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DE102007044937B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem NOX-Speicherkatalysator (21), bei dem
– eine Speicherfähigkeit (NOX_STC) des NOX-Speicherkatalysators (21) bei einer vorgegebenen Temperatur (TEMP) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) des NOX-Speicherkatalysators (21) ermittelt wird,
– die Temperatur (TEMP) des NOX-Speicherkatalysators (21) so erhöht wird, dass seine Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) liegt, wenn die Speicherfähigkeit (NOX_STC) innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert (THD) ist, derart,
dass bei der erreichten Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) die Speicherfähigkeit (NOX_STC) größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert (THD) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem NOX-Speicherkatalysator.
  • Bei einem NOX-Speicherkatalysator nimmt mit zunehmendem Alter die Speicherfähigkeit zum Speichern von Stickoxiden ab. Die Speicherfähigkeit nimmt vor allem in einem unteren Temperaturbereich des NOX-Speicherkatalysators ab. Der NOX-Speicherkatalysator kann beispielsweise in einem Temperaturbereich von 200 bis 500 Grad Celsius betrieben werden. Die Speicherfähigkeit nimmt dann beispielsweise im Bereich von 200 bis 300 Grad Celsius stark ab. Im Gegensatz dazu kann die Speicherfähigkeit bei gleicher Betriebsdauer im Bereich über 300 Grad Celsius nur wenig abnehmen.
  • Die DE 699 33 091 T2 offenbart ein Abgasreinigungssystem und -verfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem NOX-Katalysator, der in einem Abgassystem der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und der eine Funktion zum Absorbieren von von der Brennkraftmaschine ausgelassenem NOX und zum Reinigen des absorbierten NOX hat, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis ist oder auf einer fetten Seite liegt. Eine NOX-Reinigungsgradberechnungseinrichtung berechnet den NOX-Reinigungsgrad auf Grundlage einer berechneten NOX-Einströmmenge zum Zeitpunkt der Magerverbrennungssteuerung, der Fettgaseinströmmenge und der Überschussgasmenge, wobei die Fettgaseinströmmenge und die Überschussgasmenge dazu verwendet werden, die erforderliche Fettgasmenge zu berechnen.
  • Die DE 698 21 171 T2 offenbart ein Verfahren des Motorbetriebs mit folgenden Schritten: Abschätzen der Menge einer Verunreinigung, die sich in einer im Abgasweg des Motors angeordneten NOX-Falle angesammelt hat, Variieren des A/F-Verhältnis (Luft/Kraftstoff-Verhältnis) der zu den Zylindern des Motors gelieferten Mischung, wenn die geschätzte Menge an Verunreinigung eine Schwellenmenge erreicht, um die Temperatur der Falle auf eine vorher bestimmte Temperatur anzuheben, die ausreicht, um die Falle vor Verunreinigungen zu spülen, Spülen der Falle von der Verunreinigung, wenn diese vorherbestimmte Temperatur erreicht ist, und Beenden der Spülung dieser Falle, wenn ein vorher bestimmtes Spülkriterium erfüllt ist.
  • Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die einfach zu einem schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine beitragen, insbesondere über eine lange Betriebsdauer eines NOX-Speicherkatalysators der Brennkraftmaschine.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine weist einen NOX-Speicherkatalysator auf. Es wird eine Speicherfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators bei einer vorgegebenen Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs des NOX-Speicherkatalysators ermittelt. Eine Temperatur des NOX-Speicherkatalysators wird so erhöht, dass seine Temperatur oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt, wenn die Speicherfähigkeit innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, derart, dass bei der erreichten Temperatur oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs die Speicherfähigkeit größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert ist.
  • Dies trägt einfach zu dem schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine bei, insbesondere über die lange Betriebsdauer des NOX-Speicherkatalysators, da der NOX-Speicherkatalysator in unterschiedlichen Temperaturbereichen unterschiedlich schnell an Speicherfähigkeit verliert. Der Schwellenwert kann statisch vorgegeben werden oder abhängig von der Temperatur des NOX-Speicherkatalysators ermittelt werden, beispielsweise anhand eines Kennfelds.
  • Die Information, dass die Temperatur des NOX-Speicherkatalysators erhöht wird, wird vorzugsweise auf einem Speichermedium einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine gespeichert und steht somit weiteren Funktionen der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Speicherfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators bei der vorgegebenen Temperatur des NOX-Speicherkatalysators ermittelt. Die Temperatur wird um einen vorgegebenen Temperaturschritt erhöht, wenn die Speicherfähigkeit bei der vorgegebenen Temperatur kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist. Dies ermöglicht besonders einfach, die Temperatur des NOX-Speicherkatalysators zu erhöhen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Verlauf der Speicherfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur des NOX-Speicherkatalysators ermittelt. Ein Gradient des Verlaufs der Speicherfähigkeit wird ermittelt. Abhängig von dem ermittelten Gradienten wird der Temperaturschritt vorgegeben und/oder die Temperatur ermittelt, auf die der NOX-Speicherkatalysator aufgeheizt wird. Dies trägt dazu bei, dass die Temperatur gerade so erhöht wird, dass die Speicherfähigkeit ausreichend ist und dass dennoch möglichst wenig Energie zum Beheizen des NOX-Speicherkatalysators verbraucht wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der vorgegebene Temperaturbereich zwischen 250 und 300 Grad Celsius. Dies trägt besonders wirkungsvoll zu dem schadstoffarmen Be trieb der Brennkraftmaschine bei, da die Speicherfähigkeit zwischen 250 und 300 Grad Celsius besonders schnell nachlässt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert
  • Es zeigen:
  • 1 eine Brennkraftmaschine,
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine
  • 3 unterschiedliche Verläufe von Speicherfähigkeiten eines NOX-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von der Temperatur,
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine,
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines dritten Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Eine Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drosselklappe 5, einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen Einlasskanal in einen Brennraum des Motorblocks 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit einem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist. Die Brennkraftmaschine umfasst neben dem Zylinder Z1 bevorzugt weitere Zylinder Z1–Z4, sie kann aber auch jede beliebige größere Anzahl von Zylindern Z1–Z4 umfassen. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug angeordnet.
  • Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb 14, 15, der mit einem Gaseinlassventil 12 bzw. einem Gasauslassventil 13 gekoppelt ist. Der Ventiltrieb 14, 15 umfasst mindestens eine Nockenwelle, die mit der Kurbelwelle 8 gekoppelt ist. Ferner sind in dem Zylinderkopf 3 bevorzugt ein Einspritzventil 18 und, falls die Brennkraftmaschine keine Diesel-Brennkraftmaschine ist, eine Zündkerze 19 angeordnet. Alternativ kann das Einspritzventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein. In dem Abgastrakt 4 ist ein NOX-Speicherkatalysator 21 angeordnet.
  • Eine Steuereinrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuereinrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine und/oder als Motorsteuerung bezeichnet werden.
  • Die Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein Temperatursensor 32, der ei ne Ansauglufttemperatur erfasst, ein Drosselklappenstellungssensor 30, der einen Öffnungsgrad der Drosselklappe 5 erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, der einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine zugeordnet wird und/oder ein NOX-Sensor 38, der einen Stickoxidgehalt des Abgases der Brennkraftmaschine erfasst.
  • Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
  • Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Einspritzventil 18 und/oder die Zündkerze 19.
  • Auf einem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 ist vorzugsweise ein erstes Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine gespeichert (2). Das erste Programm dient dazu, eine Speicherfähigkeit NOX_STC des NOX-Speicherkatalysators 21 zu erhöhen, falls die Speicherfähigkeit NOX_STC zu gering ist, indem eine Temperatur TEMP (3) des NOX-Speicherkatalysators 21 erhöht wird.
  • Das erste Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S1 gestartet, beispielsweise zeitnah einem Motorstart, wobei in dem Schritt S1 gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
  • In einem Schritt S2 wird die Speicherfähigkeit NOX_STC des NOX-Speicherkatalysators 21 ermittelt. Die Speicherfähigkeit NOX_STC kann beispielsweise durch ein Stickoxidsemissionsmodell abhängig von unterschiedlichen Betriebsparametern, beispielsweise einer Lastgröße, beispielsweise dem Luftmassenstrom, und/oder der Drehzahl und abhängig von einem Messsignal des NOX-Sensors 38 stromabwärts des NOX-Speicherkatalysators 21 ermittelt werden.
  • In einem Schritt S3 wird überprüft, ob die Speicherfähigkeit NOX_STC kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert THD ist. Ist die Bedingung des Schritts S3 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S4 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S3 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung in dem Schritt S2 fortgesetzt.
  • In einem Schritt S4 wird mittels einer Temperaturerhöhungsanweisung RAISE_TEMP die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 erhöht. Die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 kann über eine thermische Kopplung mit einer Heizvorrichtung erhöht werden. Vorzugsweise wird die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 jedoch durch Erhöhen einer Abgastemperatur des Abgases der Brennkraftmaschine erhöht. Die Abgastemperatur kann beispielsweise über Öffnungszeiten der Gaseinlassventile 12 und/oder Gasauslassventile 13 und/oder durch Variation von Betriebsparametern, wie beispielsweise Zündkabel, Kraftstoffmenge/-masse eingestellt werden.
  • In einem Schritt S5 kann das erste Programm beendet werden. Vorzugsweise wird das erste Programm jedoch regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet.
  • Der NOX-Speicherkatalysator 21 arbeitet ab einer Temperatur TEMP von 200 Grad Celsius effektiv (3). Die Speicherfähigkeit NOX_STC nimmt bei einem neuen NOX-Speicherkatalysator 21 (durchgezogene Linie) bis ca. 300 Grad Celsius zu und fällt dann hin zu 450 Grad Celsius wieder ab (3). Bei einem NOX-Speicherkatalysator 21 mit einer längeren Betriebsdauer (gestrichelte Linie) ist vor allem im Bereich von 250 bis 300 Grad Celsius die Speicherfähigkeit stark verringert. Hingegen nimmt sie oberhalb von 300 Grad Celsius insbesondere bei 400 bis 450 Grad Celsius nur noch unwesentlich ab. Bei einem NOX-Speicherkatalysator 21 mit einer noch längeren Betriebsdauer (Strichpunktlinie) nimmt vor allem im Bereich von 250 bis 300 Grad Celsius die Speicherfähigkeit NOX_STC noch stärker ab.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Programm ist daher ein zweites Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine auf dem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 abgespeichert (4). Das zweite Programm dient dazu, die Speicherfähigkeit NOX_STC insbesondere in einem vorgegebenen Temperaturbereich TEMP_RNG des NOX-Speicherkatalysators 21 durch Erhöhen der Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 anzuheben.
  • Das zweite Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S6 gemäß dem Schritt S1 des ersten Programms gestartet.
  • In einem Schritt S7 wird überprüft, ob der NOX-Speicherkatalysator 21 eine Temperatur TEMP hat, die in einem dem vorgegebenen Temperaturbereich TEMP_RNG liegt. Ist die Bedingung des Schritts S7 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S8 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S7 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut im Schritt S7 fortgesetzt.
  • Die Schritte S8 und S9 des zweiten Programms können korrespondierend zu den Schritten S2 und S3 des ersten Programms abgearbeitet werden.
  • Ist die Bedingung des Schritts S9 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S8 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S9 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S10 fortgesetzt.
  • In dem Schritt S10 wird mittels der Temperaturerhöhungsanweisung RAISE_TEMP die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 angehoben, vorzugsweise soweit, dass die Temperatur TEMP oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs TEMP_RNG liegt.
  • In einem Schritt S11 kann das zweite Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine beendet werden. Vorzugsweise wird je doch das zweite Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet.
  • Alternativ oder zusätzlich ist auf dem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 ein drittes Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine gespeichert (5). Das dritte Programm dient dazu, bei einer zu geringen Speicherfähigkeit NOX_STC des NOX-Speicherkatalysators 21 die Temperatur schrittweise zu erhöhen. Dies kann besonders einfach dazu beitragen, dass die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 nicht unnötig hoch erhöht wird.
  • Das dritte Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S12 beispielsweise nach einem Motorstart gestartet, wobei in dem Schritt S12 gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
  • In einem Schritt S13 wird die Speicherfähigkeit NOX_STC ermittelt, beispielsweise gemäß dem Schritt S2 des ersten Programms. Ferner wird in dem Schritt S13 die Temperatur TEMP des NOX-Speicherkatalysators 21 ermittelt.
  • In einem Schritt S14 wird die Speicherfähigkeit NOX_STC in Abhängigkeit von der Temperatur TEMP abgespeichert, so dass ein Verlauf NOX_RUN der Speicherfähigkeit in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet wird.
  • Die Schritte S15 und S16 des dritten Programms können gemäß den Schritten S2 und S3 des ersten Programms abgearbeitet werden.
  • Ist die Bedingung des Schritts S16 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S17 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S16 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S15 fortgesetzt.
  • In dem Schritt S17 wird ein Gradient NOX_RUN_GRD des Verlaufs NOX_RUN der Speicherfähigkeit NOX_STC abhängig von dem Verlauf NOX_RUN der Speicherfähigkeit NOX_STC ermittelt.
  • In einem Schritt S18 wird ein Temperaturschritt DELTA_TEMP ermittelt. Beispielsweise kann der Temperaturschritt DELTA_TEMP umso geringer ausfallen, je größer der Gradient NOX_RUN_GRD des Verlaufs NOX_RUN der Speicherfähigkeit NOX_STC ist.
  • In dem Schritt S19 wird mittels der Temperaturerhöhungsanweisung RAISE_TEMP die Temperatur des NOX-Speicherkatalysators 21 erhöht, vorzugsweise um den Temperaturschritt DELTA_TEMP.
  • In einem Schritt S20 kann das dritte Programm beendet werden. Vorzugsweise wird jedoch das dritte Programm regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine erneut abgearbeitet.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem NOX-Speicherkatalysator (21), bei dem – eine Speicherfähigkeit (NOX_STC) des NOX-Speicherkatalysators (21) bei einer vorgegebenen Temperatur (TEMP) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) des NOX-Speicherkatalysators (21) ermittelt wird, – die Temperatur (TEMP) des NOX-Speicherkatalysators (21) so erhöht wird, dass seine Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) liegt, wenn die Speicherfähigkeit (NOX_STC) innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert (THD) ist, derart, dass bei der erreichten Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) die Speicherfähigkeit (NOX_STC) größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert (THD) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Speicherfähigkeit (NOX_STC) des NOX-Speicherkatalysators (21) bei der vorgegebenen Temperatur (TEMP) des NOX-Speicherkatalysators (21) ermittelt wird, – die Temperatur (TEMP) um einen vorgegebenen Temperaturschritt (DELTA_TEMP) erhöht wird, wenn die Speicherfähigkeit (NOX_STC) bei der vorgegebenen Temperatur (TEMP) kleiner als der vorgegebene Schwellenwert (THD) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem – ein Verlauf (NOX_RUN) der Speicherfähigkeit (NOX_STC) in Abhängigkeit von der Temperatur (TEMP) des NOX-Speicherkatalysators (21) ermittelt wird, – der Gradient (NOX_RUN_GRD) des Verlaufs (NOX_RUN) der Speicherfähigkeit (NOX_STC) ermittelt wird, – abhängig von dem ermittelten Gradienten (NOX_RUN_GRD) die Temperatur (TEMP) ermittelt wird, auf die der NOX- Speicherkatalysator (21) aufgeheizt wird, und/oder der Temperaturschritt (DELTA_TEMP) vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 3, bei dem der vorgegebene Temperaturbereich (TEMP_RNG) zwischen 250 und 300 Grad Celsius liegt.
  5. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem NOX-Speicherkatalysator (21), wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, – eine Speicherfähigkeit (NOX_STC) des NOX-Speicherkatalysators (21) bei einer vorgegebenen Temperatur (TEMP) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) des NOX-Speicherkatalysators (21) zu ermitteln, – eine Temperatur (TEMP) des NOX-Speicherkatalysators (21) so zu erhöhen, dass seine Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) liegt, wenn die Speicherfähigkeit (NOX_STC) innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert (THD) ist, derart, dass bei der erreichten Temperatur (TEMP) oberhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs (TEMP_RNG) die Speicherfähigkeit (NOX_STC) größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert (THD) ist.
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