WO2003029634A1 - Verfahren zum schutz von abgasreiningungssystemen von brennkraftmaschinen vor thermischer überbelastung - Google Patents

Verfahren zum schutz von abgasreiningungssystemen von brennkraftmaschinen vor thermischer überbelastung Download PDF

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WO2003029634A1
WO2003029634A1 PCT/EP2002/009986 EP0209986W WO03029634A1 WO 2003029634 A1 WO2003029634 A1 WO 2003029634A1 EP 0209986 W EP0209986 W EP 0209986W WO 03029634 A1 WO03029634 A1 WO 03029634A1
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temperature
value
exhaust gas
engine
predetermined
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PCT/EP2002/009986
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Inventor
Ekkehard Pott
Michael Zillmer
Michael Lindlau
Original Assignee
Volkswagen Aktiengesellschaft
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Priority to DE50210083T priority patent/DE50210083D1/de
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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
    • 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
    • F02D41/14—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, in particular a motor vehicle, with an exhaust gas system with an exhaust gas purification system, wherein an engine lambda value depending on a modeled or measured temperature at at least one critical point of the exhaust gas system is set to a temperature-dependent engine lambda value so that it deviates from normal operation an exhaust gas temperature is lowered when the determined temperature at the at least one point of the exhaust system exceeds a predetermined first temperature value, according to the preamble of claim 1.
  • Catalysts of internal combustion engines age when exposed to high temperatures, with the starting behavior deteriorating, i.e. the same conversion rate is only reached at a higher catalyst temperature and / or the peak conversion rate, which is usually> 99% for HC, CO and NOx in the case of 3-way catalysts, decreases. This process increases disproportionately as the aging rate increases.
  • the invention has for its object to improve a method of the type mentioned in such a way that a reduction in the additional consumption by an exhaust gas and exhaust gas cleaning system temperature-related engine lambda setting is achieved without overloading the exhaust gas cleaning.
  • the engine lambda value is only changed from the value for normal operation to a temperature-dependent engine lambda value in order to lower the exhaust gas temperature when the determined temperature has exceeded the predetermined first temperature value for a predetermined period of time.
  • the predetermined period of time is selected differently for different critical points in the exhaust system. For example, the predetermined period of time is selected the longer the closer the critical point of the exhaust system is to an engine block of the internal combustion engine.
  • the temperature is preferably determined at at least one critical point upstream, downstream and / or on a main catalytic converter and / or pre-catalytic converter.
  • the engine lambda value is converted from the value for normal operation to the temperature-dependent engine lambda value before the end of the predetermined time period if the determined temperature exceeds a second predetermined temperature value within the predetermined time period, which is greater than the predetermined first temperature value ,
  • the predetermined second temperature value is selected differently for different critical points in the exhaust system. For example, the predetermined second temperature value is selected the higher the closer the critical point of the exhaust system to an engine block of the internal combustion engine.
  • the engine lambda value is expediently converted immediately or filtered from the value of normal operation into the temperature-dependent engine lambda value.
  • FIG. 1 is a graphical representation of a first temperature profile of the exhaust gas temperature upstream of a pre-catalytic converter and an engine lambda value over time with and without intervention in the engine lambda value according to the inventive method
  • FIG. 2 shows a graphical representation of a second temperature profile of the exhaust gas temperature upstream of a pre-catalytic converter and of an engine lambda value over time with and without intervention in the engine lambda value according to the inventive method
  • FIG 3 shows a graphical representation of the temperature profile of the exhaust gas temperature upstream of a pre-catalytic converter and upstream of a main catalytic converter over time with and without intervention in the engine lambda value according to the method according to the invention.
  • an exposure time of the temperature or the exceeding of a predetermined first temperature is used as a criterion for the setting of a motor lambda value.
  • a continuous load temperature limit can be exceeded by a predetermined temperature difference without specifying a temperature-dependent engine lambda value that deviates from normal operation. If the temperature overload lasts longer, the motor lambda value is immediately or filtered transferred to the temperature-dependent motor lambda value in order to avoid or reduce damage caused by permanent thermal stress.
  • the location of the occurrence of the temperature overshoot in the exhaust system is taken into account when determining the temperature-dependent engine lambda value.
  • Close to the cylinder head due to the low thermal inertia of the exhaust system up to this running distance, there is a temperature dynamic which follows the load very quickly and which further decreases downstream and in particular significantly behind the catalytic converter (s). This means that heating and cooling processes take place faster in front of a pre-catalytic converter close to the engine than in the middle of a large-volume main catalytic converter located away from the engine.
  • a temperature overload in the exhaust gas upstream of a first catalytic converter near the engine can be permitted for a longer period of time than a temperature overload at subsequent critical points in the exhaust system, since in the event of negative changes in load or speed or when one is set temperature-dependent engine lambda values at a location close to the engine with faster cooling and thus elimination of the critical situation can be expected.
  • the measuring temperature already exceeds a predetermined second temperature value within the predetermined time period, which is higher than the predetermined first temperature value for this measuring point, i.e. in other words, if the temperature difference between the measuring temperature and the predetermined first temperature value becomes greater than a predetermined value, it makes sense to set the temperature-dependent engine lambda value before the expiry of the predetermined period in order to rule out irreversible catalyst damage.
  • FIG. 1 and 2 graphically illustrate a dynamic component protection according to the invention.
  • the time is plotted on a horizontal axis 10, an exhaust gas temperature upstream of a pre-catalytic converter on a first vertical axis 12 and an engine lambda value on a second vertical axis 14.
  • Value 16 on axis 14 corresponds to an engine lambda value of 1
  • line 18 corresponds to the predetermined first temperature value (in this example 900 ° C.)
  • line 20 corresponds to the predetermined second temperature value (in this example 940 ° C.).
  • Graph 22 shows the temperature profile of the exhaust gas temperature over time without component protection intervention
  • Graph 24 shows the temperature profile of the exhaust gas temperature over time with component protection intervention according to the prior art
  • Graph 26 shows the temperature profile of the exhaust gas temperature over time with component protection intervention according to the inventive method.
  • Graph 28 shows the course of the engine lambda value over time without component protection intervention
  • graph 30 shows the course of the engine lambda value over time with component protection intervention according to the prior art
  • graph 30 shows the course of the engine lambda value over time with component protection intervention according to the inventive method.
  • Reference numeral 34 denotes a first time TO
  • reference numeral 36 denotes a second time T1
  • reference numeral 38 denotes a third time T2
  • reference numeral 40 denotes a fourth time T3
  • reference numeral 42 denotes a fifth time T4.
  • reference numeral 44 denotes a sixth time TKR. The time difference between the third and fourth times 38 and 40 corresponds to the predetermined time period 46.
  • Fig. 1 graphically illustrates a load jump partial load full load at time TO 34, for example when entering a longer, steep incline.
  • the Exhaust gas purification system includes, for example, a pre-catalytic converter near the engine and a main catalytic converter arranged further downstream, FIG. 1 illustrating the course of the exhaust gas temperature (axis 12) upstream of the pre-catalytic converter.
  • the exhaust gas temperature rises upstream of the pre-catalytic converter after time TO 34 as a result of the jump in load at time TO 34 and approaches time T1 36 a critical temperature threshold in the form of the predetermined first temperature value 18 at 900 ° C.
  • the engine lambda (graph 30) is set to values ⁇ 1 from time T1 36 (graph 24) in order to reliably rule out exhaust gas temperatures> 900 ° C.
  • it is first checked between T2 T3 38 to 40, whether the temperature difference threshold of 40K and the predetermined second temperature value of 940 Q C is exceeded within a time interval 46th In the example according to FIG. 1, this is not the case, so that after the time interval 46 of, for example, 5 seconds has elapsed, by gradually (or immediately) setting a corresponding engine lambda value (graph 32) after the time T3 40, the exhaust gas temperature (graph 26) falls below the permanent load threshold 18 is lowered. This means that the additional consumption resulting from the change in the engine lambda value only begins at a later point in time. Overall, the exhaust gas temperature (graph 26) for the interval T2 38 to T4 42 is above the continuous load limit 18.
  • the temperature difference threshold (hard threshold) or the predetermined second temperature value 20 of 940 ° C. is exceeded within the time interval 46 at the time TKR 44 and the engine lambda value (graph 32) is reduced to the temperature gradient The value below the permanent exposure limit 18 is set.
  • the interval T238 to T442 is thus shorter than in the example according to FIG. 1.
  • Fig. 3 illustrates the importance of different time intervals (predetermined period) for the approval of thermal overload for two different positions or measuring points in the exhaust system.
  • the temperature is plotted on a vertical axis 48 and the time is plotted on a horizontal axis 40.
  • Line 52 denotes a maximum permissible temperature for the pre-catalytic converter and line 54 denotes a maximum permissible temperature for the main catalytic converter.
  • Graph 56 shows the course of the exhaust gas temperature upstream of the pre-catalyst without component protection intervention and Graph 60 shows the course of the exhaust gas temperature upstream of the pre-catalyst with component protection intervention according to the invention.
  • Graph 62 shows the course of the exhaust gas temperature upstream of the main catalytic converter without component protection intervention
  • Graph 64 shows the course of the Exhaust gas temperature in front of the main catalytic converter with component protection intervention according to the prior art
  • graph 66 shows the course of the exhaust gas temperature in front of the main catalytic converter with component protection intervention according to the invention.
  • the continuous load threshold 52 is exceeded after a jump in load at time TA 68 and component protection is initiated at time TB 70. At time TC 72, the exhaust gas temperature is again below the continuous load threshold 52.
  • temperature-sensitive NOx storage catalysts are caused by the long exposure time is severely damaged, even if the temperature peak exceeds the continuous load value 54 less than the exhaust gas temperature (graph 60) upstream of the pre-catalytic converter.
  • the temperature peak and the duration of the temperature overshoot are significantly lower.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit Abgasreinigungssystem, wobei ein Motorlambdawert in Abhängigkeit von einer modellierten oder gemessenen Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Motorlambdawert eingestellt wird, dass eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Temperatur an der wenigstens einen Stelle der Abgasanlage einen vorbestimmten ersten Temperaturwert Überschreitet. Hierbei wird der Motorlambdawert erst dann zur Absenkung der Abgastemperatur vom Wert für den Normalbetrieb in einen temperaturabhängigen Motorlambdawert verändert, wenn die Messtemperatur den vorbestimmten ersten Temperaturwert für einen vorbestimmten Zeitraum überschritten hat.

Description

Verfahren zum Schutz von Abgasreinigungssystemen von Brennkraftmaschinen vor thermischer Überbelastung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit Abgasreinigungssystem, wobei ein Motorlambdawert in Abhängigkeit von einer modellierten oder gemessenen Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Motorlambdawert eingestellt wird, daß eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Temperatur an der wenigstens einen Stelle der Abgasanlage einen vorbestimmten ersten Temperaturwert überschreitet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Katalysatoren von Brennkraftmaschinen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, altern bei Beaufschlagung mit hohen Temperaturen, wobei sich das Anspringverhalten verschlechtert, d.h. eine gleiche Konvertierungsrate wird erst bei höherer Katalysatortemperatur erreicht, und/oder die Spitzenkonvertierungsrate, die bei 3-Wege- Katalysatoren üblicherweise >99% für HC, CO und NOx beträgt, nimmt ab. Dieser Prozeß nimmt mit steigender Alterungsrate überproportional zu.
Im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine können sehr hohe Abgas- und Katalysatortemperaturen von ggf. über 1.000QC auftreten, die ggf. binnen kurzer Einwirkdauer einen Abgaskatalysator in unzulässiger Weise schädigen, so daß Emissionsgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden. Dies ist insbesondere bei Abgasreinigungssystemen mit zumindest einem motornahen Katalysator (Vorkatalysator oder Hauptkatalysator) der Fall, da über die kurze nicht-adiabate Abgasleitung auch nur wenig Wärme abgeführt wird.
Es ist bekannt, die Abgastemperatur bei zumindest nahezu Motorvollast durch unterstöchiometrischen Motorbetrieb zu begrenzen. Der in den Brennraum eingebrachte Kraftstoff wird wegen des Sauerstoffmangels nicht vollständig verbrannt. Dadurch erreichen die Brennraumgase bei gleicher zugeführter Energie eine geringere Temperatur. Zusätzlich kühlt die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffes die Brennraumgase. Ferner wird in diesem Betriebsmodus der Restsauerstoff im Abgas abgesenkt, so daß weniger Exothermie in dem bzw. den Katalysatoren erzeugt wird. Üblicherweise wird eine maximal zulässige Abgaskatalysatortemperatur vorgegeben und das Motorlambda in Abhängigkeit von der Abweichung der ermittelten Abgaskatalysatortemperatur von der maximal zulässigen Abgaskatalysatortemperatur eingestellt. Ebenso ist es bekannt, zusätzlich eine oder mehrere Abgas- bzw. Katalysatortemperaturen an verschiedenen Stellen des Abgasreinigungssystems auf Abweichungen von vorbestimmten Maximaltemperaturen zu überwachen und das Motorlambda in Abhängigkeit von der kritischsten Stelle einzustellen.
Nachteilig ist, daß mit diesen Maßnahmen eine unerwünschte Verbrauchserhöhung verbunden ist. Daher werden Bestrebungen unternommen, den Mehrverbrauch dieser Bauteilschutzmaßnahmen so weit wie möglich zu begrenzen. So wird beispielsweise in der DE 19609 923 ein gestuftes Phase-In von Überhitzungsschutzmaßnahmen beschrieben. Es wird zunächst eine erste, schwächer ausgeprägte Maßnahme ergriffen, deren Erfolg hinsichtlich einer Temperaturabsenkung geprüft wird, wobei im Falle nicht ausreichender Temperaturabsenkung eine zweite, stärker wirksame Maßnahme ergriffen wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß eine gewisse Überlastung der Abgasreinigung in Kauf genommen wird, um eine Verbrauchsminderung zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Minderung des Mehrverbrauchs durch eine Abgas- und Abgasreinigungsanlagentemperatur bedingte Motorlambdaeinstellung ohne Überlastung der Abgasreinigung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Motorlambdawert erst dann zur Absenkung der Abgastemperatur vom Wert für den Normalbetrieb in einen temperaturabhängigen Motorlambdawert verändert wird, wenn die ermittelte Temperatur den vorbestimmten ersten Temperaturwert für einen vorbestimmten Zeitraum überschritten hat.
Dies hat den Vorteil, daß kurzfristige Überschreitungen der Grenztemperatur für das Abgasreinigungssystem, welche durch anschließende Abkühlphasen zeitnah wieder ausgeglichen werden, erkannt werden können, so daß dort keine Abweichung vom Wert des Motorlambdawertes vom Normalbetrieb durchgeführt wird, so daß sich im Gesamtbetrieb ein reduzierter Kraftstoffverbrauch durch weniger aggressiv greifende Bauteilschutzmaßnahmen mittels Veränderung des Motorlambdawertes ergeben. Ferner wird eine unterschiedliche Wichtung der verschiedenen temperaturkritischen Stellen bei der bauteilschutzbedingten Einstellung des Motorlambdawertes erzielt und es wird zwischen kurzzeitigen Belastungen, beispielsweise bei Beschleuningungsvorgängen, und länger andauernder Belastung, beispielsweise bei Vollgasfahrt bergauf, unterschieden.
Zum Berücksichtigen von unterschiedlichen Dynamiken der Temperaturveränderung an verschiedenen Stellen in der Abgasanlage wird der vorbestimmte Zeitraum für unterschiedliche kritische Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt. Beispielsweise wird der vorbestimmte Zeitraum um so länger gewählt, je näher die kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine liegt.
, »
Bevorzugt wird die Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle stromauf, stromab und/oder an einem Hauptkatalysator und/oder Vorkatalysator bestimmt.
Um eine irreversible Schädigung des Abgasreinigungssystems zu verhindern, wird der Motorlambdawert vor Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes vom Wert für den Normalbetrieb in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt, wenn die ermittelte Temperatur innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes einen zweiten vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, welcher größer ist als der vorbestimmte erste Temperaturwert.
Zum Berücksichtigen von unterschiedlichen Dynamiken der Temperaturveränderung an verschiedenen Stellen in der Abgasanlage wird der vorbestimmte zweite Temperaturwert für unterschiedliche kritischen Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt. Beispielsweise wird der vorbestimmte zweite Temperaturwert um so höher gewählt, je näher die kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine liegt.
Zweckmäßigerweise wird der Motorlambdawert sofort oder gefiltert vom Wert des Normalbetriebs in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in Fig. 1 eine graphische Darstellung eines ersten Temperaturverlaufes der Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator sowie eines Motorlambdawertes über die Zeit mit und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 2 eine graphische Darstellung eines zweiten Temperaturverlaufes der Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator sowie eines Motorlambdawertes über die Zeit mit und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes der Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator und vor einem Hauptkatalysator über die Zeit mit und ohne Eingriff in den Motorlambdawert gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Erfindungsgemäß wird eine Einwirkdauer der Temperatur bzw. der Überschreitung einer vorbestimmten ersten Temperatur als Kriterium für die Einstellung eines Motorlambdawertes herangezogen. Für einen vorbestimmten Zeitraum kann eine Dauerbelastungs-Temperaturgrenze um eine vorgegebene Temperaturdiffe/enz ohne Vorgabe eines vom Normalbetrieb abweichend, temperaturabhängigen Motorlambdawertes überschritten werden. Hält die Temperaturüberlastung länger an, so wird der Motorlambdawert sofort oder gefiltert auf den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt, um Schäden durch eine thermische Dauerbelastung zu vermeiden bzw. zu mindern.
Ferner wird der Ort des Auftretens der Temperaturüberschreitung im Abgassystem bei der Ermittlung des temperaturabhängigen Motorlambdawertes berücksichtigt. Nahe am Zylinderkopf herrscht wegen der bis zu dieser Laufstrecke noch geringen thermischen Trägheit der Abgasanlage eine sehr schnell der Last folgende Temperaturdynamik, die weiter stromab und insbesondere hinter dem bzw. den Katalysatoren deutlich nachläßt. Somit laufen Erhitzungs- und Abkühlvorgänge vor einem motornahen Vorkatalysator schneller ab als in der Mitte eines motorferner angeordneten großvolumigen Hauptkatalysators. Daher kann eine Temperaturüberlastung im Abgas stromauf eines motornahen ersten Katalysators für einen längeren Zeitraum zugelassen werden als eine Temperaturüberlastung an nachfolgenden kritischen Stellen der Abgasanlage, da bei negativen Last- oder Drehzahländerungen oder bei Einstellung eines temperaturabhängigen Motorlambdawertes an einer motornahen Stelle mit einer schnelleren Auskühlung und somit Behebung der kritischen Situation gerechnet werden kann.
Überschreitet jedoch die Meßtemperatur bereits innerhalb des vorbestimmten Zeitraums einen vorbestimmten zweiten Temperaturwert, welcher höher ist als der vorbestimmte erste Temperaturwert für diese Meßstelle, d.h. mit anderen Worten, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Meßtemperatur und vorbestimmten ersten Temperaturwert größer als ein vorbestimmter Wert wird, so ist es sinnvoll, den temperaturabhängigen Motorlambdawert bereits vor Ablauf des vorgegebenen Zeitraumes einzustellen, um irreversible Katalysatorschädigungen auszuschließen.
Fig. 1 und 2 veranschaulichen graphisch einen erfindungsgemäßen, dynamischen Bauteilschutz. Hierbei ist auf einer horizontalen Achse 10 die Zeit, auf einer ersten vertikalen Achse 12 eine Abgastemperatur vor einem Vorkatalysator und auf einer zweiten vertikalen Achse 14 ein Motorlambdawert aufgetragen. Wert 16 auf der Achse 14 entspricht einem Motorlambdawert von 1 , Linie 18 entspricht dem vorbestimmten ersten Temperaturwert (in diesem Beispiel 900QC) und Linie 20 entspricht dem vorbestimmten zweiten Temperaturwert (in diesem Beispiel 940QC). Graph 22 zeigt den Temperaturverlauf der Abgastemperatur über die Zeit ohne Bauteilschutzeingriff, Graph 24 zeigt den Temperaturverlauf der Abgastemperatur über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der Technik und Graph 26 zeigt den Temperaturverlauf der Abgastemperatur über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Graph 28 zeigt den Verlauf des Motorlambdawertes über die Zeit ohne Bauteilschutzeingriff, Graph 30 zeigt den Verlauf des Motorlambdawertes über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der Technik und Graph 30 zeigt den Verlauf des Motorlambdawertes über die Zeit mit Bauteilschutzeingriff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bezugsziffer 34 bezeichnet einen ersten Zeitpunkt TO, Bezugsziffer 36 bezeichnet einen zweiten Zeitpunkt T1 , Bezugsziffer 38 bezeichnet einen dritten Zeitpunkt T2, Bezugsziffer 40 bezeichnet einen vierten Zeitpunkt T3 und Bezugsziffer 42 bezeichnet einen fünften Zeitpunkt T4. In Fig. 2 bezeichnet Bezugsziffer 44 einen sechsten Zeitpunkt TKR. Die Zeitdifferenz zwischen dem dritten und vierten Zeitpunkt 38 und 40 entspricht dem vorbestimmten Zeitraum 46.
Fig. 1 veranschaulicht graphisch einen Lastsprung Teillast-Vollast zum Zeitpunkt TO 34, beispielsweise bei Einfahrt in eine längere, starke Steigung. Das Abgasreinigungssystem umfaßt beispielhaft einen motornahen Vorkatalysator und einen weiter stromab angeordneten Hauptkatalysator, wobei in Fig. 1 der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur (Achse 12) vor dem Vorkatalysator veranschaulicht ist. Die Abgastemperatur steigt vor dem Vorkatalysator nach dem Zeitpunkt TO 34 infolge des Lastsprunges zum Zeitpunkt TO 34 schnell an und nähert sich zum Zeitpunkt T1 36 einer kritischen Temperaturschwelle in Form der vorbestimmten ersten Temperaturwertes 18 bei 900°C. Im Stand der Technik (Graphen 24, 30) wird das Motorlambda (Graph 30) bereits ab dem Zeitpunkt T1 36 auf Werte <1 eingestellt (Graph 24), um Abgastemperaturen >900QC sicher auszuschließen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem Zeitintervall 46 zwischen T2 38 bis T3 40 geprüft, ob die Temperaturdifferenzschwelle von 40K bzw. der vorbestimmte zweite Temperaturwert von 940QC überschritten wird. In dem Beispiel gemäß Fig. 1 ist dies nicht der Fall, so daß nach Verstreichen des Zeitintervalls 46 von beispielsweise 5 Sekunden durch allmähliches (oder sofortiges) Einstellen eines entsprechenden Motorlambdawertes (Graph 32) nach dem Zeitpunkt T3 40 die Abgastemperatur (Graph 26) unter die Dauerbelastungsschwelle 18 absenkt wird. Damit setzt der aus der Veränderung des Motorlambdawertes resultierende Mehrverbrauch erst zu einem späteren Zeitpunkt ein. Insgesamt liegt die Abgastemperatur (Graph 26) für das Intervall T2 38 bis T4 42 oberhalb der Dauerbelastungsgrenze 18.
In dem alternativen Beispiel gemäß Fig. 2 wird noch innerhalb des Zeitintervalls 46 zum Zeitpunkt TKR 44 die Temperaturdifferenzschwelle (harte Schwelle) bzw. der vorbestimmte zweite Temperaturwert 20 von 940°C überschritten und der Motorlambdawert (Graph 32) wird mit steilem Gradienten auf den zur Unterschreitung der Dauerbelastungsgrenze 18 erforderlichen Wert gesetzt. Damit fällt das Intervall T238 bis T442 kürzer aus als im Beispiel gemäß Fig. 1.
Fig. 3 veranschaulicht die Bedeutung unterschiedlicher Zeitintervalle (vorbestimmter Zeitraum) für die Zulassung thermischer Überlastung für zwei verschiedene Positionen bzw. Meßstellen in der Abgasanlage. Auf einer vertikalen Achse 48 ist die Temperatur und auf einer horizontalen Achse 40 ist die Zeit aufgetragen. Linie 52 bezeichnet eine maximal zulässige Temperatur für den Vorkatalysator und Linie 54 bezeichnet eine maximal zulässige Temperatur für den Hauptkatalysator. Graph 56 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator ohne Bauteilschutzeingriff und Graph 60 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator mit Bauteilschutzeingriff gemäß der Erfindung. Graph 62 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Hauptkatalysator ohne Bauteilschutzeingriff, Graph 64 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Hauptkatalysator mit Bauteilschutzeingriff gemäß Stand der Technik und Graph 66 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Hauptkatalysator mit Bauteilschutzeingriff gemäß der Erfindung.
Während vor dem Vorkatalysator (Graph 60) aufgrund der niedrigen thermischen Trägheit der Abgasanlage eine Änderung der Einstellung des Motorlambdawertes (Graph 64) sehr schnell eine Absenkung der Temperatur bewirkt, ist bei einer Meßstelle mitten im Hauptkatalysator auch bei sofortigem Einstellen eines temperaturbedingt niedrigen Motorlambdawertes nach Überschreiten einer kritischen Temperaturschwelle 54 nur mit einem langsamen Abnehmen der Bauteiltemperatur zu rechnen. Lange Zeitintervalle würden hier das Risiko einer thermischen Überlastung ansteigen lassen.
Bei der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator (Graph 60) wird nach einem Lastsprung zum Zeitpunkt TA 68 die Dauerbelastungsschwelle 52 überschritten und zum Zeitpunkt TB 70 der Bauteilschutz eingeleitet. Zum Zeitpunkt TC 72 ist die Abgastemperatur wieder unter der Dauerbelastungsschwelle 52.
Bei der Temperatur im Hauptkatalysator (Graph 64) nach einem gleichartigen Lastsprung wird zum Zeitpunkt TA' 74 der Bauteilschutz eingeleitet. Das Zeitintervall vom Zeitpunkt TA' 74 bis zum Zeitpunkt TB1 76 entspricht dem Zeitintervall vom Zeitpunkt TA 68 bis zum Zeitpunkt TB 70. Die Temperatur steigt wegen der höheren thermischen Trägheit der vorgeschalteten Abgasanlage langsamer an als die Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator. Aus diesem Grunde dauert aber auch die Auskühlung länger und insgesamt ist das bauteilkritische Intervall vom Zeitpunkt TA1 74 bis zum Zeitpunkt TC 78 (Graph 64) länger als das Intervall vom Zeitpunkt TA 68 bis zum Zeitpunkt TC 72. Insbesondere temperaturempfindliche NOx-Speicherkatalysatoren werden durch die lange Einwirkdauer sehr stark geschädigt, auch wenn die Temperaturspitze den Dauerbelastungswert 54 weniger stark übersteigt als die Abgastemperatur (Graph 60) vor dem Vorkatalysator. Bei dem erfindungsgemäßen verfahren gemäß Graph 66 fällt die Temperaturspitze und die Dauer der Temperaturüberschreitung (Intervall vom Zeitpunkt TA' 74 bis zum Zeitpunkt TC" 80) wesentlich geringer aus.

Claims

PATE NTANS P RÜCH E
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit Abgasreinigungssystem, wobei ein Motorlambdawert in Abhängigkeit von einer modellierten oder gemessenen Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Motorlambdawert eingestellt wird, daß eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Temperatur an der wenigstens einen Stelle der Abgasanlage einen vorbestimmten ersten Temperaturwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß der
, Motorlambdawert erst dann zur Absenkung der Abgastemperatur vom Wert für den Normalbetrieb in einen temperaturabhängigen Motorlambdawert verändert wird, wenn die Meßtemperatur den vorbestimmten ersten Temperaturwert für einen vorbestimmten Zeitraum überschritten hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Zeitraum für unterschiedliche kritische Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Zeitraum um so länger gewählt wird, je näher die kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine liegt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle stromauf, stromab und/oder an einem Hauptkatalysator bestimmt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle stromauf, stromab und/oder an einem Vorkatalysator bestimmt wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorlambdawert vor Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes vom Wert für den Normalbetrieb in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt wird, wenn die ermittelte Temperatur innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes einen zweiten vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, welcher größer ist als der erste vorbestimmte Temperaturwert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte zweite Temperaturwert für unterschiedliche kritischen Stellen der Abgasanlage unterschiedlich gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte zweite Temperaturwert um so höher gewählt wird, je näher die kritische Stelle der Abgasanlage an einem Motorblock der Brennkraftmaschine liegt.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorlambdawert sofort oder gefiltert vom Wert des Normalbetriebs in den temperaturabhängigen Motorlambdawert überführt wird.
PCT/EP2002/009986 2001-09-27 2002-09-06 Verfahren zum schutz von abgasreiningungssystemen von brennkraftmaschinen vor thermischer überbelastung WO2003029634A1 (de)

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