DE10235592B4

DE10235592B4 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10235592B4
Application number: DE2002135592
Authority: DE
Inventors: Dr. Pott Ekkehard; Dr. Zillmer Michael
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: FR2843171B1; DE10235592A1; FR2843171A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer wenigstens zeitweise im Magerbetrieb laufenden Brennkraftmaschine (16) in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters eines in einem Abgaskanal (14) angeordneten NOX-Speicherkatalysators (12) und wenigstens eines Abgasparameters, unter Verwendung mindestens einer Mess- und Steuereinheit (22, 24) zum Ermitteln des wenigstens einen Betriebsparameters und des wenigstens einen Abgasparameters, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (16) entsprechend einem wenigstens zweidimensionalen Magerbetriebsfeld (30) gesteuert wird, welches durch vorgebbare Betriebspunkte definiert ist, die vorgebbare Mindestanforderungen für den wenigstens einen Betriebsparameter des NOX-Speicherkatalysators (12) in Kombination mit dem wenigstens einen Abgasparameter umfassen, wobei das Magerbetriebsfeld (30) in wenigstens zweidimensionale Segmente (44) für den wenigstens einen Betriebsparameter des NOX-Speicherkatalysators und des wenigstens einen Abgasparameters unterteilt wird, und lediglich die Segmente (34) für den Magerbetrieb gesperrt werden, bei denen im aufgespannten wenigstens zweidimensionalen Magerbetriebsfeld (30) wenigstens einer der Betriebspunkte den vorgebbaren Mindestanforderungen nicht genügt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer wenigstens zeitweise magerlauffähigen Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Mess- und Steuereinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, moderne, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschinen über möglichst große Lastbereiche in einem verbrauchsgünstigen Magerbetrieb zu fahren. Der Magerbetrieb ist durch Sauerstoffüberschuss eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das heißt durch λ > 1, gekennzeichnet. Um geforderte Abgasemissionsgrenzwerte zu erfüllen, ist eine spezielle Abgasnachbehandlung notwendig. Üblicherweise ist der Brennkraftmaschine deshalb mindestens ein Katalysator zur Speicherung und/oder Konvertierung verschiedener Abgaskomponenten in einem Abgastrakt nachgeschaltet, insbesondere werden NO_X-Speicherkatalysatoren verwendet. Diese NO_X-Speicherkatalysatoren speichern in mageren Betriebsphasen NO_X in Form von Nitrat und reduzieren das NO_X dann zu N₂, CO₂ und Wasser.
Ein gemeinsames Problem praktisch aller Katalysatorsysteme, insbesondere von NO_X-Speicherkatalysatoren, stellt die starke Abhängigkeit einer Speicher- und/oder Konvertierungsaktivität der Katalysatoren von der Katalysatortemperatur dar. So weisen NO_X-Speicherkatalysatoren ein nutzbares Arbeitstemperaturfenster von etwa 200 bis 550°C auf, in dem eine ausreichende Katalysatoraktivität vorliegt. Im Falle direkteinspritzender Ottomotoren und bei strengen gesetzlichen Abgaswerten (beispielsweise der Europäischen Abgasnorm EU IV) können NO_X-Speicherkatalysatoren sogar nur in einem Temperaturbereich von etwa 280 bis 500°C sinnvoll, das heißt mit einer NO_X-Minderungsrate von mindestens 90%, genutzt werden. Unterhalb dieses Temperaturfensters laufen die Speicher- und Regenerationsvorgänge mit zu geringen Reaktionsgeschwindigkeiten ab, während oberhalb des Temperaturfensters die thermisch instabilen Nitrate zerfallen, so dass keine hinreichende Speicherrate vorliegt.
Im Allgemeinen wird daher der Magerbetrieb der Brennkraftmaschine gesperrt, sobald die Katalysatortemperatur außerhalb eines durch das Arbeitstemperaturfenster des Katalysators definierten Magertemperaturbereiches liegt. Beispielsweise wird bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden schichtladefähigen Ottomotoren zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte der Europäischen Abgasnorm EU III außerhalb des zulässigen Magertemperaturbereiches des NO_X-Speicherkatalysators ein Magerbetrieb mit λ > 1,2 lediglich kurzfristig, beispielsweise für maximal 4 s, zugelassen. Ausnahmen hierfür bestehen lediglich in Schubabschaltungsphasen und/oder während einer Entschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators. Somit muss die Brennkraftmaschine, solange der NO_X-Speicherkatalysator sich nicht innerhalb des Magertemperaturbereiches befindet, im stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus gefahren werden, auch wenn der aktuelle Betriebspunkt des Motors einen Magerbetrieb zuließe. Damit müssen erhebliche Verbrauchsnachteile zugunsten niedrigerer Abgasendemissionen in Kauf genommen werden.
Das Verhalten des NO_X-Speicherkatalysators kann durch ein in der Motorsteuerung implementiertes mathematisches Modell nachgebildet werden. Als wichtige Eingangsgrößen für die Modellierung des NO_X-Speicherverhaltens sind die NO_X-Rohemission, die bisherige Adsorptionsdauer, der Abgasmassenstrom und die Abgastemperatur zu nennen. Mit Hilfe des Katalysatormodells können die im NO_X-Speicherkatalysator gespeicherte NO_X-Masse und der aktuelle Wirkungsgrad der NO_X-Speicherung ermittelt werden. Beispielsweise bei Überschreiten einer maximal zulässigen NO_X-Beladung oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen minimalen Wirkungsgrades bei der Speicherung kann dann eine Regeneration ausgelöst werden.
Dieses Verfahren ist jedoch prinzipbedingt sehr ungenau, da sich beispielsweise die NO_X-Rohemission über die Laufzeit, durch Serienstreuungen und durch äußere Einflüsse wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit wesentlich verändern kann. Auch das Katalysatorverhalten kann sich durch Verschwefelung und thermische Alterung ändern. Eine unzulässig hohe NO_X-Emission nach NO_X-Speicherkatalysator kann somit nur mit großen Sicherheitsreserven zuverlässig vermieden werden. Da hierbei von einem ungünstigen Fall mit hoher NO_X-Rohemission und geringer NO_X-Speicherfähigkeit des Katalysators ausgegangen wird, ergeben sich ein gegenüber dem günstigenfalls erreichbaren Zustand eingeschränktes Magerbetriebsfeld sowie unnötig häufige Regenerationen und damit ein erhöhter Kraftstoffverbrauch.
Alternativ ist es bekannt, bei Erreichen einer vorbestimmten NO_X-Konzentration stromab des NO_X-Speicherkatalysators eine Regenerationsphase anzufordern. Der dazu gesetzte Schwellenwert für die NO_X-Konzentration kann fest oder betriebspunktabhängig gewählt werden, das heißt in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Einspritzmenge der Brennkraftmaschine. Dieser Schwellenwert stellt einen Maximalwert für unerwünschten Schlupf an NO_X und damit für den Beladungsgrad des NO_X-Speicherkatalysators dar. Da der Schlupf mit der Drehzahl, der Last beziehungsweise der Einspritzmenge steigt, kann nach diesem Verfahren der Schwellenwert betriebspunktabhängig gewählt werden. Eine Information über die Speicherkapazität kann mit diesem Verfahren jedoch nicht gewonnen werden.
Die Erfüllung strenger Abgasvorschriften erfordert sehr hohe mittlere Speicherwirkungsgrade, so dass bereits bei geringem NO_X-Schlupf eine NO_X-Regeneration ausgelöst werden muss. Werden die erzielbaren Speicherdauern sehr kurz, ist durch Magerbetrieb kein Verbrauchsvorteil mehr zu erreichen, da der Kraftstoffaufwand zur NO_X-Regeneration die Verbrauchsvorteile im Magerbereich kompensiert.
Aus diesem Grunde werden die Betriebsgrenzen des NO_X-Speicherkatalysators an seine Speicherfähigkeit angepasst. Wie bereits ausgeführt, ist es bekannt, die Magerbetriebszulassung an die Speicherkatalysatortemperatur zu koppeln. Zur Temperaturadaption wird beispielsweise geprüft, ob eine vorgegebene Mindestzeit zwischen zwei NO_X-Regenerationen im Magerbetrieb unterschritten wird. Ist dies der Fall, so wird die obere Temperaturgrenze zur Zulassung des Magerbetriebs um einen vorgebbaren Betrag gesenkt. Wird bei einer Katalysatortemperatur nahe dieser oberen Temperaturgrenze die vorgebbare Mindestzeit überschritten, so wird diese obere Temperaturgrenze um einen vorgebbaren Betrag angehoben. Mit dieser Maßnahme kann ein Magerbetrieb bei hohen Katalysatortemperaturen, bei denen der NO_X-Speicherkatalysator in seiner Speicherwirkung nachlässt, abhängig von der Speicherfähigkeit des Katalysators eingeengt werden.
Ebenso ist es bekannt, den NO_X-Massenstrom stromauf des NO_X-Speicherkatalysators als Kriterium für die Sperrung beziehungsweise Zulassung des Magerbetriebs mit heranzuziehen. Es wird geprüft, ob bei einem bestimmten NO_X-Massenstrom eine vorgegebene Mindestzeit im Magerbetrieb zwischen zwei NO_X-Regenerationen unterschritten wird. Ist dies der Fall, so wird der maximal zulässige NO_X-Massenstrom stromauf des Katalysators zur Freigabe des Magerbetriebs um einen vorgebbaren Betrag abgesenkt. In analoger Weise wie bei der Temperaturgrenzadaption erfolgt eine Anhebung des zulässigen NO_X-Massenstroms. Nachteilig ist jedoch, dass eine Kopplung zwischen Massenstrom und Temperatur nicht berücksichtigt wird. So führt beispielsweise das Unterschreiten der Mindestspeicherzeit in einem konstanten Betriebspunkt dazu, dass Magerbetrieb bei höheren NO_X-Massenströmen vor dem Katalysator oder bei höheren Temperaturen im Katalysator nicht mehr zugelassen wird.
DE 198 50 786 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines NO_X-Speicherkatalysators, bei dem ein Magerbetrieb der Brennkraftmaschine innerhalb eines Katalysatortemperaturfensters freigegeben wird. Die zulässige untere und obere Temperaturschwelle wird in Abhängigkeit von einer Dauer eines Magerintervalls (geregelt durch einen NO_X-Sensor) oder eines Regenerationsintervalls (geregelt durch eine Lambdasonde) adaptiert.
Aus DE 100 34 143 A1 ist ein Verfahren zur Adaption eines Katalysatortemperaturfensters bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einer Abweichung einer Ist- von einer Soll-NO_X-Speicherfähigkeit die obere und/oder untere Grenztemperatur des Temperaturfensters angespasst wird. Es können weitere Betriebsparameter wie Motordrehzahl, Motorlast oder Abgasmassenstrom bei der Adaption der Grenztemperaturen berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das gestattet, die Speicherfähigkeit (Kapazität) eines NO_X-Katalysators optimal auszunutzen. Insbesondere sollen die Betriebsgrenzen besser an die tatsächliche NO_X-Speicherfähigkeit angepasst werden. Ganz besonders soll das Zusammenspiel von NO_X-Massenstrom und Temperatur innerhalb des NO_X-Speicherkatalysators bei einer Festlegung der Parameter für das Fahren im vorteilhaften Magerbetrieb berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen Vorzugsvarianten dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine so gesteuert wird, dass sie ein wenigstens zweidimensionales Magerbetriebsfeld aufweist, welches durch vorgebbare Betriebspunkte definiert ist, die vorgebbare Mindestanforderungen für den wenigstens einen Betriebsparameter des NO_X-Speicherkatalysators (vorzugsweise eine Temperatur innerhalb des NO_X-Speicherkatalysator) in Kombination mit dem wenigstens einen Abgasparameter (vorzugsweise der NO_X-Massenstrom stromauf des NO_X-Speicherkatalysators) umfassen, wobei das Magerbetriebsfeld in wenigstens zweidimensionale Segmente für den wenigstens einen Betriebsparameter des NO_X-Speicherkatalysators und den wenigstens einen Abgasparameter unterteilt wird und lediglich die Segmente für den Magerbetrieb gesperrt werden, bei denen im aufgespannten, wenigstens zweidimensionalen Magerbetriebsfeld wenigstens einer der Betriebspunkte den vorgebbaren Mindestanforderungen nicht genügt.
Es können somit Speicher- und Regenerationsvorgang im NO_X-Speicherkatalysator optimal gestaltet werden und der Katalysator kann so eingestellt werden, dass er ein Magerbetriebsfeld für die Eingangsgrößen, bevorzugterweise für einen NO_X-Massenstrom stromauf des NO_X-Speicherkatalysators, und eine Katalysatortemperatur aufweist, deren Schwellwerte zur Erzielung eines Spitzen-Einlagerungswirkungsgrades eingestellt werden können. Das heißt, das vorgegebene Magerbetriebsfeld kann von vornherein auf seine von der Katalysatorchemie abhängigen günstigsten Grenzen hin ausgedehnt werden, zum Beispiel bei Barium-Speicherkatalysatoren auf einen Temperaturbereich von 230–570°C und maximal 50 mg NO_X/sec pro Liter Katalysatorvolumen. Magerbetriebsfreigaberegelungen gemäß Stand der Technik weisen dagegen lediglich Fenster im Bereich beispielsweise von 270–550°C und temperaturunabhängig günstigenfalls 25 mg NO_X/sec pro Liter Katalysatorvolumen auf.
Das Erstellen eines Magerbetriebsfeldes in Form eines NO_X-Massenstrom/Speicherkatalysatortemperatur – Diagramms mit Segmenten definierter Schrittweiten und vorgebbaren Betriebspunkten mit Mindestanforderungen ermöglicht erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsvarianten für das Verhalten des NO_X-Speicherkatalysators.
Prinzipiell ergibt sich Folgendes: In einem Betriebspunkt werden die Mindestspeicheranforderungen bezüglich Temperatur und NO_X-Massenstrom nicht mehr erfüllt, das heißt die Werte für Temperatur und NO_X-Massenstrom liegen entweder beide außerhalb der zugelassenen Obergrenze oder der Temperaturwert liegt unterhalb der Untergrenze und der NO_X-Massenstrom liegt oberhalb der zugelassenen Obergrenze. Im vorliegenden Verfahren wird der Magerbetrieb nur für Segmente mit zu hohen NO_X-Massenströmen und zu hohen Temperaturen beziehungsweise mit zu niedrigen Temperaturen und zu hohen NO_X-Massenströmen nicht mehr zugelassen. Das heißt, es werden die Segments für den Magerbetrieb gesperrt, für die im aufgespannten Magerbetriebsfeld der Betriebspunkt den Mindestspeicheranforderungen für NO_X-Massenstrom und Temperatur nicht mehr genügt.
In einer bevorzugten Ausführung wird das Verfahren so gesteuert, dass der Magerbetrieb zusätzlich auch für geringfügig niedrigere NO_X-Massenströme und/oder geringfügig niedrigere Temperaturen als im genannten Betriebspunkt nicht mehr zugelassen wird, das heißt die Segmente, in denen sich diese Betriebspunkte befinden, die die Mindestspeicheranforderungen für den Magerbetrieb nicht mehr erfüllen, werden geringfügig größer gewählt als der Betriebspunkt eigentlich erfordert. Vorzugsweise gilt eine solche Einbeziehung für Abweichungen um vorzugsweise um 0,5 mg NO_X/sec für den Massenstrom und 5 K für die Temperatur. Analog gilt dieses Verfahren auch für geringfügig niedrigere NO_X-Massenströme und geringfügig höhere Temperaturen im Bereich der unteren Temperaturgrenze.
Eine Betriebsbereichssperrung über einen Algorithmus, der die Kriterien NO_X-Massenstrom und Temperatur verbindet, ist regelungstechnisch einfach beherrschbar. Bevorzugt und mit geringem Rechenaufwand verbunden ist das Sperren von Segmenten mit fester Schrittweite hinsichtlich Temperatur und NO_X-Massenstrom. Besonders bevorzugt sind hierfür Temperaturfenster zwischen 5...50 K Schrittweite, vorzugsweise 5...25 K und NO_X-Massenstromfenster zwischen 0,25...5,0 mg/sec, insbesondere 0,5..1,1 mg/sec. Neben bevorzugt rechteckigen Segmenten sind unter Inkaufnahme eines erhöhten Rechenaufwandes auch anders geformte Segmente, beispielsweise polygonale Segmente, dreieckige Segmente oder dergleichen, möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren so gesteuert werden, dass der katalysatorspezifisch günstigste Betriebsbereich bei beliebigen Initialisierungswerten im Fahrzeugeinsatz gelernt werden kann, wobei das Magerbetriebsfeld über den jeweiligen oberen beziehungsweise unteren vorgebbaren Schwellenwert für die Temperatur und den NO_X-Massenstrom in definierten Schrittweiten hinaus erweitert wird. Aufgrund der trägeren Reaktionskinetik und des Risikos von Schadstoffdurchbrüchen bei der Regeneration wird eine Adaption eines Betriebsbereichs bei sehr niedrigen Temperaturen und NO_X-Massenströmen auf eine nicht unterschreitbare harte vorgebbare Mindesttemperaturschwelle begrenzt, vorzugsweise auf 200...250°C, besonders bevorzugt auf 230...240°C.
Gemäß der Erfindung ist die Magerbetriebssperrung bei höheren NO_X-Massenströmen und höheren Katalysatortemperaturen beim Unterschreiten der Mindestspeicheranforderungen bei weiter innen im Magerbetriebsfeld liegenden Betriebspunkten ebenfalls vorgesehen und sinnvoll.
Weiterhin ist davon auszugehen, dass in einem Bereich höherer NO_X-Massenströme und niedrigerer Temperaturen sowie in einem Bereich niedrigerer NO_X-Massenströme und höherer Temperaturen ebenfalls mit einem unzureichenden Speichervermögen zu rechnen ist, so dass diese Segmente ohne Abprüfung direkt mit gesperrt werden. Diese Erweiterung des Sperrbereichs kann auch bis in den Tieftemperaturbereich hinein ausgedehnt werden.
Bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine Temperaturschwelle als Grenze zwischen Hoch- und Tieftemperaturadaption festgelegt. Als besonders bevorzugt hat sich erwiesen, das Verfahren so zu steuern, dass oberhalb des Schwellwertes die Maximaltemperatur heruntergelernt wird und unterhalb des Schwellenwertes die Minimaltemperatur heraufgelernt, vorzugsweise oberhalb eines Schwellwertes im Bereich von 320...400°C, insbesondere in einem Bereich von 320...340°C.
Die erfindungsgemäße Einteilung des gesamten Betriebsfeldes in Segmente ermöglicht eine nahezu perfekte Anpassung an das Speichervermögen in wenigen Adaptionsschritten. Es wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, dass eine flexible Adaption von Temperatur und NO_X-Massenstrom unter Berücksichtigung der tatsächlichen Verhältnisse im NO_X-Speicherkatalysator gestattet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, zur Verbesserung des Speichervermögens neben dem NO_X-Massenstrom und der Temperatur gegebenenfalls auch weitere Parameter der Magerbetriebszulassung als Kriterien für eine Zulassung einzubinden, beispielsweise den Abgasmassenstrom und Katalysatorfüllstand. Hierzu sind dann mehrdimensionale Magerbetriebsfelder (mehr als zweidimensionale) einsetzbar.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung eines NO_X-Speicherkatalysators in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine und
2 bis 11 verschiedene Magerbetriebsfelder.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Steuerung einer zumindest zeitweise mit Luftüberschuss betreibbaren Brennkraftmaschine, wie sie schematisch in 1 dargestellt ist. Die 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einem NO_X-Speicherkatalysator 12 in einem Abgaskanal 14 einer Verbrennungskraftmaschine 16. Selbstverständlich ist die Anordnung 10 lediglich ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel, und es können ebenso auch zusätzliche NO_X-Speicherkatalysatoren oder Vorkatalysatoren im Bereich des Abgaskanals 14 angeordnet werden. Derartige Anordnungen sind bekannt und sollen hier nicht näher erläutert werden.
In dem Abgaskanal sind zusätzlich Sensoren angeordnet, die einen Rückschluss auf einen aktuellen Katalysatorzustand erlauben. In der Anordnung 10 sind dazu beispielhaft ein stromab des NO_X-Speicherkatalysators angeordneter Gassensor 18 und ein stromauf des NO_X-Speicherkatalysators angeordneter Temperatursensor 20 dargestellt. Die Sensoren 18, 20 liefern Signale, die innerhalb eines Motorsteuergerätes 22 ausgewertet werden können. Ferner sind der Verbrennungskraftmaschine 16 Mittel 24 zugeordnet, die eine zumindest temporäre Beeinflussung von Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 16 ermöglichen. Eine Einstellung der Magerbetriebs- beziehungsweise Regenerationsparameter kann in bekannter Weise durch die Beeinflussung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 16 erfolgen.
In den 2 bis 11 sind jeweils Magerbetriebsfelder der Brennkraftmaschine 16 dargestellt, die von dem NO_X-Massenstrom vor dem NO_X-Speicherkatalysator 12 und der Katalysatortemperatur des NO_X-Speicherkatalysators 12 definiert sind. Der NO_X-Massenstrom und die Temperatur können modelliert werden und dem Motorsteuergerät 22 zur Auswertung übermittelt werden. Des Weiteren kann die Temperatur im NO_X-Speicherkatalysator 12 auch basierend auf der mit dem Sensor 20 gemessenen Temperatur berechnet werden. Denkbar ist auch die Anordnung eines geeigneten Gassensors stromauf des NO_X-Speicherkatalysators 12 oder eines Temperatursensors direkt im NO_X-Speicherkatalysator 12.
Hierbei ist der NO_X-Massenstrom in mg NO_X/sec und die Temperatur T in °C aufgetragen. Anhand der Darstellung in 2 wird deutlich, dass sich hier ein Magerbetriebsfeld 30 ergibt, das von einer unteren Temperaturschwelle T₁ und einer oberen Temperaturschwelle T₂ sowie einer unteren NO_X-Massenstromschwelle NO_X1 und einer oberen NO_X-Massenstromschwelle NO_X2 begrenzt ist. In einem Betriebspunkt 32 werden die Mindestspeicheranforderungen an den NO_X-Speicherkatalysator 12 nicht mehr erfüllt. Dieses Kriterium ist beispielsweise erfüllt, wenn die mit dem Gassensor 18 gemessene NO_X-Konzentration stromab des NO_X-Speicherkatalysators einen von der im NO_X-Speicherkatalysator 12 gespeicherten NO_X-Masse abhängigen Grenzwert übersteigt. Dieser Betriebspunkt 32 ist gekennzeichnet durch eine Speicherkatalysatortemperatur T₃₂ und einer NO_X-Massenstrom NO_X32. Dies bedeutet – übertragen auf das erfindungsgemäße Verfahren – dass Speicherkatalysatortemperaturen T > T₃₂ und NO_X-Massenströme > NO_X32 dazu führen, dass ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 16 nicht zugelassen wird. Hierdurch ergibt sich ein Betriebsfenster 34, in dem der Magerbetrieb nicht zugelassen ist. Wie in 2 verdeutlicht, ist das Betriebsfenster in Richtung der unteren Schwelltemperatur T₁ und des unteren NO_X-Massenstromschwellwertes NO_X1 geringfügig größer, so dass auch bei entsprechend geringfügig niedrigeren NO_X-Massenströmen und geringfügig niedrigeren Temperaturen T als im Betriespunkt 32 der Magerbetrieb nicht mehr zugelassen ist. Diese Vergrößerung des Betriebsfensters 34 beträgt beispielsweise T₃₂ – 5 K beziehungsweise NO_X32 – 0,5 mg NO_X/sec.
Ferner kann – wie 3 verdeutlicht – ein Magerbetriebsfenster 36 während des Fahrzeugeinsatzes gelernt werden. Hierbei wird ausgehend von einem Betriebspunkt 38, in dem die Mindestspeicheranforderung an den NO_X-Speicherkatalysator 12 erfüllt werden, die obere Temperaturschwelle T₂ auf die Temperaturschwelle T₃ angehoben. Definiert wird dieses zusätzliche Betriebsfenster 36 ferner durch den NO_X-Massenstrom NO_X3.
Wie 4 verdeutlicht, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Definition des Magerbetriebsfeldes 30 auch an der unteren Temperaturschwelle T₁ eingesetzt werden. Hierbei sollte die untere Temperaturschwelle T₁ wegen der trägeren Reaktionskinetik und des Risikos von Schadstoffdurchbrüchen bei der Regeneration bei sehr niedrigeren Temperaturen T und NO_X-Massenströmen NO_X auf eine nicht unterschreitbare harte Mindesttemperaturschwelle T_min begrenzt werden. Unter Beachtung dieser Mindesttemperaturschwelle T_min ist eine Temperaturschwelle als Grenze zwischen Hochtemperaturadaption und Tieftemperaturadaption festzulegen. Hochtemperaturadaption betrifft das Ausführungsbeispiel gemäß 3 während Tieftemperaturadaption das Ausführungsbeispiel gemäß 4 betrifft. Die Grenze kann hierbei bei zirka 320 bis 400°C, insbesondere 320 bis 340°C, liegen, wobei oberhalb dieses Schwellwertes die Maximaltemperatur T₃ heruntergelernt wird und unterhalb dieses Schwellwertes die Minimaltemperatur T_min heraufgelernt wird.
5 zeigt ein Magerbetriebsfeld 30, bei dem der Betriebspunkt 32, in dem die Mindestspeicheranforderungen an den NO_X-Speicherkatalysator 12 nicht mehr erfüllt werden, weiter im Inneren des Magerbetriebsfeldes 30 liegt. Auch hier erfolgt die Festlegung eines Betriebsfensters 34, in dem ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nicht zulässig ist. Das Betriebsfenster 34 ist hierbei entsprechend größer, das heißt über eine größere Temperaturdifferenz zwischen T₃₂ und T₂, und eine größere NO_X-Massenstromdifferenz, das heißt zwischen NO_X32 und NO_X2, ausgebildet. Diese Festlegung des größeren Betriebsfensters 34 macht Sinn, da angenommen werden kann, dass bei zwischen T₃₂ und T₂ liegenden Speicherkatalysatortemperaturen T und gleichem NO_X-Massenstrom NO_X32 beziehungsweise bei zwischen NO_X-Massenstrom NO_X32 und NO_X-Massenstrom NO_X2 liegenden NO_X-Massenstrom und gleicher Temperatur T₃₂ ebenfalls die Mindestspeicheranforderungen nicht erfüllt sind.
Zusätzlich kann – wie 6 verdeutlicht – in Betriebsfenstern 40 höhere NO_X-Massenströme und niedrigere Katalysatortemperaturen T sowie niedrigere NO_X-Massenströme NO_X und höhere Katalysatortemperaturen T mit unzureichenden Mindestspeicheranforderungen an den NO_X-Speicherkatalysator 12 gerechnet werden, so dass für diese Betriebsfenster 40 ebenfalls ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 16 ausgeschlossen wird.
Diese zusätzliche Sperre für den Magerbetrieb kann auch in den Tieftemperaturbereich ausgedehnt werden, wie ein Betriebsfenster 42 an der unteren Temperaturschwelle T₁ verdeutlicht.
Anhand der 7 bis 11 wird die Segmentierung des Magerbetriebfeldes 30 nochmals verdeutlicht. 7 zeigt, dass das Magerbetriebsfeld 30 in einzelne Segmente, hier rechteckige Segmente 44, unterteilt ist. Nach weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Form der Segmente 44 auch von einer Rechteckform abweichen, diese können beispielsweise dreieckförmig, trapezförmig, polygonal oder dergleichen sein.
Nachfolgend wird von rechteckförmigen Segmenten 44 ausgegangen. Hierbei sind die Segmente 44 vorzugsweise gleich groß und besitzen eine Kantenlänge (Temperaturfenster) von 5 bis 50 K, insbesondere von 15 bis 25 K. Die andere Kantenlänge (NO_X-Massenstromfenster) beträgt beispielsweise zwischen 0,25 und 5 mg NO_X/sec, insbesondere zwischen 0,9 und 2,1 mg NO_X/sec.
Durch Aufteilung des gesamten Magerbetriebsfeldes 30 in derartige Segmente 44 kann eine optimale Anpassung des Magerbetriebes der Verbrennungskraftmaschine 10 an das Speichervermögen des NO_X-Speicherkatalysators 12 in wenigen Adaptionsschritten erfolgen. 8 verdeutlicht hierzu, wie anhand eines Betriebspunktes 32, in dem die Mindestspeicheranforderungen nicht erfüllt wurden, als Segmente 44 als Betriebsfenster 34 aus dem Magerbetriebsfeld 30 herausgenommen wurden.
In einem nächsten Schritt, der in 9 verdeutlicht ist, werden zusätzlich anhand der Betriebspunkte 38, in denen die Mindestspeicheranforderung erfüllt wurde, die zusätzlichen Betriebsfenster 36 gelernt (vergleiche auch Erläuterung zu 3).
Zusätzlich kann anhand von Betriebspunkten 38' am oberen Schwellwert NO_X2 des NO_X-Massenstroms ein Hochlernen des Magerbetriebsfeldes 30 erfolgen, so dass weitere zusätzliche gelernte Betriebsfenster 36' für das Magerbetriebsfeld 30 zur Verfügung stehen. Hierdurch wird eine Erhöhung der Emissionssicherheit erreicht (10).
Schließlich kann in einem weiteren Schritt, wie 11 verdeutlicht, anhand an der unteren Temperaturschwelle liegender Betriebspunkte 38, in denen die Mindestspeicheranforderungen erfüllt sind, an die untere Temperaturschwelle T₁ angrenzende zusätzliche Betriebsfenster 36 gelernt werden, die durch die harte Mindesttemperaturschwelle T_mm in jedem Fall begrenzt sind.
Anhand der Erläuterungen wird deutlich, dass so ein optimiertes Magerbetriebsfeld 30 zur Steuerung der Brennkraftmaschine 16 im Magerbetrieb unter Berücksichtigung von Mindestspeicheranforderungen des NO_X-Speicherkatalysators 12 erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: NO_X-Speicherkatalysator
14: Abgaskanal
16: Brennkraftmaschine
18: Sensor
20: Sensor
22: Steuereinheit
24: Steuereinheit
30: Magerbetriebsfeld
32: Betriebspunkt
34: gesperrtes Betriebsfenster
36, 36': zulässiges, gelerntes Betriebsfenster
38, 38': Betriebspunkt
40: gesperrtes Betriebsfenster
42: gesperrtes Betriebsfenster
44: Segmente
T₁: untere Temperaturschwelle
T₂: obere Temperaturschwelle
T₃₂: Speicherkatalysatortemperatur
T_min: Mindesttemperaturschwelle
NO_X1: untere NO_X-Massenstromschwelle
NO_X2: obere NO_X-Massenstromschwelle
NO_X32: NO_X-Massenstrom
Bp nicht: Betriebspunkt, in dem die Mindestspeicheranforderungen nicht erfüllt werden
Bp ja: Betriebspunkt, in dem die Mindestspeicheranforderungen erfüllt werden
Bf heraus: herausgeschnittenes NO_X-Massenstrom/Temperatur-Betriebsfenster
Bf gelernt: zusätzlich gelerntes NO_X-Massenstrom/Temperatur-Betriebsfenster

Claims

Verfahren zur Steuerung einer wenigstens zeitweise im Magerbetrieb laufenden Brennkraftmaschine (16) in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters eines in einem Abgaskanal (14) angeordneten NO_X-Speicherkatalysators (12) und wenigstens eines Abgasparameters, unter Verwendung mindestens einer Mess- und Steuereinheit (22, 24) zum Ermitteln des wenigstens einen Betriebsparameters und des wenigstens einen Abgasparameters, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (16) entsprechend einem wenigstens zweidimensionalen Magerbetriebsfeld (30) gesteuert wird, welches durch vorgebbare Betriebspunkte definiert ist, die vorgebbare Mindestanforderungen für den wenigstens einen Betriebsparameter des NO_X-Speicherkatalysators (12) in Kombination mit dem wenigstens einen Abgasparameter umfassen, wobei das Magerbetriebsfeld (30) in wenigstens zweidimensionale Segmente (44) für den wenigstens einen Betriebsparameter des NO_X-Speicherkatalysators und des wenigstens einen Abgasparameters unterteilt wird, und lediglich die Segmente (34) für den Magerbetrieb gesperrt werden, bei denen im aufgespannten wenigstens zweidimensionalen Magerbetriebsfeld (30) wenigstens einer der Betriebspunkte den vorgebbaren Mindestanforderungen nicht genügt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasparameter der stromauf des NO_X-Speicherkatalysators (12) vorliegende NO_X-Massenstrom und der Betriebsparameter eine Temperatur im NO_X-Speicherkatalysator (12) ist, und dass das Magerbetriebsfeld (30) in Form eines NO_X-Massenstrom/Speicherkatalysatortemperatur-Diagramms erstellt wird und in Segmente (44) für den NO_X-Massenstrom und die Katalysatortemperatur unterteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (44) definierte Schrittweiten für die Temperatur und/oder für den NO_X-Massenstrom aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Temperaturschrittweiten mindestens 5 und höchstens 50 K betragen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Schrittweiten für den NO_X-Massenstrom mindestens 0,25 und höchstens 5 mg NO_X/s betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den für den Magerbetrieb gesperrten Segmenten (34), bei denen wenigstens einer der Betriebspunkte den Mindestanforderungen nicht genügt, auch Segmente (34) für den Magerbetrieb gesperrt werden, die geringfügig von diesem wenigstens einen ungenügenden Betriebspunkt abweichen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Segmente (34) zusätzlich gesperrt werden, deren Abweichungen von dem wenigstens einen ungenügenden Betriebspunkt maximal 0,5 mg NO_X/s und/oder maximal 5 K betragen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der katalysatorspezifisch günstigste Betriebsbereich bei vorgebbaren Initialisierungswerten im Fahrzeugbetrieb für Betriebspunkte, die die vorgebbaren Mindestanforderungen erfüllen, durch einen vorgebbaren Algorithmus adaptiert wird, wobei das Magerbetriebsfeld (30) über den jeweiligen oberen bzw. unteren vorgebbaren Schwellenwert für die Temperatur und den NO_X-Massenstrom in definierten Schrittweiten hinaus erweitert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgebbare Temperaturschwelle als Grenze zwischen Hoch- und Tieftemperaturadaption festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass in einem erlaubten Betriebspunkt die Speichertemperatur hoch und nahe am oberen Schwellwert liegt und der NO_X-Massenstrom mehrere definierte Segmente (44) unter dem vorgebbaren Schwellwert liegt, eine Adaption des Magerbetriebsfeldes (30) für die Temperaturgrenze über den oberen Schwellenwert hinaus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass in einem erlaubten Betriebspunkt der NO_X-Massenstromwert hoch und nahe dem oberen Schwellwert liegt und die Temperatur mehrere definierte Segmente (44) unter dem vorgebbaren Schwellwert liegt, eine Adaption des Magerbetriebsfeldes für die NO_X-Massenstromgrenze über den oberen Schwellenwert hinaus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass in einem erlaubten Betriebspunkt die Temperatur gering und nahe dem unteren Schwellwert liegt und der NO_X-Massenstrom ebenfalls gering ist, eine Adaption des Magerbetriebsfeldes für die Temperatur über den unteren Schwellwert hinaus erfolgt, jedoch höchstens bis zu einer nicht zu unterschreitenden vorgebbaren Mindesttemperaturschwelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der Adaption in Abhängigkeit von den Betriebspunkten, die die Mindestanforderungen erfüllen, vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter für den Katalysatorzustand zur Zulassung des Magerbetriebs kontinuierlich oder nach Ablauf einer durch eine vorgebbare Funktion festgelegten Zeitspanne erneut ermittelt und/oder berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Speichervermögens des NO_X-Speicherkatalysators (12) neben dem NO_X-Massenstrom und der Temperatur auch weitere Parameter der Magerbetriebszulassung einbezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Schwellwerte für das Magerbetriebsfeld (30), also die maximal zulässigen Werte für die Eingangsgrößen NO_X-Massenstrom und Katalysatortemperatur, in Abhängigkeit vom eingesetzten Material der Katalysatorbeschichtung gewählt werden.