brennkraftmaschine und/oder eines ihr nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems. Beispiele für solche Maßnahmen sind insbesondere eine Katalysatordiagnose, eine Lambdasondendiagnose, ein sogenanntes Katalysator-Ausräumen, eine Regeneration eines Partikelfilters, ein sogenanntes Kat-Heizen und dergleichen.
Insbesondere werden die Maßnahmen nacheinander durchgeführt und das Verfahren umfasst ferner ein Festlegen einer Reihenfolge der Durchführung der mehreren Maßnahmen auf Basis der überwiegenden Komponente. Dadurch kann beispielsweise eine Speicherfähigkeit eines Katalysators optimal ausgenützt werden und insgesamt Emissionen von Schadstoffen stromab des Katalysators vermieden oder zumindest verringert werden.
Generell ist es durch die Verwendung von Sensoren und Modellen im Abgassystem möglich, Rückschlüsse auf die aktuell auftretenden Emissionen zu ziehen. Beispiele für solche Emissionen sind Stickstoffoxide (NOX), Ammoniak(NH3), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Wasserstoff (H2) und als Maß für den Kraftstoffverbrauch Kohlenstoffdioxid (CO2).
Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere eine frühzeitige Erkennung einer (drohenden) Überschreitung gesetzlicher Abgasgrenzwerte. Durch die Integration der aktuellen Emissionswerte über ein, insbesondere zeitliches, Intervall und ggf. mit einer Gewichtung der Integrationswerte über die gefahrene Strecke im aktuellen Fahrzyklus, können die aktuell akkumulierten Emissionen (d.h. das Emissionskollektiv) mit jeweils applizierbaren Schwellwerten verglichen werden. Mit Hilfe der gewonnenen Informationen über die akkumulierten Emissionen können insbesondere ein allgemeiner Lambdasollwert und ein Lambdawert bei unumgänglichen aktiven Verstellungen gezielt so beeinflusst werden, dass die Emissionen von Abgasbestandteilen mit einem bereits hohen akkumulierten Wert bzw. Emissionskollektiv nicht zusätzlich ansteigen und dass alle Emissionsvorgaben im aktuellen Fahrzyklus erfüllt werden. Vorzugsweise wird der Sollwert der Lambdaregelung so gewählt, dass der Ausstoß bestimmter Abgaskomponenten gezielt vermieden wird. Beispielsweise wird ein leicht fetter Sollwert (d.h. weniger Sauerstoffanteil im Luft-Kraftstoff-Gemisch als für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs notwendig wäre) gewählt, wenn die bisherigen Stickstoffoxid-Emissionen hoch waren, bzw. es wird ein fetter Sollwert gezielt vermieden, sollten beispielsweise Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenstoffmonoxid (oder andere Abgasbestandteile, die durch Sauerstoffmangel bei der Verbrennung oder in dieser nachgelagerten Prozessen der Abgasnachbereitung vermehrt gebildet werden, beispielsweise Ammoniak) hohe Emissionskollektive im Verhältnis zum Schwellwert haben.
Des Weiteren ist in Ausgestaltungen vorgesehen, die Ablaufstrategie der Diagnosen der Abgaskomponenten unter Berücksichtigung der akkumulierten Emissionen gezielt anzupassen. Beispielsweise kann in Märkten, in denen nur das Finden von symmetrischen Dynamikfehlern von Lambdasonden gefordert ist, entschieden werden, ob die Dynamikdiagnose mit einer fetten Vorkonditionierung und einem anschließenden Messsprung ins Magere durchgeführt werden soll oder umgekehrt.
Vorzugsweise sind in einem solchen System Sensoren verbaut, welche Aufschluss über die aktuelle Abgaszusammensetzung geben. Bei solchen Sensoren kann es sich beispielsweise um Lambdasonden, Stickstoffoxid-Sensoren, Temperatursensoren, usw. handeln.
Vorzugsweise sind zusätzlich (mathematische) Modelle vorhanden, welche Messdaten in die tatsächlichen Rohemissionen am Auslass des Verbrennungsmotors, bzw. in die tatsächlichen Emissionen hinter einem Katalysator umrechnen. Ein solches Modell ist beispielsweise in der DE 10 2016222418 A1 beschrieben.
Neben der zurückgelegten Distanz im Fahrzyklus und dem Lambdawert des Abgases können weitere gemessene oder modellierte Größen verwendet werden, um die Ergebnisse zu gewichten oder um die Genauigkeit zu erhöhen. Bespiele für solche Größen sind insbesondere Temperaturen, Massenströme und Drücke. Es sei betont, dass eine Anwendung der Erfindung in einem Fahrzeug zwar besonders vorteilhaft ist, da in solchen Fällen besonders strenge gesetzliche Vorgaben bezüglich zulässiger Emissionen gelten, diese jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit darstellt. Vielmehr sind auch andere Anwendungen, insbesondere auch in Bezug auf stationäre Brennkraftmaschinen, vorgesehen. Bei der verwendeten Brennkraftmaschine kann es sich prinzipiell um jede Art von Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise einen Ottomotor, einen Dieselmotor, einen Magermotor mit Fremdzündung, einen Drehkolbenmotor oder dergleichen. Auch eine Anwendung der Erfindung in Verbindung mit mehreren Brennkraftmaschinen, insbesondere mit gekoppeltem Abgassystem, kann vorteilhaft sein.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine zur Durchführung einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines schematischen Blockdiagramms.
Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung in Form eines Flussdiagramms.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine 110, die zur Durchführung einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Anordnung 100 umfasst neben der Brennkraftmaschine 110, die beispielsweise als Ottomotor, Dieselmotor oder Drehkolbenmotor ausgestaltet sein kann, eine Einspritzanlage 120, einen Abgaskatalysator 130 und eine Recheneinheit 140 (sog. Motorsteuergerät, ECU).
Die Brennkraftmaschine 110 umfasst mehrere Brennräume 1-6, die im Betrieb der Brennkraftmaschine 110 von der Einspritzanlage 120 mit Kraftstoff versorgt werden. Die Anzahl der Brennräume ist für die vorliegende Erfindung irrelevant. Es kann sich bei der Einspritzanlage beispielsweise um ein Direkteinspritzsystem handeln, die Erfindung ist jedoch ebenso für Saugrohreinspritzsysteme geeignet. Die Recheneinheit 140 überwacht und steuert den Betrieb der Anordnung 100 und empfängt Steuersignale von außerhalb der Anordnung 100, beispielsweise über eine Bedieneinheit wie ein Pedal, einen Schalter, o.Ä. Beispielsweise kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von einem empfangenen Steuersignal die Einspritzanlage zu einer Zumessung von Kraftstoff in jeden oder bestimmte der Brennräume 1-6 zu veranlassen, Zündzeiten für die Brennräume 1-6 der Brennkraftmaschine einzustellen, Signale von Komponenten der Anordnung 100 zu empfangen und/oder Betriebsparameter der Brennkraftma- schine 110, der Einspritzanlage 120 und/oder des Abgaskatalysators 130 zu ermitteln.
Die Einspritzanlage 120 ist ihrerseits dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von Steuersignalen, die sie von der Recheneinheit 140 empfängt, Kraftstoff in einer durch die Steuersignale definierten Menge und zu einem definierten Zeitpunkt jedem der Brennräume 1-6 individuell zuzuführen. Dies kann prinzipiell in jeder beliebigen Weise geschehen, die zu einer solch definierten Zumessung geeignet ist. Beispielsweise kann eine Kraftstoffpumpe eine oder mehrere Verteiler (Rail), die jeweils mehrere der Brennräume 1-6 versorgen, mit Kraftstoff bei einem bestimmten Druck beaufschlagen, wobei der Druck vorbestimmt oder gesteuert bzw. geregelt sein kann. Über gesteuerte brennraumindividuelle Einspritzventile können dann die Menge und der Zeitpunkt der jeweiligen Zumessung gesteuert werden. Ein weiteres Beispiel bestünde in einer jeweils nur einem Brennraum zugeordneten Einspritz-Anordnung, beispielsweise in Form einer herkömmlichen Pumpe-Düse-Kombination oder einer brennraumindividuellen Einspritzpumpe. Diese Aufzählung stellt ausdrücklich nur Ausführungsbeispiele dar und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Der Abgaskatalysator 130 ist dazu eingerichtet, im Betrieb der Brennkraftmaschine 110 erzeugte Abgaskomponenten miteinander zur Reaktion zu bringen, um Schadstoffe zu weniger schädlichen Verbindungen umzusetzen. Beispielsweise kann der Abgaskatalysator 130 als herkömmlicher Dreiwegekatalysator bereitgestellt sein. Insbesondere in Fällen, in denen die Brennkraftmaschine 110 als Dieselmotor ausgestaltet ist, kann auch ein Oxidationskatalysator und/oder SCR-Katalysator als der Abgaskatalysator 130 verwendet werden. Zu Zwecken der Erläuterung wird im Folgenden der Einsatz eines Dreiwegekatalysators angenommen.
Grundsätzlich ist der Abgaskatalysator 130 insbesondere in einem definierten Katalysatorfenster besonders effektiv, wobei das Katalysatorfenster einen Bereich von Abgaszusammensetzungen beschreibt. Insbesondere die Bestandteile Sauerstoff, Fettgaskomponenten und Kohlenstoffmonoxid spielen hierbei eine wichtige Rolle. Im Normalbetrieb wird daher in der Regel der Betrieb der Brenn- Kraftmaschine 110 so gesteuert, dass sie ein Abgas mit einer Zusammensetzung, die einer Luftzahl von 1 entspricht, erzeugt. Wird die Brennkraftmaschine 110 jedoch beispielsweise in einem sogenannten Schubbetrieb betrieben, also so, dass sie ein Verzögerungsmoment auf einen nachgelagerten Antriebsstrang ausübt, insbesondere auf eine Kupplungseingangswelle und/oder ein Fahrgetriebe, fehlen in der Regel die Fettgaskomponenten und Kohlenstoffmonoxid in dem Abgas, da wenig oder gar kein Kraftstoff in die Brennräume 1-6 der Brennkraftmaschine 110 eingespritzt wird. Dies senkt in einer solchen Betriebsphase den Kraftstoffverbrauch und auch die entsprechenden Abgasemissionen, wirkt sich im Anschluss jedoch negativ auf das Konvertierungsvermögen des Abgaskatalysators 130 aus, da dieser dann zu viel Sauerstoff eingespeichert hat. Herkömmlicherweise kann daher nach einem Ende einer derartigen Schubbetriebsphase ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennräume 1-6 der Brennkraftmaschine 110 eingespritzt werden, um ein fettes Abgas zu erzeugen. So kann der Abgaskatalysator 130 relativ schnell zurück in das Katalysatorfenster gebracht werden. Dies stellt eine herkömmliche Maßnahme zur schnellen Wiederaufnahme des Katalysatorbetriebs nach einer Schubbetriebsphase dar.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 110 wird insbesondere unter Verwendung von Abgassensoren 142, 144, 146, die beispielsweise als Breitbandlambdasonden, Sprung-Lambdasonden und/oder Stickstoffoxid-Sensoren bereitgestellt sein können, die Zusammensetzung des Abgases, das von der Brennkraftmaschine 110 erzeugt und von dem Abgaskatalysator konvertiert wird, ermittelt. Dazu werden Signale der Sensoren 142, 144, 146 an die Recheneinheit 140 übermittelt und von dieser ausgewertet. In Abhängigkeit von den empfangenen Signalen wird die Zusammensetzung des in die Brennräume 1-6 der Brennkraftmaschine 110 eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemischs gesteuert. Dazu können beispielsweise Drosselklappen in einem Luftpfad der Einspritzanlage 120 eingestellt werden oder eine Förderleistung einer Kraftstoffpumpe entsprechend gesteuert werden. Eine derartige Steuerung der Zusammensetzung des Luft- Kraftstoff-Gemischs stellt eine herkömmliche Maßnahme zur Regelung der Abgaszusammensetzung dar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in der Recheneinheit zusätzlich dazu protokolliert, wie sich die aktuelle Zusammensetzung des Abgases über die Zeit entwickelt bzw. die aktuellen Zusammensetzungen werden aufaddiert bzw. gemittelt und/oder über ein (bspw. zeitliches oder arbeits- bzw. streckenmäßiges) Intervall integriert. Dabei wird für zumindest eine, bevorzugt mehrere Komponenten des Abgases ein Emissionskollektiv bestimmt, das beispielsweise die Gesamtmenge der in einem Betriebszyklus, beispielsweise einer aktuellen Etappe einer Fahrtstrecke, emittierten Abgaskomponenten umfasst. Insbesondere relevant sind dabei die Komponenten Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid, da diese regelmäßig einer besonders strengen gesetzlichen Reglementierung unterworfen sind. Das Emissionskollektiv wird dann mit Schwellwerten für die jeweiligen Abgaskomponenten abgeglichen. Die Schwellwerte können beispielsweise in dem Steuergerät 140 selbst hinterlegt sein oder, insbesondere über eine Drahtlosverbindung von außerhalb der Anordnung abgerufen bzw. empfangen werden. In letzterem Fall können jeweils (lokal bzw. zeitlich) aktuell gültige Grenzwerte berücksichtigt werden.
Bei dem Abgleich kann beispielsweise für jede überwachte Abgaskomponente ein Abstand der in dem Emissionskollektiv ermittelten Gesamtmenge von einer gemäß den Schwellwerten zulässigen Höchstmenge bestimmt werden. Die weitere Steuerung der Brennkraftmaschine 110 bzw. der Einspritzanlage 120 kann dann diese Abstände in der Weise berücksichtigen, dass Verstellungen der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs nur in eine Richtung erfolgen, die eine Veränderung der Abgaszusammensetzung in der Art bewirken, dass die Komponenten, die bereits nahe an ihrer Zulässigkeitsgrenze liegen, in geringerem Umfang erzeugt werden, während Komponenten, deren Gesamtmenge noch einen großen Abstand von der jeweiligen Höchstmenge aufweist, vermehrt gebildet werden können.
Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Diagnose- bzw. Wartungsfunktionen in Bezug auf einzelne Elemente 130, 142, 144, 146 vorteilhaft. Solche Diagnose- und Wartungsfunktionen erfordern häufig eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Beispielsweise kann ein sogenanntes Katalysator-Ausräumen ein fettes Abgas erfordern, während für manche Diagnosefunktionen, die Fehlfunktionen einer Lambdasonde erkennen sollen, ein mageres Abgas benötigt wird. Je nachdem, wie das Emissionskollektiv in einem bestimmten Zeitpunkt während des Betriebs der Brennkraftmaschine 110 beschaffen ist, kann daher beispielsweise eine Diagnosefunktion, die ein mageres Abgas erfordert, dann durchgeführt werden, wenn die Gesamtmenge an Fettgaskomponenten in dem Emissionskollektiv gerade nahe an dem zugeordneten Schwellwert liegen, während beispielsweise Stickstoffoxide (eine typische Magerkomponente) mengenmäßig eine untergeordnete Rolle spielen. So kann die Einhaltung von Grenzwerten über den gesamten Betriebszeitraum sichergestellt werden, ohne auf notwendige Diagnosefunktionen verzichten zu müssen. Umgekehrt kann selbstverständlich auch erst eine ein fettes Abgas erfordernde Maßnahme durchgeführt werden, wenn Magergaskomponenten in dem Emissionskollektiv überwiegen, wie eingangs erläutert.
In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines vereinfachten Flussdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Verweise, insbesondere auf Vorrichtungskomponenten, in der Beschreibung von Figur 2 können sich auch auf Bezugszeichen in Figur 1 beziehen.
In einem ersten Schritt 210 des Verfahrens 200 wird eine aktuelle Abgaszusammensetzung stromab der Brennkraftmaschine 110 ermittelt. Dazu können insbesondere die in Bezug auf Figur 1 beschriebenen Signale von Lambdasonden und/oder Stickstoffoxid-Sensoren 142, 144, 146 durch das Steuergerät 140 ausgewertet werden.
In einem Schritt 220 wird aus der aktuellen Zusammensetzung des Abgases in Verbindung mit zeitlich davor ermittelten Zusammensetzungen ein Emissionskollektiv ermittelt. Dazu können die jeweiligen aktuellen Zusammensetzungen beispielsweise über eine Zeit oder eine zurückgelegte Strecke integriert werden.
Ferner können in dem Schritt 220 die jeweiligen Gesamtmengen von Abgaskomponenten, die in dem Emissionskollektiv zusammengefasst sind, gegen einen oder mehrere entsprechende Schwellwerte abgeglichen werden. Beispielsweise können dabei relative Abstände der aktuell ermittelten emittierten Gesamtmenge einer Komponente von ihrem jeweiligen Schwellwert bzw. ihrer zulässigen Höchstmenge ermittelt werden.
In einem Schritt 230 wird ermittelt, ob eine Verstellung der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erforderlich ist. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 210 zurück und setzt die Aufzeichnung der Abgaszusammensetzung fort.
Wird in dem Schritt 230 hingegen festgestellt, dass zum Durchführen einer oder mehrerer Maßnahmen eine Verstellung der Zusammensetzung des Luft- Kraftstoff-Gemischs und damit auch der Abgaszusammensetzung erforderlich ist, fährt das Verfahren mit einem Schritt 240 fort, in dem eine Reihenfolge der erforderlichen Maßnahmen bzw. ein Durchführungsmodus der erforderlichen Maßnahme in Abhängigkeit von dem in Schritt 220 ermittelten Emissionskollektiv (bzw. insbesondere von den ermittelten Abständen der Komponentenmengen von ihren jeweiligen Schwellwerten) festgelegt wird.
In einem darauffolgenden Schritt 250 wird bzw. werden die Maßnahmen gemäß der in Schritt 240 festgelegten Reihenfolge bzw. in dem darin festgelegten Durchführungsmodus durchgeführt. Danach kann das Verfahren zu dem Schritt 210 zurückkehren.
Es sei hier ausdrücklich betont, dass es sich bei dem in Bezug auf Figur 2 erläuterten Verfahren um eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung handelt, von der im Rahmen der Erfindung durchaus abgewichen werden kann. Insbesondere können einige Schritte in einer anderen, beispielsweise umgekehrten, Reihenfolge durchgeführt werden. Manche der Schritte können gegebenenfalls auch parallel zueinander durchgeführt bzw. zusammengefasst werden.
Es sei hier auch nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Anordnung 100 in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist und auch andere oder zusätzliche Elemente enthalten kann, beispielsweise einen oder mehrere zusätzliche Katalysatoren, Sensoren, Partikelfilter oder ähnliches. Diese zusätzlichen oder alternativen Elemente können gegebenenfalls ebenfalls im Rahmen der Erfindung angesteuert werden bzw. von ihnen bereitgestellte Signale zur Ermittlung des Emissionskollektivs (Schritt 220) oder zur Festlegung der durchzuführenden Maßnahmen bzw. deren Reihenfolge (Schritt 250) verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (110) umfassend ein Bereitstellen und Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mit einer ersten Zusammensetzung, ein Bestimmen (210) einer aktuellen Zusammensetzung eines bei dem Verbrennen erzeugten Verbrennungsabgases, ein Ermitteln (220) eines Emissionskollektivs, das für zumindest eine Komponente des Verbrennungsabgases eine über ein vorbestimmtes Intervall ausgestoßene Gesamtmenge umfasst, aus mehreren nacheinander ermittelten aktuellen Zusammensetzungen des Verbrennungsabgases, und ein Einstellen (250) einer zweiten Zusammensetzung des Luft- Kraftstoff- Gemischs in Abhängigkeit von dem ermittelten Emissionskollektiv.
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1 , wobei sich das Emissionskollektiv auf eine durch die Brennkraftmaschine (110) geleistete Arbeit und/oder eine Betriebszeit der Brennkraftmaschine (110) und/oder eine durch ein Fahrzeug, das von der Brennkraftmaschine (110) angetrieben wird, zurückgelegte Strecke bezieht.
3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einstellen (250) der zweiten Zusammensetzung ein Senken des Kraftstoffanteils in dem Luft- Kraftstoff-Gemisch umfasst, wenn in dem Emissionskollektiv Fettgaskomponenten überwiegen, und/oder ein Steigern des Kraftstoffanteils umfasst, wenn in dem Emissionskollektiv Magergaskomponenten überwiegen.
4. Verfahren (200) nach Anspruch 3, wobei ein Überwiegen einer Komponente dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Anteil der überwiegenden Komponente an dem Emissionskollektiv einen geringeren Abstand von einem ihr zuge- ordneten Schwellwert hat als alle Anteile anderer Komponenten von einem jeweils ihnen zugeordneten Schwellwert.
5. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstellen (250) der zweiten Zusammensetzung in Abhängigkeit von einer Erforderlichkeit (230) zumindest einer von mehreren Maßnahmen (250) erfolgt.
6. Verfahren (200) nach Anspruch 5, wobei die Maßnahmen (250) eine Diagnose und/oder Wartung zumindest eines Elements der Brennkraftmaschine und/oder eines ihr nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems (130) umfassen.
7. Verfahren (200) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Maßnahmen nacheinander durchgeführt werden und das Verfahren ferner ein Festlegen (240) einer Reihenfolge der Durchführung der mehreren Maßnahmen (250) auf Basis der überwiegenden Komponente umfasst.
8. Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
9. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.
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