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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslösen einer Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors mit den Schritten: Bestimmen einer Beladung des NOx-Speicherkatalysators, Bestimmen eines von der Beladung abhängigen Entscheidungswertes, Vergleichen des Entscheidungswertes mit einem Schwellenwert und Auslösen einer Regeneration in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das ein solches Verfahren durchführt.
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Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils per se bekannt.
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Bei einer Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren mit Luftüberschuss werden mehr Stickoxide gebildet als bei einer Verbrennung einer stöchiometrischen Mischung aus Kraftstoff und Luft. Zur Konvertierung dieser unerwünscht erhöhten Stickoxidemissionen weisen moderne Verbrennungsmotoren einen Speicherkatalysator auf, der beim Betrieb mit Luftüberschuss emittierte Stickoxide aus dem Abgas aufnimmt und einspeichert. Der Anteil der aus dem Abgas aufgenommenen Stickoxide an der Gesamtmenge an Stickoxiden im Abgas hängt von der Temperatur des Speicherkatalysators, dem Abgasvolumenstrom, der Zusammensetzung des Abgases und insbesondere von der bereits eingespeicherten Menge an Stickoxiden ab.
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Um die mit steigender Beladung des Speicherkatalysators mit Stickoxiden abnehmende Speicherfähigkeit wieder herzustellen, muss der Speicherkatalysator von Zeit zu Zeit in reduzierender Abgasatmosphäre regeneriert werden. In reduzierender Abgasatmosphäre und innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters wird eingespeicherter Stickstoff in Form von molekularem Stickstoff freigesetzt. Die reduzierende Abgasatmosphäre wird beispielsweise durch eine erhöhte Kraftstoffzumessung erzeugt. Eine reduzierende Abgasatmosphäre wird durch Reduktionsmittel im Abgas erzeugt, die dem Abgas innermotorisch, also zum Beispiel durch eine erhöhte Kraftstoffdosierung zu Brennräumen, oder durch eine in das Abgas erfolgende Beimischung zugegeben werden. Als Reduktionsmittel wirken zum Beispiel CO und/oder H2 und/oder Kohlenwasserstoffe.
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Während die Regeneration eine Zeitdauer erfordert, die in der Größenordnung von Sekunden liegt, kann die Einspeicherung auch für Zeiten in der Größenordnung von Minuten erfolgen. Im zeitlichen Mittel kann der Verbrennungsmotor daher überwiegend mit Luftüberschuss betrieben werden.
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Wird der Speicherkatalysator zu selten und nicht ausreichend intensiv regeneriert, ergeben sich unnötig hohe Stickoxidemissionen hinter dem Speicherkatalysator. Wird er dagegen zu häufig und/oder zu intensiv regeneriert, wird der Reduktionsmittelverbrauch unnötig erhöht und es kann zu einem Anstieg von Kohlenwasserstoffemissionen hinter dem Speicherkatalysator kommen.
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Es ist daher im Allgemeinen wünschenswert, die Regeneration immer genau dann durchzuführen, wenn die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators auf einen bestimmten Mindestwert gefallen ist, oder, was damit gleichbedeutend ist, wenn die Beladung des Speicherkatalysators einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Eine zeitgesteuerte oder nur betriebspunktabhängige Regeneration nimmt in unvertretbarem Maß die genannten Nachteile in Kauf. Um den Beladungszustand des Speicherkatalysators richtig zu erfassen, sind entweder eine fortlaufende Berechnung (Beladungsmodell im Steuergerät) oder ein oder zwei geeignete NOx-Sensoren notwendig. Dann kann bei einem zuvor festgelegten Grenzwert der Beladung eine Regeneration ausgelöst werden. Der Beladungszustand des Speicherkatalysators wurde bisher aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und des Speicherkatalysators rechnerisch modelliert und/oder aus den Signalen von NOx-Sensoren im Abgassystem bestimmt. Bei Überschreitung eines vorbestimmten Beladungs-Schwellenwertes wurde dann eine Regeneration des Speicherkatalysators ausgelöst.
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In der Offenlegungsschrift
DE 196 36 790 A1 ist eine Vorgehensweise für die Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators beschrieben. Die Regeneration wird in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ausgelöst, die einer niedrigen Brennkraftmaschine-Last oder eine Schubphase oder eine Leerlaufphase entsprechen. In diesen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann der Übergang zur Regeneration ohne Komforteinbußen für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs erfolgen, weil in diesen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine keine Leistung abverlangt wird. In diesen Betriebszuständen ist jedoch aufgrund des hohen O2-Gehalts des Abgases keine effiziente Regeneration des NOx-Speicherkatalysators möglich, weil die geeigneten Regenerationskomponenten im Abgas, insbesondere CO und auch HC innermotorisch nicht in ausreichendem Maß bereitgestellt werden können.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer verbesserten Vorgehensweise zum Auslösen einer Regeneration eines NOX-Speicherkatalysators, die eine effiziente Regeneration ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schritt des Bestimmens des Entscheidungswertes folgende Schritte aufweist: Bilden eines ersten Teil-Entscheidungswertes, der von der Beladung des Speicherkatalysators mit NOx abhängt, Bilden eines zweiten Teil-Entscheidungswertes, der von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängt und zwar derart, dass ein Maß für eine Menge an Reduktionsmittel berücksichtigt wird, die über wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zum Abgas dosiert werden kann, wobei die Berücksichtigung in der Weise erfolgt, dass eine steigende Reduktionsmittelmenge das Auslösen der Regeneration begünstigt, und Bilden eines dritten Entscheidungswertes, der die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators berücksichtigt. Anschließend werden die Teil-Entscheidungswerte zu dem Entscheidungswert verknüpft.
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Durch die Verknüpfung der drei Teil-Entscheidungswerte werden Regenerationen nicht mehr beim Erreichen einer starren Beladungsgrenze ausgelöst. Stattdessen werden sie als Funktion eines Entscheidungswertes ausgelöst, der verschiedene Teil-Entscheidungswerte flexibel wertet. Wenn beispielsweise ein oder zwei Teil-Entscheidungswerte für sich genommen zu klein wären, kann dennoch bei einem hohen verbleibenden Teil-Entscheidungswert bereits eine Regeneration ausgelöst werden.
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Durch die Verknüpfung der Teil-Entscheidungswerte zu einem Entscheidungswert kann eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei günstigen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors bereits dann ausgelöst werden, wenn die Beladung des NOx-Speicherkatalysators allein noch keine Regeneration erfordern würde. Als Folge wird der Speicherkatalysator häufiger in günstigen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors regeneriert und bei geeingenten Temperaturen des NOx-Speicherkatalysators regeneriert. Ungünstige Bedingungen kommen dadurch seltener vor.
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Dadurch wird die über viele Speicherzyklen gemittelte Stickoxidkonvertierung verbessert und Mehrverbrauch und Reduktionsmittelschlupf verringert. Außerdem werden Regenerationen verkürzt oder verhindert, die durch die begleitende starke Aufheizung des Speicherkatalysators die Einspeichereffizienz in der nachfolgenden Einspeicherphase unnötig stark vermindern würden.
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Darüber hinaus ist die Umschaltung in den Fettbetrieb in bestimmten Betriebspunkten mit Blick auf eine Geräuschveränderung oder die Drehmomentstabilität weniger nachteilig als in anderen Betriebspunkten. Ohne die Verknüpfung, beispielsweise mit dem zweiten Teil-Teilentscheidungswert, verstreichen für die Regeneration besser geeignete Betriebspunkte häufiger ungenutzt, während die Regeneration häufiger in ungünstigen Betriebspunkten ausgelöst wird.
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Bei nachmotorischer Reduktionsmittelzugabe ist die Verteilung, Verdampfung und Aktivität des Reduktionsmittels ebenfalls in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedlich groß.
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Die Menge und Zusammensetzung des Reduktionsmittels, die vom Verbrennungsmotor durch innermotorische Maßnahmen zur Verfügung gestellt werden kann, hängt stark vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, der zum Beispiel durch Brennraumfüllung, Drehzahl und weitere Parameter wie der Temperatur bestimmt wird, ab. In bestimmten Betriebspunkten ist es vergleichsweise schwierig, erhebliche Mengen CO und H2 zu generieren und gleichzeitig den Restsauerstoffgehalt und den Anteil an schwer oxidierbarem unverbranntem Kraftstoff (HC) gering zu halten. Durch das Begünstigen des Auslösens einer Regeneration bei steigender Menge an potentiell bereitstellbarem Reduktionsmittel werden die genannten ungünstigen Bedingungen weitgehend vermieden.
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Daher ergibt sich in der Summe vieler Regenerationen ein ungestörterer Betrieb des Verbrennungsmotors und ein verbesserter Ablauf der Regenerationsvorgänge.
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Mit Blick auf den Speicherkatalysator ist eine hohe Katalysatortemperatur ungünstig, weil die exotherm erfolgende Regeneration dann zu einer unerwünschten weiteren Aufheizung des Speicherkatalysators führt. Die Temperatur kann z. B. so in den dritten Teilentscheidungswert eingehen, dass eine zu hohe Temperatur des Speicherkatalysators verzögernd auf die Auslösung einer Regeneration wirkt.
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Die Berücksichtigung des dritten Teil-Entscheidungswertes berücksichtigt, dass die notwendige Dauer eines Regenerationsvorgangs stark von der Temperatur des Speicherkatalysators abhängt. Bei vergleichbaren Beladungen eines Speicherkatalysators ist die notwendige Dauer der Regeneration umso kürzer, je höher die Washcoat-Temperatur des Monolithen ist. Durch den dynamisch wechselnden Fahrbetrieb kommt es häufig vor, dass für den Regenerationsbetrieb sehr vorteilhafte Bedingungen am NOx-Speicherkatalysator auftreten, wenn der Speicher noch nicht maximal beladen ist. Eine nur kurze Regeneration kann dann den Speicher wieder vollständig entleeren und somit den Wirkungsgrad mit geringem Aufwand deutlich steigern.
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Bevorzugt ist auch, dass der erste Teil-Entscheidungswert, der von der Beladung des Speicherkatalysators mit NOx abhängt, aus dem Signal eines in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Speicherkatalysator angeordneten NOx-Sensors gebildet wird, der zweite Teil-Entscheidungswert, der von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängt, als Maß für NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors gebildet wird, der Entscheidungswert als Ist-Wirkungsgrad des Speicherkatalysators gebildet wird, und entweder der Entscheidungswert oder der als Soll-Wirkungsgrad dienende Schwellenwert in Abhängigkeit von der Temperatur des Speicherkatalysators und in Abhängigkeit von einer Raumgeschwindigkeit der Abgase gebildet wird.
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Dabei wird unter der Raumgeschwindigkeit bekanntlich ein auf das Speicherkatalysatorvolumen normierter Abgasvolumenstrom verstanden. Niedrige Temperaturen, hohe Temperaturen und auch eine hohe Raumgeschwindigkeit verringern bei sonst gleichen Bedingungen den Wirkungsgrad bei der Beladung des Speicherkatalysators mit NOx. In Verbindung mit den übrigen Merkmalen, die einen Ist-Wirkungsgrad der Beladung bereitstellen, kann eine unnötige Auslösung einer Regeneration bei noch kleiner Beladung aber beispielsweise hoher Raumgeschwindigkeit verhindert werden (weil zum Beispiel der Soll-Wirkungsgrad bei hoher Raumgeschwindigkeit verringert wird). Dadurch wird die Effektivität des Reduktionsmitteleinsatzes verbessert. Umgekehrt wird bei günstigen Beladungsbedingungen, also zum Beispiel bei mittlerer Temperatur und geringer Raumgeschwindigkeit sichergestellt, dass eine Regeneration rechtzeitig ausgelöst wird.
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Bevorzugt ist auch, dass der für den Vergleich mit dem Entscheidungswert vorgesehene Schwellenwert vom Alterungszustand des Speicherkatalysators und von dessen momentaner Beladung mit Schwefel abhängt.
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Beide Einflüsse verringern die Einspeichereffizienz gegenüber dem Neuzustand. Daher empfiehlt es sich, die Entscheidung über das Auslösen einer Regeneration von diesen beiden Eigenschaften abhängig zu machen. Die Abhängigkeit wird zum Beispiel so gestaltet, dass bei nachlassender Effizienz des Speicherkatalysators eine Regeneration früher ausgelöst wird. Alternativ oder ergänzend wird ein thermisch geschädigter Speicherkatalysator nicht mehr bei zu niedrigen Temperaturen regeneriert, weil dann zuviel Reduktionsmittel ungenutzt durch den Speicherkatalysator hindurchtreten würde. Mit Blick auf Ausgestaltungen des Steuergeräts ist bevorzugt, dass das Steuergerät wenigstens eine der oben angegebenen Ausgestaltungen ausführt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in stark schematisierter Form:
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1 das technische Umfeld der Erfindung;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 2;
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4 qualitativ temperaturabhängige Verläufe eines ersten Teil-Entscheidungswertes TEW_1 über der Beladung B eines Speicherkatalysators;
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5 qualitativ einen Verlauf eines zweiten Teil-Entscheidungswertes TEW_2 über einem Betriebsparameter L eines Verbrennungsmotors; und
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6 qualitativ einen Verlauf eines dritten Teil-Entscheidungswertes TEW_3 über einer Temperatur T eines Speicherkatalysators; und
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, dessen Brennräume 12 aus einem Ansaugsystem 14 mit Luft versorgt werden. Auf der Basis einer von einem Luftmassenmesser 16 erfassten Ansaugluftmasse und unter Berücksichtigung der Signale weiterer Sensoren bildet ein Steuergerät 18 Einspritzimpulsbreiten, mit denen Einspritzventile 20 angesteuert werden. Als weitere Sensoren kommen insbesondere ein Drehzahlsensor 22, ein Fahrerwunschgeber 24, ein Temperatursensor 26 und ein NOx-Sensor 28 in Frage. Dabei versteht es sich, dass diese Aufzählung lediglich Beispielcharakter besitzt und dass alternativ oder ergänzend zu den genannten Sensoren auch andere Sensoren bei der Bildung der Einspritzimpulsbreiten und sonstigen Steuerung des Verbrennungsmotors 10 verwendet werden können.
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Der Temperatursensor 26 erfasst die Temperatur eines NOx-Speicherkatalysators 30, der in einem Abgassystem 32 angeordnet ist und von Abgasen des Verbrennungsmotors 10 durchströmt wird. Der NOx-Sensor 28 ist in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem NOx-Speicherkatalysator 30 im Abgassystem 32 angeordnet. Über Eingriffe in die Steuerung des Verbrennungsmotors 10, insbesondere über Eingriffe auf die Kraftstoffzumessung, steuert das Steuergerät 18 auch die Beladung und Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30.
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Ein Programmablauf zur Steuerung der Beladung und Regeneration ist in der 2 dargestellt. Dabei entspricht der Schritt 34 einem Hauptprogramm zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10, in dem z. B. die Einspritzimpulsbreiten berechnet und ausgegeben werden. In Zeitspannen, in denen der Verbrennungsmotor 10 mit Luftüberschuss betrieben wird und der NOx-Speicherkatalysator 30 als Folge mit Stickoxid beladen wird, verzweigt das Programm aus dem Hauptprogramm im Schritt 34 in vorbestimmter Weise, z. B. periodisch, in einen Schritt 36, in dem ein erster Teil-Entscheidungswert TEW_1 gebildet wird. Dabei erfolgt die Bildung von TEW_1 in Abhängigkeit von der Beladung des NOx-Speicherkatalysators 30 mit Stickoxiden. Die Beladung kann z. B. vom Steuergerät 18 mit einem Beladungsmodell ermittelt werden, das die Stickoxid-Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 ermittelt. Solche Beladungsmodelle sind per se bekannt. An den Schritt 36 schließt sich dann ein Schritt 38 an, in dem ein zweiter Teil-Entscheidungswert TEW_2 als Funktion von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors gebildet wird. Dabei erfolgt die Bildung so, dass sich Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 10, die für eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators günstig sind, im Teil-Entscheidungswert TEW_2 abbilden.
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Danach wird noch gemäß 3 ein dritter Teil-Entscheidungswert gebildet. 3 zeigt einen zusätzlichen Schritt 46, der zwischen den Schritten 38 und 40 der 2 durchlaufen wird. In dem Schritt 46 erfolgt die Bildung eines dritten Teil-Entscheidungswertes TEW_3, der von der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 30 abhängig ist.
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Im anschließenden Schritt 40 nach 2 beziehungsweise 3 werden die Teil-Eentscheidungswerte TEW_i mit i = 1, 2, 3 zu dem Entscheidungswert EW aufsummiert. Alternativ kann der Entscheidungswert EW auch als gewichtetes Produkt der Teilentscheidungswerte bestimmt werden. Im Schritt 42 erfolgt ein Vergleich des gebildeten Entscheidungswertes EW mit einem vorbestimmten Schwellenwert E_S. Dabei wird der Schwellenwert E_S bevorzugt als Funktion der momentanen Beladung des Speicherkatalysators mit Schwefel und/oder als Funktion vorhergehender thermischer Belastungen, also als Funktion des Alters bzw. einer Vorschädigung, vorbestimmt. Diese Einflüsse können zum Beispiel im Steuergerät modelliert werden. Der Vergleich erfolgt zum Beispiel so, dass eine Überschreitung des Schwellenwertes E_S durch den Entscheidungswert EW einen Start einer Regeneration im Schritt 44 auslöst. Eine solche Regeneration kann zum Beispiel durch eine veränderte Kraftstoffzumessung erfolgen, über die Reduktionsmittel im Abgas des Verbrennungsmotors 10 bereit gestellt wird. Wird der Schwellenwert E_S dagegen nicht überschritten, so wird aus dem Schritt 42 zurück in das Hauptprogramm im Schritt 34 verzweigt. Die Schleife aus den Schritten 34, 36, 38, 40 und 42 wird daher solange durchlaufen, bis eine Schwellenwert-Überschreitung im Schritt 42 den Start einer Regeneration im Schritt 44 auslöst. Die Regeneration erfolgt zum Beispiel für die Dauer einer im Steuergerät berechneten Zeitspanne, nach deren Ablauf der Verbrennungsmotor 10 erneut mit Luftüberschuss betrieben werden kann. Alternativ kann die eine Regeneration auf der Basis eines bestimmten Signals eines Sensors, z. B. eines HC-Sensors, beendet werden.
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Die Schrittfolgen nach den 2 und 3 haben damit gemeinsam, dass insbesondere ein betragsmäßig kleiner Teil-Entscheidungswert TEW_1 zum Auslösen einer Regeneration führen kann, wenn wenigstens einer der beiden anderen Teilentscheidungswerte TEW_2, TEW_3 hinreichend groß ist.
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4 zeigt mit der Schar aus Kurven 48, 50 und 52 qualitativ das Verhalten des von einer Beladung B des NOx-Speicherkatalysators 30 abhängigen Teil-Entscheidungswertes TEW_1 mit der Temperatur T des NOx-Speicherkatalysators 30 als Parameter. Dabei weist der mit T bezeichnete Pfeil in Richtung zu Kurven mit höheren Temperaturen als Parameter. Aus dem Verlauf von jeweils einer der Kurven 48, 50 und 52 ergibt sich, dass der Betrag des ersten Teil-Entscheidungswertes TEW_1 mit zunehmender Beladung B des Speicherkatalysators 30 ansteigt, was die Auslösung einer Regeneration begünstigt. 4 zeigt damit stetige Abhängigkeiten des ersten Teil-Entscheidungswertes TEW_1 von der Beladung W. Alternativ kann die Abhängigkeit auch so ausgestaltet sein, dass wenigstens drei Werte a1, a2, a3 verschiedenen Beladungen b1, b2, b3 zugeordnet sind, wobei dann a1 zum Bespiel alle Beladungen B < b1 abdeckt.
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5 zeigt qualitativ den Verlauf des zweiten Teil-Entscheidungswertes TEW_2 über einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10, wobei in der 5 die Last L als Betriebsparameter dient. Dabei wird der Verlauf der Kurve 54 so vorbestimmt, dass der zweite Teil-Entscheidungswert TEW_2 ein Maß für eine Menge an Reduktionsmittel ist, die über wenigstens einen Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 oder nachmotorische Zugabe von Reduktionsmittel zum Abgas dosiert werden kann. Aus dem qualitativen Verlauf der Kurve 54 in 5 ergibt sich zum Beispiel, dass bei mittleren Lasten L des Verbrennungsmotors mehr Reduktionsmittel bereit gestellt werden kann, oder die Umschaltung in den Fettbetrieb weniger nachteilig ist, als bei niedrigen Lasten und bei hohen Lasten.
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6 zeigt qualitativ den Verlauf eines von der Temperatur T des NOx-Speicherkatalysators 30 abhängigen dritten Teil-Entscheidungswertes TEW_3. Der Verlauf von TEW_3 spiegelt die bei den verschiedenen Temperaturen T zu erwartende Wirkung der Regeneration wider. Wie dem Verlauf der Kurve 56 zu entnehmen ist, ist diese zu erwartende Wirkung bei mittleren Temperaturen T größer als bei geringen und bei hohen Temperaturen T.
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Da die Auslösung einer Regeneration von der Summe der drei Teil-Entscheidungswerte TEW_1, TEW_2 und TEW_3 abhängt, können niedrige Werte eines Teil-Entscheidungswertes durch höhere Werte der anderen beiden Teil-Entscheidungswerte kompensiert werden, so dass zum Beispiel bei mittleren Lasten L und mittleren Temperaturen T bereits bei kleinen Beladungen B regeneriert wird. Dadurch wird der Speicherkatalysator 30 unter günstigen Bedingungen bereits vor Erreichen maximal möglicher Beladungen B regeneriert.