-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren
nach dem Gegenstand der deutschen Patentanmeldung
DE 10228661.2 .
-
In der deutschen Patentanmeldung
DE 10228661.2 ist ein
Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
beschrieben, bei welchem von einem Steuergerät zur Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs
ein Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb vorgenommen wird, wenn
eine Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung einen vorgebbaren
ersten Grenzwert unterschreitet. Der Eingriff besteht in einer Nacheinspritzung
von Kraftstoff, wodurch erhitztes Abgas erzeugt wird. Damit kann
entweder verhindert werden, dass die Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung
unter den Temperaturbereich ihrer Wirksamkeit absinkt oder erreicht
werden, dass die Abgasreinigungseinrichtung rasch wieder in diesen
Temperaturbereich gelangt. Daneben sind weitere Verfahren, wie beispielsweise
eine einlassseitig oder auslassseitig der Brennkraftmaschine vorgenommene
Androsselung, bekannt, mit welchen einer Auskühlung der Abgasreinigungseinrichtung
begegnet werden kann. Die genannten Maßnahmen haben jedoch einen
Kraftstoffmehrverbrauch zur Folge.
-
Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber, ein
verbrauchsgünstiges
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit
dem sich eine verbesserte Wirksamkeit einer zugeordneten katalytisch
und/oder filtertechnisch wirksamen Abgasreinigungseinrichtung erreichen
lässt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass der Eingriff aus einer Auswahlliste, welche einem
Steuergerät
zur Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs zur Verfügung steht,
derart ausgewählt
wird, dass sich durch diesen Eingriff der kleinstmögliche Kraftstoffverbrauch
der Brennkraftmaschine und eine Erhöhung der Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung ergibt.
-
Unter einer katalytisch und/oder
filtertechnisch Abgasreinigungseinrichtung wird hier ein Bauteil
im Abgasstrang der Brennkraftmaschine verstanden, das für die katalytische
Umsetzung von Schadstoffen oder für Ausfilterung von Partikeln
aus dem Abgas vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise ein an einer
beliebigen Stelle im Abgasstrang angeordneter Abgaskatalysator sein.
Es kann sich jedoch auch um einen Partikelfilter handeln, welcher
zusätzlich
katalytisch beschichtet sein kann.
-
Der Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb
wird vorgenommen, wenn die Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung
einen vorgebbaren Grenzwert TG unterschreitet.
Unter einem Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb ist hier
jede Maßnahme
zu verstehen, welche einen Einfluss auf den aktuellen Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine besitzt. Je nach Ausführung der Brennkraftmaschine bzw.
des zugehörigen
Kraftfahrzeuges können
verschieden Maßnahmen
bzw. Eingriffsmöglichkeiten vorgesehen
sein. Hierzu gehören
beispielsweise Maßnahmen,
welche die Menge des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffs
und die Menge der zugeführten
Verbrennungsluft betreffen. Bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung
kann ein Eingriff in die Einspritzbedingungen erfolgen. Ferner können die
Zündbedingungen
oder die Gangwahl beeinflusst werden.
-
Werden Brennkraftmaschinen mit großen Zeitanteilen
im Niederlastbereich betrieben, resultiert daraus, insbesondere
bei Brennkraftmaschinen mit großem
mechanischen Wirkungsgrad, ein vergleichsweise kühles Abgas. Dies hat einen
geringen Wärmeeintrag
in die nachgeordnete Abgasreinigungseinrichtung zur Folge, weshalb
diese den Temperaturbereich der ihr zugedachten Wirksamkeit nicht
erreicht oder unterschreitet. Daraus resultiert eine Fehlfunktion
der Abgasreinigungseinrichtung und damit eine unzureichende Abgasreinigung.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann
beispielsweise verhindert werden, dass die Temperatur eines der
Abgasreinigungseinrichtung zugeordneten Abgaskatalysators unter
den Temperaturbereich seiner Wirksamkeit absinkt oder es kann erreicht
werden, dass dieser rasch wieder in diesen Temperaturbereich gelangt.
In analoger Weise kann verhindert werden, dass ein Partikelfilter
im Betriebszustand der thermischen Regeneration unter eine vorgebbare
Regenerationstemperatur absinkt. Gleichzeitig wird sichergestellt,
dass durch den hierzu vom Steuergerät vorgenommenen Eingriff in
den Brennkraftmaschinenbetrieb der Kraftstoffverbrauch nicht mehr
als unbedingt notwendig vergrößert wird.
-
In Ausgestaltung des Verfahrens wird
ein in der Auswahlliste vorgesehener Eingriff für eine Auswahl gesperrt, wenn
sich durch den Eingriff ein Ansteigen einer Schadstoffemission im
Abgas stromab der Abgasreinigungseinrichtung über einen vorgebbaren zweiten
Grenzwert UG ergibt. Hierdurch wird verhindert,
dass vom Steuergerät
ein Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb vorgenommen wird,
der zwar verbrauchsgünstig
wäre, jedoch
eine unzulässige
oder unerwünschte
Verschlechterung der Abgasqualität
zur Folge hätte.
Der zweite Grenzwert UG für die Schadstoffemission
wird vorzugsweise durch einen zeit- oder fahrsteckenbezogenen Massenwert für die Emission
eines Schadstoffes gebildet. Vorzugsweise werden als Schadstoffe Kohlenwasserstoffe
(HC), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Partikel (PM) berücksichtigt.
-
Beispielsweise kann eine Verminderung
der Abgasrückführrate im
Zusammenhang mit dem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
die aktuell verbrauchsgünstigste
Maßnahme
zum Zweck der Anhebung der Abgastemperatur darstellen. Falls jedoch
vom Steuergerät
festgestellt wird, dass mit diesem Eingriff die Partikelemission über einen
vorgebbaren Grenzwert von beispielsweise 0,05 g/km ansteigt, so
wird die Verminderung der Abgasrückführrate als
aktuell unzulässiger
Eingriff gesperrt, bzw. es wird die Verminderung der Abgasrückführrate über einen
im Hinblick auf die Partikelemission noch tolerierbaren Wert hinaus
gesperrt. Bei Vorliegen eines anderen Betriebspunktes kann der Eingriff
wieder freigegeben werden.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
bei Unterschreiten der Änderungsgeschwindigkeit
dTA/dt der Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung
unter einen dritten Grenzwert VG ein Eingriff aus
einer dem Steuergerät
zur Verfügung
stehenden Auswahlliste derart ausgewählt, dass sich durch diesen
Eingriff eine Erhöhung
der Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung
ergibt. Durch diese Maßnahme
wird eine vorausschauende Wirkung erzielt und beispielsweise eine
betriebsbedingt sonst rasch ablaufende Abkühlung der Abgasreinigungseinrichtung
vermieden. Das heißt,
dass die Dynamik der betriebsbedingten Temperaturänderungen
berücksichtigt
werden kann, wodurch eine Fehlfunktion der Abgasreinigungseinrichtung
vermieden werden kann, und eine verbesserte Abgasreinigung erzielt
wird. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen
kann eine rasche Auskühlung
der Abgasreinigungseinrichtung und damit ein kritischer Zustand
erkannt werden und entsprechend gegengesteuert werden. Erfindungsgemäß wird bei
Unterschreiten des geeignet vorzugebenden Grenzwerts VG nun
nicht mehr der verbrauchsgünstigste
Eingriff vorgenommen, sondern der Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb
wird nunmehr hauptsächlich
derart aus der Auswahlliste ausge wählt, dass sich möglichst
rasch eine Erhöhung
der Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung
ergibt.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
der erste Grenzwert TG für die Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung
in Abhängigkeit
vom Alterungszustand der Abgasreinigungseinrichtung festgelegt.
Mit dieser Maßnahme
wird die alterungsbedingte Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
der Abgasreinigungseinrichtung berücksichtigt. Diese macht sich
meist in einer Verschiebung des Temperaturbereichs der Wirksamkeit
zu höheren
Temperaturen bemerkbar. Durch die Anpassung des Grenzwerts TG wird erreicht, dass auch eine gealterte
Abgasreinigungseinrichtung wirksam betrieben wird. Umgekehrt kann
durch die erfindungsgemäße Maßnahme beispielsweise
ein relativ neuer und damit ungealterter Katalysator mit geringem
Temperaturabstand zu seiner noch niedrig liegenden Anspringtemperatur
betrieben werden. Da üblicherweise
von vornherein der Betrieb der Brennkraftmaschine im Steuergerät so programmiert
ist, dass sich auch noch bei gealtertem Katalysator ein ausreichender
Schadstoffumsatz ergibt, wird bei einem ungealterten Katalysator
die Brennkraftmaschine unnötigerweise
verbrauchsungünstig
betrieben. Durch erfindungsgemäße Berücksichtigung
des aktuellen Alterungszustands des Katalysators wird daher, insbesondere solange
der Katalysator gering gealtert ist, eine Verbrauchsverbesserung
erzielt. Über
die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges kann somit eine beträchtliche
Einsparung erreicht werden.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand
einer Zeichnung und zugehörigen
Beispielen näher
erläutert.
Die einzige Figur zeigt dabei ein schematisches Blockbild einer
Brennkraftmaschine mit zugehöriger
katalytischer Abgasreinigungseinrichtung.
-
Gemäß der Figur wird einer hier
beispielhaft vierzylindrig ausgeführten Brennkraftmaschine 1 Verbrennungsluft über eine
Ansaugluftleitung 2 zugeführt. Das abgegebene Abgas wird über eine
Abgasleitung 3 einer Abgasreinigungseinrichtung zugeführt.
-
Die Brennkraftmaschine wird hier
durch einen magerbetriebsfähigen
Ottomotor 1 mit Direkteinspritzung repräsentiert. Die Abgasreinigungseinrichtung
ist im dargestellten Beispiel als motornah angeordneter Oxidationskatalysator 4 ausgeführt. Dem Motor 1 ist
eine elektronische Steuer-/Regeleinrichtung 7 zugeordnet, welche
den gesamten Motorbetrieb steuert bzw. regelt. Die Steuer-/Regeleinrichtung
7 verfügt über die üblichen
Möglichkeiten
moderner Motorsteuergeräte
und weist hierfür
z.B. eine Recheneinheit, eine Speichereinheit und Ein-/Ausgabeeinheiten
auf. In der Speichereinheit sind beispielsweise Regelalgorithmen
zum geregelten Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasreinigungseinrichtung
oder Kennfelder zu deren gesteuerten Betrieb abgespeichert. Zur
Realisierung der Steuer-/Regelfunktionen
erhält
die Steuer-/Regeleinrichtung 7 eine Vielzahl von Signalen über entsprechende
Signalleitungen. Von diesen sind in der Figur nur die Signalleitungen 8 eingezeichnet,
mit welchen die Messwerte der vor bzw. hinter dem Katalysator 4 in
der Abgasleitung angeordneten Temperaturfühler 5, 6 der
Steuer-/Regeleinrichtung 7 zugeführt
werden. Die von der Steuer-/Regeleinrichtung 7 empfangenen Signale
werden ausgewertet und entsprechend den abgespeicherten Steuerungsfunktionen gegebenenfalls
in entsprechende Steuersignale umgesetzt. Dabei können beispielsweise
durch Korrekturen auch Kennfelder im Laufe des Betriebs an veränderte Bedingungen
angepasst werden. Zur Steuerung des Motorbetriebs, insbesondere
der Kraftstoffeinspritzung und weiterer den Motorbetrieb beeinflussende
peripheren Einheiten, wie Abgasrückführventil,
Kühlwassersteuerung
und dergleichen dienen die hier stellvertretend eingezeichneten
Steuerleitungen 9.
-
Weitere zum Betrieb des Motors 1 und
der gesamten Abgasreinigungsanlage eingesetzte Bauteile wie z.B.
Kraftstoffzufuhrleitungen, Lambdasonden in der Abgasleitung und
dergl. sind der Übersichtlichkeit
wegen nicht in die Figur mit aufgenommen. In der Abgasleitung 3 können natürlich zusätzlich zum
Oxidationskata-lysator 4 hier ebenfalls nicht dargestellte
weitere Komponenten zur Abgasreinigung angeordnet sein.
-
Für
das hier zur Diskussion stehende erfindungsgemäße Verfahren wertet die Steuer-/Regeleinrichtung
7 die vor und nach dem Katalysator 4 gemessenen Temperaturen
dahingehend aus, dass ein für
die Wirksamkeit des Katalysators maßgebender Temperaturwert, im
Folgenden als Katalysatortemperatur TA bezeichnet,
ermittelt wird. Dies kann beispielsweise über ein eingespeichertes Rechenmodell oder
kennfeldbasiert geschehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die
Katalysatortemperatur TA durch einen direkt
im Katalysator 4 eingebrachten Temperaturfühler oder
aus einem entsprechenden Modell aus den Motorbetriebsparametern
zu ermitteln. Die Steuer-/Regeleinrichtung 7 ermittelt ferner, vorzugsweise
laufend, die aktuelle Änderungsgeschwindigkeit
dTA/dt der Katalysatortemperatur. Somit
ist die Steuer-/Regeleinrichtung 7 in der Lage, die Entwicklung
der Katalysatortemperatur und deren Änderungsgeschwindigkeit zu
ermitteln. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Rechenergebnisse zu
verbessern, kann dabei zusätzlich
eine Signalkonditionierung, beispielsweise durch Tiefpassfilterung, vorgenommen
werden. Wird von der Steuer-/Regeleinrichtung 7 erkannt, dass die
Katalysatortemperatur TA einen vorgebbaren
Grenzwert TG unterschreitet, wird dies dahingehend
interpretiert, dass die Funktion des Katalysators vermindert ist
oder sich zu vermindern droht. Der vorgebbare Grenzwert TG wird vorzugsweise aus der für die Erreichung
eines Mindestschadstoffumsatzes notwendigen Katalysatortemperatur
abgeleitet. Bevorzugt orientiert sich der Mindestschadstoffumsatz
an vorgegebenen gesetzlichen Grenzwerten, welche in der Steuer-/Regeleinrichtung
7 gespeichert sind. Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass
die einprogrammierten Werte von aussen, beispielsweise über ein
Funksignal oder über
GPS, veränderbar
sind. Der vorgebbare Grenzwert TG kann jedoch
auch durch über
Sensoren im Abgasstrang gemessene Schadstoff-konzentrationen korrigiert
bzw. kalibriert und angepasst werden. Hierzu kann beispielsweise
eine in der Steuer-/Regeleinrichtung 7 abgespeicherte Kennlinie
für die
Abhängigkeit
des Schadstoffumsatzes von der Katalysatortemperatur laufend oder
gelegentlich überprüft und gegebenenfalls
entsprechend korrigiert werden.
-
Unterschreitet die Katalysatortemperatur
TA einen vorgebbaren Grenzwert TG, wird aus einem nachfolgend angegebenen
Katalog von beispielhaften Maßnahmen
diejenige Maßnahme
für einen
Eingriff in den Motorbetrieb ausgewählt, die die geringsten Verluste
von Motor 1 bzw. Triebstrang ergibt und eine Temperaturerhöhung des
Katalysators 4 bewirkt, bzw. dessen weitere Abkühlung verhindert.
Es wird also vom Steuergerät
der durchzuführende
Eingriff durch Auswertung von beispielsweise in Form von Kennfeldern
vorliegenden Daten so ausgewählt, dass
sich eine Erhöhung
der Temperatur des Katalysators 4 bei gleichzeitig kleinstmöglichem
Kraftstoffverbrauch ergibt. Im Folgenden wird eine Reihe von Maßnahmen
für einen
Eingriff in. den Motorbetrieb angegeben.
-
Eingriffe zur Temperaturerhöhung des
Katalysators 4 können
sein:
- – Beeinflussung
einer Abgasrückführmenge,
vorzugsweise Verminderung der Abgasrückführmenge, beispielsweise durch
Betätigung
eines Abgasrückführventils,
- – Betätigung,
vorzugsweise Schließen
einer Drosselklappe in der Ansaugluftleitung 2 oder der
Abgasleitung 3,
- – Beeinflussung,
vorzugsweise Verminderung, des Ladedrucks eines Abgasturboladers,
- – Verstellung
des Einspritzzeitpunktes bzw. des Zündzeitpunktes, vorzugsweise
zu späteren
Zeitpunkten,
- – Durchführung einer
Kraftstoffnacheinspritzung,
- – Verhinderung
einer Schubabschaltung,
- – Gemischanfettung
mit anschließender
Nachverbrennung im Abgaskrümmer,
- – Verminderung
der Gemischabmagerung bei magerem Betrieb des Motors 1,
- – Veränderung
des Schaltprogramms eines automatischen Schaltgetriebes,
- – Direkteingriff
in die Gangwahl, vorzugsweise Auswahl einer niedrigeren Fahrstufe,
bei einem automatischen Schaltgetriebe,
- – Betätigung,
vorzugsweise Schließen
einer Kühlerjalousie
eines Fahrzeugkühlers,
- – Veränderung,
vorzugsweise Erhöhung
der Regeltemperatur des Kühlmittelthermostaten.
-
Es versteht sich, dass die Auswahl
eines Eingriffs aus der angegebenen Liste beispielhafter Maßnahmen
von der Bauart des Motors 1, dem Triebstrang und von der Art des
zugehörigen
Fahrzeugs, wie beispielsweise von der Fahrzeugmasse abhängt. Es
versteht sich ferner, dass die Auswahl eines Eingriffs aus der angegebenen
Liste beispielhafter Maßnahmen
von der Art des zu beeinflussenden Katalysators bzw. dessen Einbaulage
abhängt.
-
Die Auswahl kann ferner unter dem
Gesichtspunkt der resultierenden Schadstoffemission getroffen werden.
Vorzugsweise wird der Eingriff so ausgewählt, dass die Erhöhung der
Emission eines Schadstoffes wie HC, NOx, CO oder Partikel über einen
vorgebbaren Grenzwert hinaus vermieden wird. Es ist jedoch auch
möglich,
eine vorgebbare Verschlechterung der Schadstoffemission zumindest vorrübergehend
zuzulassen, um eine Erhöhung
der Temperatur des Katalysators 4 zu erreichen. Der Grad
der zulässigen
Verschlechterung kann hierbei noch zusätzlich durch verschiedene Parameter,
wie dem Abgasmassendurchsatz bewertet werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich in
der Weise weitergebildet werden, dass zur Vermeidung einer plötzlichen
betriebsbedingten Unterkühlung
des Katalysators 4, wie beispielsweise bei einem Schiebebetrieb
auf einer Gefällstrecke,
zusätzlich
zu einem kraftstoffverbrauchsoptimierten Eingriff ein weiterer Eingriff
in den Motorbetrieb vorgenommen wird. Ein solcher zusätzlicher
Eingriff zur Erhöhung
der Temperatur des Katalysators bzw. zur Verhinderung seiner Auskühlung wird
in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit
von der Abkühlgeschwindigkeit
des Katalysators 4, in Abhängigkeit von der Temperatur
TA des Katalysators 4, dem Abgasenthalpiestrom
oder von weiteren Parametern durchgeführt.
-
Vorzugsweise wird auch der Alterungszustand
des Katalysators 4 mit berücksichtigt, der nach bekannten
Verfahren laufend oder gelegentlich erfasst wird. Bei gealtertem
Katalysator 4 wird der Grenzwert TG für die Temperatur
TA der Abgasreinigungseinrichtung erhöht, ab welchem
ein Eingriff in den Motorbetrieb vorgenommen wird. Die Anpassung
des Grenzwert TG geschieht vorzugsweise
in Abhängigkeit
vom Ausmaß der
Katalysatoralterung.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird demnach von der Steuer-/Regeleinrichtung 7 ein Optimierungsproblem
gelöst,
bei welchem bei Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwerts TG für die
Temperatur TA der Abgasreinigungseinrichtung aus
einem zur Verfügung
stehenden Katalog von Eingriffsmöglichkeiten
in den Motorbetrieb zur Anhebung der Temperatur TA der
Abgasreinigungseinrichtung der Eingriff ausgewählt wird, der den günstigsten
Kraftstoffverbrauch des Motors 1 zur Folge hat. Dabei wird
das Optimierungsproblem vorzugsweise unter gleichzeitiger Berücksichtigung
verschiedener Randbedingungen, beispielsweise für den Schadstoffausstoß, gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise
bei betriebswarmem Motor 1 angewendet, es lässt sich
jedoch auch in der Warmlaufphase und im Übergangsbereich sowie in der
Regenerationsphase eines Partikelfilters einsetzen.