WO2005045220A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine eines fahrzeuges, insbesondere eines kraftfahrzeuges - Google Patents

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WO2005045220A1
WO2005045220A1 PCT/EP2004/012453 EP2004012453W WO2005045220A1 WO 2005045220 A1 WO2005045220 A1 WO 2005045220A1 EP 2004012453 W EP2004012453 W EP 2004012453W WO 2005045220 A1 WO2005045220 A1 WO 2005045220A1
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WO
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oxygen
rich
lean
catalyst
internal combustion
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PCT/EP2004/012453
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Bodo Odendall
Bernhard Pfalzgraf
Enrico Schmidt
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Audi Ag
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    • 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
    • F02D41/0295—Control according to the amount of oxygen that is stored on the exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2200/0816—Oxygen storage capacity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441—Plural sensors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine of a vehicle, in particular a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • Oxygen is required for the conversion of the pollutant components CO and HC, ie the internal combustion engine must be operated with a lean fuel-air mixture.
  • NO x is required for the conversion of the pollutant components CO and HC, ie the internal combustion engine must be operated with a lean fuel-air mixture.
  • NO x a rich fuel-air ratio is required, ie that CO and HC are made available as reducing agents. This means that the oxidation and reduction reactions can only take place simultaneously with maximum conversion if the air-fuel ratio is at the stoichiometric point, that is to say one for lambda.
  • the control device of the internal combustion engine solves this problem by constantly measuring a quantity proportional to the air-fuel ratio with the aid of a measuring probe in the exhaust gas, the so-called lambda probe, and a closed control loop. If the lambda sensor measures an exhaust gas that is too rich or too lean, the control will move in one direction or the other corrected. However, this means that the air-fuel ratio is only stoichiometric over time, but it can very well differ from one at specific load points during engine operation. Depending on the state of the exhaust gas, rich or lean, the catalytic converter would react to this with HC, CO or NO x breakthroughs regarding the conversion.
  • an oxygen store in a catalytic converter in which in the case of an excess of oxygen, ie in a lean operating range of the internal combustion engine, in which the latter is operated with an excess of air and therefore with a lean mixture having an excess of oxygen oxygen is stored.
  • This stored oxygen can then be stored in the rich operating areas in which the internal combustion engine is operated with a rich mixture having an air deficiency and thus an oxygen deficiency with a predeterminable rich fuel-air ratio, and can be used to convert the pollutant components.
  • Such an oxygen store is also required in order to store the oxygen released during the reduction of the pollutant component NO x .
  • both areas with a filled oxygen store and areas with a more or less empty oxygen store are formed over the axial length of the catalytic converter.
  • a guide probe is placed before and a control probe after the catalytic converter.
  • the entry of defined rich or defined lean exhaust gas can then be guided into the catalytic converter until this entry of rich or lean exhaust gas penetrates to the control probe.
  • the breakthrough of the signal for rich or lean exhaust gas then means that the oxygen storage of the catalytic converter is either almost completely is emptied or almost completely filled, ie in the case of the almost completely empty oxygen store, no more CO and HC is oxidized, while in the case of the almost completely filled oxygen store no more NO x is reduced.
  • the problem here is that, due to the inertia of the system, it takes too long a time to switch to the other operating phase after the determination by means of the control probe as to whether the oxygen store is completely empty or completely filled, so that it leads to undesired grease. or lean breakthroughs.
  • the object of the invention is therefore to develop a method for operating an internal combustion engine of a vehicle, in particular a motor vehicle, with which fat and lean breakthroughs can be reliably avoided even with a simple construction of the conversion unit.
  • the changeover time between the rich and lean operating range or vice versa between the lean and rich operating range is determined as a function of the oxygen loading of the oxygen storage device, in such a way that the oxygen mass flowing into the catalyst is detected by means of the function of an oxygen storage capacity an oxygen loading threshold is defined in the oxygen storage device, when reached, a switch is made between the individual fat and lean operating phases.
  • this oxygen loading model according to the invention, a process control can be achieved in which a lambda jump, that is to say a switchover between the individual operating phases, is carried out even with such minor changes in the oxygen loading of the oxygen stores which cannot be measured or can only be detected with difficulty.
  • the control probe can be connected downstream of the catalyst when carrying out the process according to the invention and no longer needs to be arranged in a complex and complex manner after a partial volume of the catalyst. So with the downstream control probe z. B. in a simple and advantageous manner, a comparison of the preset oxygen loading threshold values and thus the oxygen loading model can be carried out, which will be discussed in more detail later.
  • the oxygen loading threshold value depending on catalyst-related parameters, such as. B. the catalyst aging and / or the catalyst temperature. These parameters are preferably stored in a map of the control device. B. can also be adapted to changing conditions during operation.
  • the oxygen loading threshold value for switching from the lean operating phase to the rich operating phase is set starting from a full oxygen storage at approximately 50 to 90%, preferably 60 to 80%, most preferably 65 to 75% residual oxygen content in the oxygen storage.
  • the oxygen loading threshold value for switching over from the rich operation phase to the lean operation phase can be advantageously set at approximately 10 to 50%, preferably 20 to 40%, most preferably 25 to 35% oxygen content in the oxygen store, starting from an empty oxygen store.
  • the mass of oxygen input into the catalytic converter in the control device is derived in a mass-based manner from the exhaust gas mass flow which is preferably detected by means of a guide probe connected upstream of the catalytic converter. This is possible in a simple manner, since the exhaust gas mass is already present in the engine control unit as the control device. This is calculated from the amount of air sucked in, as well as the amount of fuel injected.
  • a method control according to claim 5 is particularly preferred, in which the oxygen loading threshold values of the rich and lean operating phases define an amplitude, the middle position of which can be adjusted to adjust and / or to trim the oxygen loading threshold values.
  • the center position of the amplitude can then be determined in accordance with the determined adjustment result.
  • the amplitude is preferably set such that the volume of the catalyst is used as completely as possible.
  • the value for the average lambda after the catalytic converter for normal operation of the internal combustion engine is approximately one that the lambda deviations in front of the catalytic converter do not pass through the catalytic converter.
  • the oxygen loading model according to the invention there is still the advantageous possibility of setting the mass-based oxidant or reducing agent entry into the catalyst above the exhaust gas mass to an optimum with regard to catalyst conversion and fuel consumption.
  • the post-cat signal can indicate the change from rich to lean or from lean to rich as slowly as possible. The smaller the signal change after the catalytic converter, the higher the resolution of the lambda curve in the axial direction of the catalytic converter.
  • the calculation of the current oxygen storage is possible in a simple manner based on the calculation of the oxidizing agent or reducing agent entry and the signal of the lambda probe after the catalytic converter after each amplitude, based on the method according to the invention.
  • this value is also advantageous for the constant adjustment of the model and, on the other hand, it is also required for on-board diagnosis.
  • the subject of the present application is also a control device for performing one of the methods described above.
  • Show it: 1 shows a schematic illustration of different rich and lean operating phases with a corresponding oxygen loading of an oxygen storage device of a catalytic converter, a theoretical course being compared here with the procedure according to the invention
  • Fig. 2 shows a schematic structure of an exhaust system in the process according to the invention
  • Fig. 3 shows a schematic structure of an exhaust system in a process according to the prior art.
  • FIG. 1 shows the oxygen balance upstream of the catalytic converter or the percentage of oxygen in% over time, the oxygen flowing into the catalytic converter being shown in broken lines and the oxygen flowing out of the catalytic converter being shown in solid lines.
  • a switch is made from the lean operating phase to the rich operating phase, as a result of which the oxygen flowing into the catalytic converter goes almost to zero.
  • the oxygen reservoir of the catalyst is completely filled at time t 0
  • the oxygen is stored out of the oxygen reservoir of the catalyst in the further course of the fat cycle, as shown in FIG. 1 by the decreasing partial curve section between times t 0 and t is.
  • the oxygen store is completely emptied, so that there would be a breakthrough of the pollutant components HC and CO.
  • the switching times t ÜF and tu M are determined using an oxygen loading model as a function of the oxygen loading in the oxygen store .
  • the oxygen mass coming into the catalytic converter 1 from the internal combustion engine 3 is detected in the exhaust gas stream and evaluated in the control device 4, e.g. B. by integration.
  • an oxygen loading threshold value is then determined as a function of a maximum oxygen storage capacity of an oxygen storage device of the catalytic converter 1, which oxygen storage capacity is stored in a characteristic diagram of the control device 4 and, if applicable, can be determined in each case, when it is reached between the individual rich and lean operating phases is switched.
  • This ensures that the switching times t UF and t ⁇ j M can be determined independently of a control probe only on the basis of the oxygen loading model.
  • a control probe 5, which can then be arranged downstream of the catalytic converter 1 in a structurally simple manner, is advantageously only used to adjust the oxygen loading model or to assist in trimming towards rich or lean.
  • the switching times t UF and tu M are selected on the basis of the oxygen loading model, if necessary also by comparing them, in such a way that the entire catalyst volume, and here in particular the oxygen storage volume, is optimally utilized.
  • the changeover times and thus the oxygen loading threshold values are defined such that they define the amplitude A with the central position M.
  • the amplitude can z. B. can be set so that the same fat and lean operating phase cycles result.
  • the setting can also be selected so that the post-cat signal indicates the change from rich to lean or lean to rich as slowly as possible, i.e. H. the smaller the signal change after the catalytic converter, the higher the resolution of the lambda curve in the axial direction of the catalytic converter.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich, und mit einem zweiten Betriebsbereich als Fettbetriebsbereich, betrieben wird, wobei der von der Brennkraftmaschine kommende Abgasstrom zur Konvertierung der darin enthaltenen Schadstoffkomponenten durch einen Katalysator, geleitet wird, der einen Sauerstoffspeicher aufweist, in den bei Sauerstoffüberschuss Sauerstoff einspeicherbar ist, und wobei mittels einer Steuereinrichtung das Kraftstoff­Luft-Verhältnis und damit das zyklische Umschalten zwischen dem Fett- und dem Magerbetriebsbereich zu einem definierten, vorgebbaren Umschaltzeitpunkt geregelt wird. Erfindungsgemäss wird der Umschaltzeitpunkt (tU, tM) in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt dergestalt, dass die in den Katalysator (1) einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt wird, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschalten wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im heutigen Automobilbau übliche Katalysatoren, insbesondere 3-Wege- Katalysatoren, erfüllen die Funktion, gleichzeitig drei Schadstoffkomponenten, nämlich CO, HC, und NOx zu konvertieren. Für die Konvertierung der Schadstoffkomponenten CO und HC wird Sauerstoff benötigt, d. h. die Brennkraftmaschine muss mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Dagegen ist zur Konvertierung der Schadstoffkomponente NOx durch Reduktion ein fettes Kraftstoff-Luft-Verhältnis erforderlich, d. h., dass CO und HC als Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt wird. Dies bedeutet, dass die Oxidations- und Reduktionsreaktionen nur dann gleichzeitig bei maximaler Konvertierung ablaufen können, wenn sich das Luft-Kraftstoff- Verhältnis im stöchiometrischen Punkt befindet, also bei Lambda gleich eins. Die Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine löst dieses Problem, in dem sie unter Zuhilfenahme einer Messsonde im Abgas, der sog. Lambdasonde, und einem geschlossenen Regelkreis ständig eine dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis proportionale Größe misst. Misst nun die Lambdasonde ein zu fettes oder zu mageres Abgas, wird durch die Regelung in die eine oder andere Richtung korrigiert. Das bedeutet aber, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur zeitlich gemittelt stöchiometrisch ist, in konkreten Lastpunkten des Motorbetriebes jedoch sehr wohl deutlich verschieden von eins sein kann. Der Katalysator würde darauf je nach Zustand des Abgases, fett oder mager, mit HC-, CO- bzw. NOx-Durchbrüchen bezüglich der Konvertierung reagieren.
Um diese Durchbrüche zu vermeiden, ist es bereits bekannt, in einem Katalysator einen Sauerstoffspeicher vorzusehen, in den im Falle eines Sauerstoffüberschusses, d. h. in einem Magerbetriebsbereich der Brennkraft- maschine, in dem diese mit einem Luftüberschuss und damit mit einem einen Sauerstoffuberschuss aufweisenden mageren Gemisch betrieben wird, Sauerstoff eingespeichert wird. Dieser eingespeicherte Sauerstoff kann dann in Fettbetriebsbereichen, in denen die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden fetten Gemisch mit einem vorgebbaren fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird, aus dem Sauerstoffspeicher ausgespeichert und zur Konvertierung der Schadstoffkomponenten herangezogen werden. Ebenso wird ein derartiger Sauerstoffspeicher benötigt, um den bei der Reduktion der Schadstoffkomponente NOx frei werdenden Sauerstoff einzuspeichern. Durch die Lambdamodulation werden über die axiale Länge des Katalysators gesehen sowohl Bereiche mit einem gefüllten Sauerstoffspeicher als auch Bereiche mit einem mehr oder weniger entleerten Sauerstoffspeicher ausgebildet.
Bei einem wünschenswerten Aufbau der Lambdaregelung ist eine Führungssonde vor und eine Regelsonde nach dem Katalysator platziert. Mit der Führungssonde kann dann solange der Eintrag von definiert fettem bzw. definiert magerem Abgas in den Katalysator geführt werden, bis dieser Eintrag von fettem bzw. magerem Abgas bis zur Regelsonde durchschlägt. Das Durchschlagen des Signals für fettes bzw. mageres Abgas bedeutet dann, dass bereits der Sauerstoffspeicher des Katalysators entweder fast völlig entleert bzw. fast völlig gefüllt ist, d. h. im Falle des fast völlig entleerten Sauerstoffspeichers wird kein CO und HC mehr oxidiert, während im Fall des fast völlig gefüllten Sauerstoffspeichers kein NOx mehr reduziert wird. Problematisch hierbei ist, dass es aufgrund der Trägheit des Systems eine zu lange Zeit dauert, bis nach der Feststellung mittels der Regelsonde, ob der Sauerstoffspeicher völlig entleert oder völlig gefüllt ist, auf die jeweils andere Betriebsphase umgeschalten wird, so dass es zu unerwünschten Fett- bzw. Magerdurchbrüchen kommt.
Aus diesem Grund wird derzeit in der Praxis die Führungssonde 2' vor und die Regelsonde 5' nach einem gewissen Teilvolumen des Katalysators 1' platziert, wie dies in der den Stand der Technik darstellenden Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass derjenige Teil des Sauerstoffspeichers des Katalysators, der nach der Regelsonde platziert ist, nicht völlig entleert bzw. völlig gefüllt wird und somit als Puffer zur Vermeidung der Fett- bzw. Magerdurchbrüche dienen kann. Der Nachteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, dass die Katalysatoranordnung und der Katalysatoraufbau hier sehr kompliziert ist und einen zusätzlichen Raumbedarf mit sich bringt. D. h. es entstehen dadurch zusätzliche Kosten. Weiterhin kann durch diese Anordnung der Regelsonde nicht der Sauerstoffspeicher des gesamten Katalysatorvolumens erfasst werden, was sich wiederum dahingehend auswirkt, dass dieser auch nicht optimal für die Konvertierung der Schadstoffe genutzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zu entwickeln, mit dem Fett- bzw. Magerdurchbrüche auch bei einfachem Aufbau der Konvertierungseinheit funktionssicher vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Gemäß Anspruch 1 wird der Umschaltzeitpunkt zwischen dem Fett- und Magerbetriebsbereich bzw. entsprechend umgekehrt zwischen dem Magerund Fettbetriebsbereich in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt, und zwar dergestalt, dass die in den Katalysator einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt wird, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschalten wird.
Mit einem derartigen Sauerstoffbeladungsmodell kann auf einfache Weise eine Aussage über die zeitliche Sauerstoffbeladung sowie damit auch eine Aussage über die axiale Sauerstoffbeladung des Katalysators getroffen werden, um zur Vermeidung eines Fett- bzw. Magerdurchbruchs ein rechtzeitiges Umschalten zwischen den einzelnen Betriebsphasen vorzunehmen. Denn durch die Erfassung der in den Katalysator einströmenden Sauerstoffmasse ist auf einfache Weise eine Aussage über die zeitliche und auch die axiale Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers des Katalysators möglich, so dass man in diesem Fall nicht mehr auf den Zeitpunkt eines Sondensignales nach dem Katalysator angewiesen ist. Damit kann der zuvor erwähnte aufwendige Aufbau, bei dem die Regelsonde nach einem ersten Teilvolumen des Katalysators angeordnet ist, vorteilhaft vermieden werden. Ferner kann durch dieses erfindungsgemäße Sauerstoffbeladungsmodell eine Verfahrensführung erzielt werden, bei der ein Lambdasprung, d. h. ein Umschalten zwischen den einzelnen Betriebsphasen auch bereits bei solchen geringfügigen Änderungen der Sauerstoffbeladung der Sauerstoffspeicher vorgenommen werden, die messtechnisch nicht oder nur schwer zu erfassen sind. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung auf der Basis eines Sauerstoffbeladungsmodells wird somit eine vorteilhafte Unabhängigkeit von der Regelsonde insgesamt erreicht, so dass diese grundsätzlich sogar ganz eingespart werden könnte. Auf jeden Fall kann die Regelsonde bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung dem Katalysator nachgeschaltet werden und braucht nicht mehr in aufwendiger und komplizierter Weise nach einem Teilvolumen des Katalysators angeordnet werden. So kann mit der nachgeschalteten Regelsonde z. B. auf einfache und vorteilhafte Weise ein Abgleich des bzw. der voreingestellten Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte und somit des Sauerstoff-Beladungsmodells durchgeführt werden, worauf später noch näher eingegangen wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Verfahrensführung ist dabei nach Anspruch 2 vorgesehen, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert in Abhängigkeit von katalysatorbedingten Parametern, wie z. B. der Katalysatoralterung und/oder der Katalysatortemperatur, festgelegt wird. Diese Parameter sind vorzugsweise in einem Kennfeld der Steuereinrichtung abgelegt, wobei diese Kennfelder z. B. auch während des Betriebs an veränderte Bedingungen angepasst werden können.
Nach Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase ausgehend von einem vollen Sauerstoffspeicher bei in etwa 50 bis 90 %, vorzugsweise 60 bis 80 %, höchst bevorzugt 65 bis 75 % Restsauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird. Ebenso kann der Sauerstoffbeladungs- Schwellwert zur Umschaltung von der Fettbetriebsphase auf die Magerbetriebsphase ausgehend von einem leeren Sauerstoffspeicher vorteilhaft bei in etwa 10 bis 50 %, vorzugsweise 20 bis 40 %, höchst bevorzugt 25 bis 35 % Sauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt werden. Grundsätzlich wäre dabei auch die Festlegung lediglich eines dieser Schwellwerte möglich, wenn z. B. von dem einen Schwellwert auf den anderen Schwellwert geschlossen werden soll, wie dies bei der Einstellung einer definierten Amplitude der Zyklen möglich wäre. Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass der Sauerstoffmasseneintrag in den Katalysator in der Steuereinrichtung massenbasiert aus dem vorzugsweise mittels einer dem Katalysator vorgeschalteten Führungssonde erfassten Abgasmassenstrom abgeleitet wird. Dies ist auf einfache Weise möglich, da im Motorsteuergerät als Steuereinrichtung die Abgasmasse ohnehin vorhanden ist. Diese berechnet sich aus der in der Regel gemessenen angesaugten Luftmenge sowie der dazu eingespritzten Kraftstoffmenge.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung nach Anspruch 5, bei der die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte der Fett- und Magerbetriebsphasen eine Amplitude definieren, deren Mittellage zum Abgleich und/oder zur Vertrimmung der Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte einstellbar ist. So kann z. B. gemäß Anspruch 6 zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells vorgesehen sein, dass nach einer vorgebbaren Anzahl von Fett- und Magerzyklen der Lufteintrag oder der Kraftstoffeintrag solange erhöht wird, bis es z. B. von einer dem Katalysator nachgeschalteten Regelsonde ein Mager- oder Fettdurchbruch erfasst wird. Anschließend kann dann die Mittellage der Amplitude entsprechend dem ermittelten Abgleichergebnis festgelegt werden. Vorzugsweise wird dabei die Amplitude so eingestellt, dass das Volumen des Katalysators möglichst vollständig ausgenutzt wird. Bei der Einstellung der Amplitude ist auch zu beachten, dass größere Amplituden messtechnisch eher zu erfassen sind als kleinere Amplituden. Gemäß der erfindungsgemäßen Verfahrensführung können jedoch derartige kleinere Amplituden ohne weiteres eingestellt werden, da diese messtechnisch eben gerade nicht mehr erfasst werden müssen, so dass hier ganz alleine nach dem Sauerstoffbeladungsmodell gefahren werden kann.
Nach Anspruch 7 beträgt der Wert für das mittlere Lambda nach dem Katalysator für einen Normalbetrieb der Brennkraftmaschine in etwa eins, so dass die Lambdaabweichungen vor dem Katalysator nicht durch den Katalysator durchtreten.
Weiterhin besteht bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Sauerstoffbeladungsmodells noch die vorteilhafte Möglichkeit, den massenbasierten Oxidationsmittel- bzw. Reduktionsmitteleintrag in den Katalysator über der Abgasmasse auf ein Optimum bezüglich Katalysatorkonvertierung und Kraftstoffverbrauch einzustellen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, den Lambdaverlauf während einer halben Periode in der Fett- bzw. Magerphase nicht konstant einzustellen, sondern in der Art zu optimieren, dass die Emissionen minimiert werden. Ebenso kann das Nach-Kat-Signal möglichst langsam den Wechsel von fett auf mager bzw. von mager auf fett anzeigen. Je geringer die Signaländerung nach dem Katalysator ist, desto höher ist dann die Auflösung des Lambdaverlaufs in axialer Richtung des Katalysators.
Gleichzeitig ist aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung anhand der Berechnung des Oxidationsmittel- bzw. Reduktionsmitteleintrag und dem Signal der Lambdasonde nach dem Katalysator nach jeder Amplitude die Berechnung des aktuellen Sauerstoffspeichers auf einfache Weise möglich. Dieser Wert ist einerseits ebenfalls für den stetigen Abgleich des Modells von Vorteil und andererseits wird er auch für die On-Board-Diagnose benötigt.
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist auch eine Steuereinrichtung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Fett- und Magerbetriebsphasen mit entsprechender Sauerstoffbeladung eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators, wobei hier ein theoretischer Verlauf mit der erfindungsgemäßen Verfahrens- führung verglichen wird,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Abgasanlage bei erfindungsgemäßer Verfahrensführung, und
Fig. 3 einen schematischen Aufbau einer Abgasanlage bei einer Verfahrensführung gemäß dem Stand der Technik.
In der Fig. 1 ist die Sauerstoffbilanz vor dem Katalysator bzw. der Sauerstoffanteil in % über der Zeit aufgetragen, wobei strichliert der in den Katalysator einströmende Sauerstoff und mit durchgezogenen Linien der aus dem Katalysator ausströmende Sauerstoff dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t0 wird von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase umgeschalten, wodurch der in den Katalysator einströmende Sauerstoff nahezu gegen null geht. Dadurch, dass zum Zeitpunkt t0 der Sauerstoffspeicher des Katalysators vollständig gefüllt ist, wird im weiteren zeitlichen Verlauf des Fettzyklus der Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher des Katalysators ausgespeichert, wie dies in der Fig. 1 durch den abnehmenden Teilkurvenausschnitt zwischen den Zeitpunkten t0 und t gezeigt ist. Zum Zeitpunkt t ist der Sauerstoffspeicher vollständig entleert, so dass es hier zu einem Durchbruch der Schadstoffkomponenten HC und CO kommen würde. Um dies zu vermeiden, wird zum Zeitpunkt t*uF wieder vom Fettbetriebsphasenzyklus auf den Magerbetriebsphasenzyklus umgeschalten, bei dem wieder ein hoher Sauerstoffanteil im in den Katalysator einströmenden Abgasstrom enthalten ist, um den Sauerstoffspeicher wieder aufzufüllen. Das Auffüllen des Sauerstoffspeichers wird durch den Kurvenabschnitt zwischen t* UF und t*uM dargestellt. Zum Zeitpunkt t* U ist dann der Sauerstoffspeicher wieder vollständig gefüllt, was bedeutet, dass kein NOx mehr reduziert wird und es zu einem Durchbruch dieser Schadstoffkomponente kommt. Das Problem bei dieser eben beschriebenen rein theoretischen Verfahrensführung wäre jedoch, dass die mit z. B. einer Regelsonde erfasste Situation zu den Zeitpunkten t*uF und UJM aufgrund der Trägheit der Regelung zu einem unerwünschten Durchbruch großer Mengen der Schadstoffkomponenten führen würde. Aufgrund der Trägheit des Systems wäre daher um einen entsprechenden Puffer bezüglich der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers zu haben z. B. ein Umschalten zu den Zeitpunkten tUF und tUM erforderlich, was jedoch mit einer dem Katalysator nachgeschalteten Regelsonde messtechnisch nicht erfassbar ist, da u. a. die in Fig. 1 schematisch eingezeichnete Amplitude A hier zu klein ist, um sie messtechnisch zu erfassen. Aus diesem Grund wird in der Praxis der in Fig. 3 dargestellte und bereits in der Beschreibungseinleitung gewürdigte Aufbau gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, bei dem eine Regelsonde 5' nach einem ersten Teilvolumen eines zweigeteilten Katalysators 1 ' angeordnet wird.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Verfahrensführung werden jedoch, die Umschaltzeitpunkte tÜF und tuM anhand eines Sauerstoffbeladungsmodells in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt. Dazu wird mittels der in der Fig. 2 dargestellten und dem Katalysator 1 vorgeschalteten Führungssonde 2 die in den Katalysator 1 von der Brennkraftmaschine 3 kommende Sauerstoffmasse im Abgasstrom erfasst und in der Steuereinrichtung 4 ausgewertet, z. B. durch Aufintegration. Mittels der Steuereinrichtung 4 wird dann in Abhängigkeit von einer in einem Kennfeld der Steuereinrichtung 4 abgelegten und gegebenenfalls jeweils aktuell ermittelbaren maximalen Sauerstoffeinspeicherkapazität eines Sauerstoffspeichers des Katalysators 1 ein Sauerstoffbeladungs-Schwellwert festgelegt, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig von einer Regelsonde lediglich anhand des Sauerstoffbeladungsmodells die Umschaltzeitpunkte tUF und tιjM ermittelt werden können. Eine Regelsonde 5, die dann auf baulich technische einfache Weise dem Katalysator 1 nachgeordnet werden kann, dient in einem solchen Fall somit vorteilhaft nur noch zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells bzw. zur Unterstützung einer Vertrimmung in Richtung fett oder mager.
Die Umschaltzeitpunkte tUF und tuM werden dabei anhand des Sauerstoffbeladungsmodells ggf. auch unter Abgleich desselben so gewählt, dass das gesamte Katalysatorvolumen, und hier insbesondere das Sauerstoffspeichervolumen optimal ausgenützt wird.
Wie dies in der Fig. 1 lediglich schematisch eingezeichnet ist, werden die Umschaltzeitpunkte und damit die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte so festgelegt, dass diese die Amplitude A mit der Mittellage M definieren.
Die Amplitude kann dabei z. B. so eingestellt werden, dass sich zeitlich gleiche Fett- und Magerbetriebsphasenzyklen ergeben. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Lambdaverlauf in der Art zu optimieren, dass die Emissionen minimiert werden, so dass die Zyklen der Fett- bzw. Magerbetriebsphasen auch nicht zeitlich gleich sein können. Z. B. kann dabei die Einstellung auch so gewählt werden, dass das Nach-Kat-Signal möglichst langsam den Wechsel von fett auf mager bzw. mager auf fett anzeigt, d. h. je geringer die Signaländerung dann nach dem Katalysator ist, desto höher ist die Auflösung des Lambdaverlaufs in axialer Richtung des Katalysators.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffuberschuss aufweisenden mageren Gemisch mit einem vorgebbaren mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird und mit einem zweiten Betriebsbereich als Fettbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel und damit einen Sauerstoffmangel aufweisenden fetten Gemisch mit einem vorgebbaren fetten Kraftstoff-
Luft-Verhältnis betrieben wird, wobei der von der Brennkraftmaschine kommende Abgasstrom zur Konvertierung der darin enthaltenen Schadstoffkomponenten durch einen Katalysator, insbesondere einen 3- Wege-Katalysator, geleitet wird, der einen Sauerstoffspeicher autweist, in den bei Sauerstoffuberschuss Sauerstoff einspeicherbar ist und aus dem bei Sauerstoffmangel Sauerstoff ausspeicherbar ist, und wobei mittels einer Steuereinrichtung das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und damit das zyklische Umschalten zwischen dem Fett- und Magerbetriebsbereich zu einem definierten, vorgebbaren Umschaltzeitpunkt geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Umschaltzeitpunkt (ty, tM) in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers ermittelt wird dergestalt, dass die in den Katalysator (1 ) einströmende Sauerstoffmasse erfasst wird, mittels der in Abhängigkeit von einer Sauerstoffeinspeicherkapazitat des Sauerstoffspeichers ein Sauerstoffbeladungs- Schwellwert festgelegt wird, bei dessen Erreichen zwischen den einzelnen Fett- und Magerbetriebsphasen umgeschalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert in Abhängigkeit von katalysatorbedingten Parametern festgelegt wird, die vorzugsweise in einem Kennfeld der Steuereinrichtung abgelegt sind oder werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Magerbetriebsphase auf die Fettbetriebsphase ausgehend von einem vollen Sauerstoffspeicher bei in etwa 50 bis 90 %, vorzugsweise 60 bis 80 % höchst bevorzugt 65 bis 75 % Restsauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird, und/oder dass der Sauerstoffbeladungs-Schwellwert zur Umschaltung von der Fettbetriebsphase auf die Magerbetriebsphase ausgehend von einem leeren Sauerstoffspeicher bei in etwa 10 bis 50 %, vorzugsweise 20 bis 40 %, höchst bevorzugt 25 bis 35 % Sauerstoffgehalt im Sauerstoffspeicher festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffmasseneintrag in den Katalysator (1 ) in der Steuereinrichtung (4) massenbasiert aus dem vorzugsweise mittels einer dem Katalysator (1 ) vorschalteten Führungssonde (2) erfassten Abgasmassenstrom abgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbeladungs-Schwellwerte der Fett- und Magerbetriebsphasen eine Amplitude (A) definieren, deren Mittellage zum Abgleich und/oder Vertrimmung der Sauerstoffbeladungs- Schwellwerte einstellbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleich des Sauerstoffbeladungsmodells nach einer vorgebbaren Anzahl von Fett- und Magerzyklen der Lufteintrag oder der Kraftstoffeintrag solange erhöht wird, bis ein Mager- oder Fettdurchbruch erfasst wird, vorzugsweise von einer dem Katalysator (1) nachgeschalteten Regelsonde (5) erfasst wird, und dass die Mittellage der Amplitude (A) entsprechend dem ermittelten Abgleichergebnis festgelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für das mittlere Lambda nach dem Katalysator (1 ) für einen Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (3) in etwa eins beträgt und somit die Lambdaabweichungen vor dem Katalysator nicht durch den Katalysator durchtreten.
8. Steuereinrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7.
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