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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 7. Solche Gegenstände sind jeweils aus der
DE 101 08 720 A1 bekannt.
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Bei der Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Abgasnachbehandlungskomponenten wie Katalysatoren und Filter in den Abgasstrang eingebracht, die unerwünschte Bestandteile des Abgases wie zum Beispiel limitierte und nicht limitierte Schadstoffe konvertieren oder vorübergehend speichern. Beispiele von Katalysatoren sind Oxidationskatalysatoren oder SCR-Katalysatoren (SCR = selective catalytic reduction). Beispiele von speichernden Abgasnachbehandlungskomponenten sind Partikelfilter und Speicherkatalysatoren.
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Filter und Speicherkatalysatoren werden periodisch durch einen sogenannten Regenerationsbetrieb regeneriert, bei dem die eingespeicherte Menge an zurückgehaltenem Material in erwünschte Bestandteile des Abgases umgewandelt wird.
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Beispiele sind die Partikelfilterregeneration oder die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators. Zuweilen speichern Abgasnachbehandlungskomponenten neben den gewollt zu speichernden Abgasbestandteilen auch Abgasbestandteile ein, deren Speicherung nicht erwünscht ist. So kann beispielsweise ein zeolithischer Keramikträger wie beispielsweise ein SCR-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator, größere Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen einspeichern. Auch in diesen Fällen kann es dann vorteilhaft sein, diese Bestandteile durch einen sogenannten Regenerationsbetrieb wieder aus der Komponente zu entfernen, um einer „Vergiftung“ der Komponente vorzubeugen. Ein weiteres Beispiel einer unerwünschten Einspeicherung stellt die Speicherung von Schwefel in einen NOx-Speicherkatalysator dar, der dann periodisch entschwefelt werden muss.
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Ein solcher Regenerationsbetrieb erfolgt typischerweise bei einer erhöhten Abgastemperatur, um die chemischen Prozesse, die zur Austragung oder Konvertierung des eingespeicherten Materials führen, zu ermöglichen. Das gilt gleichermaßen für eine Entschwefelung eines Speicherkatalysators wie für eine Partikelfilterregeneration.
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Bei Verbrennungsmotoren, die in nicht-stationärem Betrieb eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, ist es bei einer solchen Temperaturerhöhung besonders schwierig, die Temperatur, mit der der Abgasmassenstrom in die Abgasnachbehandlungskomponente eintritt, konstant innerhalb eines erwünschten Bereiches zu halten. Besonders kritisch ist dabei, dass solche Komponenten zumeist unterhalb einer Maximaltemperatur gehalten werden müssen, um irreversible Schädigungen der Komponente zu vermeiden.
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Das Vermeiden solcher irreversiblen Schädigungen ist umso schwieriger, je dichter der chemische Prozess an dieser Maximaltemperatur geführt werden muss, um die gewünschten Reaktionen zu aktivieren.
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Eine zusätzliche Schwierigkeit tritt auf, wenn der Regenerationsbetrieb mit einer exothermen Reaktion auf der Abgasnachbehandlungs-Komponente verbunden ist. Hierzu kann einerseits die chemische Reaktion des gespeicherten Materials bei dessen Konvertierung, andererseits aber auch die chemische Reaktion von Abgaskomponenten des Verbrennungsmotors im Regenerationsbetrieb beitragen. Ein typisches Beispiel für die chemische Reaktion des gespeicherten Materials ist der Rußabbrand auf einem Partikelfilter. Ein typisches Beispiel für eine chemische Reaktion einer Abgaskomponente ist die Reaktion von unverbrannten Kohlenwasserstoffen an einem Oxidationskatalysator im Heizbetrieb.
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Die eingangs genannte
DE 101 08 720 A1 zeigt ein Abgassystem mit einem Partikelfilter als Abgasbestandteile temporär speichernde und regenerierbare Abgasnachbehandlungskomponente. Um eine überkritische Erwärmung des Partikelfilters bei einer Regeneration zu verhindern, erfolgt eine Berechnung einer Größe TF, die einer Temperatur entspricht, die durch eine bei der Regeneration ablaufende Oxidation der gespeicherten Rußpartikel erreicht werden kann. Diese Größe TF wird in der
DE 101 08 720 A1 auch als erwartete Temperatur bezeichnet und mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn die erwartete Temperatur den Schwellenwert überschreitet, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases durch Eingriffe auf eine Steuerung des Verbrennungsmotors beschränkt, um einen Anstieg der Temperatur des Partikelfilters auf überkritische Werte zu verhindern.
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Die
DE 101 08 720 A1 zeigt damit insbesondere ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, der ein Abgassystem mit einer Abgasbestandteile temporär speichernden und regenerierbaren Abgasnachbehandlungskomponente aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Merkmale aufweist: Es wird ein Erwartungswert für eine Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg gebildet, der sich als Folge exothermer Reaktionen während der Zeitdauer einer zur Regeneration eingestellten Betriebsart des Verbrennungsmotors einstellt. Der Erwartungswert wird mit einem oberen Schwellenwert verglichen, und die Steuerung des Verbrennungsmotors wird bei einem Überschreiten des Schwellenwertes so verändert, dass ein unter Berücksichtigung der veränderten Steuerung gebildeter Erwartungswert den Schwellenwert nicht überschreitet.
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Sowohl bei der Erfindung als auch beim Stand der Technik nach der
DE 101 08 720 A1 wird ein Abstand der aktuellen Temperatur zu einer maximal zulässigen Temperatur mit einem vorhersehbaren Temperaturanstieg verglichen, der sich aus der exotherm verlaufenden Regeneration ergibt. Wenn der Temperaturanstieg kleiner als der genannte Abstand ist, kann die Regeneration unverändert ablaufen. Ist der Temperaturanstieg größer als der Abstand, wird der Temperaturanstieg durch Eingriffe auf die Steuerung des Verbrennungsmotors gebremst.
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Zudem betrifft die
DE 10 2009 014 459 A1 ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Oxidationskatalysator stromaufwärts einer Abgasreinigungsvorrichtung in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine und einem Abgasbrennstoffventil, das zur Zufuhr von zusätzlichem Brennstoff in den Abgaskanal vorgesehen ist, so dass die Abgastemperatur durch die Oxidationsreaktion des zusätzlichen Brennstoffs in dem Oxidationskatalysator angehoben wird. Zudem beischreibt die
DE 10 2009 014 459 A1 eine Steuervorrichtung und ein Steuerverfahren für das Abgasreinigungssystem.
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Offenbarung der Erfindung
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Von dem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung jeweils durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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In Bezug auf die Verfahrensaspekte sieht die Erfindung demnach vor, dass bei der Bildung des Erwartungswertes eine Änderungsrichtung einer aktuellen Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente berücksichtigt wird.
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Durch diese Ausgestaltung wird der aktuelle Änderungstrend der Bauteiltemperatur berücksichtigt, der nicht von exothermen Reaktionen beeinflusst ist und der den Abstand zur Maximaltemperatur je nach seinem Vorzeichen entweder vergrößert oder verkleinert. Die Temperatur kann die Eingangstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente sein. Eine bei laufender Regeneration sinkende Eingangstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente bedeutet, dass der Abgasmassenstrom kühlend wirkt. Eine steigende Eingangstemperatur bedeutet dagegen, dass der Abgasmassenstrom aufheizend wirkt.
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Die Temperatur kann eine Temperatur innerhalb der Abgasnachbehandlungskomponente sein. Durch vorangegangene instationäre Betriebszustände kann die aktuelle Temperatur von einem Gleichgewichtswert abweichen, der sich als Folge ausgleichend wirkender Wärmeleitungs- und Konvektionsvorgänge bei einem längeren Andauern des aktuellen Betriebszustandes einstellen würde. Dabei kann sich die aktuelle Temperatur von dem Gleichgewichtswert entfernen oder sich dem Gleichgewichtswert nähern. Für eine Berücksichtigung dieses Effektes wird unterstellt, dass die Richtung dieses Temperaturänderungseffektes, der aus der Vorgeschichte des aktuellen Betriebspunktes resultiert, noch für eine gewisse Zeit beibehalten wird. Dadurch wird berücksichtigt dass die Vorgeschichte dem zukünftigen Temperaturverlauf einen Offset einprägt, der den Abstand zum Schwellenwert vergrößert oder verkleinert.
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Durch die Berücksichtigung dieses Offsets und/oder der kühlenden oder aufheizenden Wirkung wird die Zuverlässigkeit, mit der eine Schwellenwertüberschreitung vermieden werden kann, gesteigert, ohne dafür unerwünscht große Sicherheitsabstände von der Schwellenwerttemperatur einhalten zu müssen. Solche Sicherheitsabstände würden sonst die Häufigkeit eines Nicht-Auslösens einer Regeneration erhöhen und/oder häufiger zu einem vorzeitigen Abbruch von Regenerationen führen, was die Abgasnachbehandlungsqualität insgesamt sinken lassen würde.
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Der Erwartungswert wird zusätzlich in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg gebildet, der sich nach einem Wechsel von der zur Regeneration eingestellten Betriebsart in eine andere Betriebsart als Folge exothermer Reaktionen einstellt.
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Diese Ausgestaltung erlaubt eine Berücksichtigung exothermer Speichereffekte. Wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, lassen sich dadurch Effekte exothermer Reaktionen reduzierend wirkender Anteile am aktuellen Abgasmassenstrom und oder am Speicherinhalt der Abgasnachbehandlungskomponente berücksichtigen.
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In Verbindung mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 erlaubt diese Ausgestaltung eine vergleichsweise genaue Vorausschätzung einer erst nach der Regeneration in Erscheinung tretenden Auswirkung der Regeneration auf die Temperatur.
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Dabei trägt die Ausgestaltung einem anderen Effekt Rechnung als der Gegenstand des Anspruchs 1. Der Gegenstand des Anspruchs 1 führt bereits zu einer Verbesserung der Prozessführung bei Regenerationsprozessen, indem unerwünschte Temperaturspitzen, die aus exothermen Regenerationen resultieren, vermieden werden. Dabei ist vorteilhaft, dass dieser Erfolg des Vermeidens der Temperaturspitzen eintritt, ohne dass dafür unerwünscht große Ausreißer der Temperatur nach unten in Kauf genommen werden müssen.
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Die genannte Ausgestaltung und die weiter unten noch zu nennenden Ausgestaltungen verbessern diesen Vorteil weiter und erlauben daher eine dicht an einer oberen Schwellenwerttemperatur erfolgende Regeneration einer Abgasnachbehandlungskomponente auch beim Auftreten exothermer Reaktionen und auch im instationären Betrieb.
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Durch die mit einer verbesserten Genauigkeit erfolgende Vorhersage der zu erwartenden Maximaltemperatur kann eine Freigabe des Regenerationsbetriebs genau dann durchgeführt werden, wenn zu erwarten ist, dass die Regeneration ohne thermische Schädigung der Komponente zu Ende gebracht werden kann.
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Ist die Regeneration nach einer Freigabe bereits eingeleitet worden, erlaubt eine Ausgestaltung eine Bilanzierung aller Beiträge, die während des Regenerationsbetriebs oder zumindest in zeitlicher Verbindung zu einem Regenerationsbetrieb zu einer Temperaturänderung führen. Dadurch kann die nach Beendigung des Regenerationsbetriebs maximal zu erwartende Temperatur berechnet werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass die kritische Temperatur erreicht oder überschritten wird, stark verringert.
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Insgesamt kann durch die beschriebene Steuerung der Regenerationsbetrieb näher an der kritischen Maximaltemperatur und dadurch effizienter betrieben werden. Ein unnötiges Freigeben des Regenerationsbetriebs, der dann aus Gründen einer zu hohen Temperatur beendet werden muss, bevor er zu einer ausreichenden Regeneration geführt hat, wird dagegen vermieden. Eine unnötig frühe Beendigung des Regenerationsbetriebs kann ebenfalls vermieden werden. Die beschriebene Steuerung trägt bei der Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren in laufenden Projekten zu einer deutlichen Verbesserung der Betriebssicherheit bei. Durch eine verbesserte Stabilität der Abgasreinigungsfähigkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten lassen sich auch anspruchsvollere Forderungen der Abgas-Gesetzgebung erfüllen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, 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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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 das technische Umfeld der Erfindung;
- 2 einen Verlauf einer Temperatur eines NOx-Speicherkatalysators während einer Entschwefelung;
- 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine bereits laufende Regeneration betrifft; und
- 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Abschätzung für eine geplante, aber noch nicht ausgelöste Regeneration betrifft.
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgassystem 12, einer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors erfassenden Sensorik 14, einer Anordnung 16 von Stellgliedern zur Beeinflussung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 und einem Steuergerät 18. Das Abgassystem 12 weist in der dargestellten Ausgestaltung einen Oxidationskatalysator 20, einen NOx-Speicherkatalysator 22 sowie jeweils einen zwischen dem Oxidationskatalysator 20 und dem NOx-Speicherkatalysator 22 angeordneten Temperatursensor 24 und Abgassensor 26 auf.
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Das Steuergerät 18 ist dazu eingerichtet, die von der Sensorik 14 und den Sensoren 24 und 26 erfassten Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors 10 zu verarbeiten und dabei Stellgrößen zum Ansteuern der Anordnung 16 von Stellgliedern des Verbrennungsmotors 10 zu bilden und auszugeben.
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Im Übrigen ist das Steuergerät 18 dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere seiner Ausgestaltungen auszuführen, wobei unter einer Ausführung die Steuerung des Verfahrensablaufs verstanden wird.
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Zu den von der Sensorik erfassten Betriebskenngrößen gehören zum Beispiel Werte der Drehzahl und der Last des Verbrennungsmotors, wobei die Last zum Beispiel von einer Drehmomentanforderung durch einen Fahrer abhängt, und die Signale des Temperatursensors 24 und des Abgassensors 26, der in einer Ausgestaltung ein sauerstoffempfindlicher Sensor mit einer Breitbandcharakteristik ist, die eine Einregelung verschiedener Lambdawerte erlaubt.
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Zu den Stellgrößen gehören insbesondere Größen zur Beeinflussung der Masse und/oder Zusammensetzung von Brennraumfüllungen des Verbrennungsmotors 10, also insbesondere Kraftstoffmengenstellgrößen wie Einspritzimpulsbreiten, und Luftmengenstellgrößen wie Signale zur Beeinflussung einer Androsselung und/oder eines Ladedruckes und/oder einer Abgasrückführung.
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Beim lediglich an Drehmomentforderungen orientierten Betrieb des Verbrennungsmotors schwankt die Abgastemperatur bei einem Dieselmotor zum Beispiel zwischen 150° C im Leerlauf-nahen Teillastbereich bei kleinen Drehzahlen und Werten knapp über 600° C, die nur im Vollastbereich bei hohen Drehzahlen erreicht werden.
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Um zum Beispiel eine kontrollierte Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 22 durchzuführen, muss seine Temperatur mehrere Minuten lang im Bereich oberhalb von 600°C gehalten werden, wobei eine Entschwefelung zusätzlich eine reduzierende Abgasatmosphäre voraussetzt.
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2 zeigt den Verlauf der Temperatur eines platinhaltigen NOx-Speicherkatalysators 22 bei einer zum Zweck des Entschwefelns durchgeführten Regeneration über der Zeit t. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Beispiel ein Dieselmotor. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 abwechselnd in einer ersten Betriebsart BA1 und in einer zweiten Betriebsart BA2 betrieben. Bei der ersten Betriebsart handelt es sich um einen mageren Heizbetrieb, der mit Luftzahlen Lambda größer 1 erfolgt und der zur Erhöhung der Katalysatortemperatur dient. Dieser Heizbetrieb wird in einer Ausgestaltung durch eine gewollt herbeigeführte Erhöhung der Abgastemperatur realisiert. Die Erhöhung der Abgastemperatur wird zum Beispiel durch eine Spätverschiebung der Einspritzung erzielt, was den Wirkungsgrad verschlechtert und damit zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt. Bei der zweiten Betriebsart handelt es sich um einen Fettbetrieb, unter dem hier ein Betrieb mit reduzierender Abgasatmosphäre bei Luftzahlen Lambda kleiner 1 verstanden wird. Die reduzierende Abgasatmosphäre wird zum Beispiel durch eine späte Nacheinspritzung, deren Kraftstoffmasse im Brennraum nicht mehr vollständig umgesetzt wird, erzeugt. Dabei beträgt der CO Gehalt im Abgas zum Beispiel 2% bis 3% bei einem Restsauerstoffgehalt im Abgas von zum Beispiel 0,5%.
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Man sieht drei BA2-Phasen und in enger zeitlicher Nähe zu den drei BA2-Phasen drei Temperaturpulse 28, 30, 32, die aus einem Basistemperaturniveau von ca. 630 °C bis 635 °C aufragen. Das Basistemperaturniveau wird durch den Betrieb in den BA1-Phasen gehalten. Die erlaubte Maximaltemperatur Tmax beträgt in diesem Beispiel 700°C.
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Da der Speicherkatalysator in BA1-Phasen Sauerstoff einspeichert und das Abgas in den BA2-Phasen ebenfalls Restsauerstoff enthält, findet während dieser letztgenannten BA2-Betriebsart eine exotherme Umsetzung von eingespeichertem Sauerstoff und/oder von Restsauerstoff im Abgas mit reduzierenden Abgasbestandteilen wie unverbranntem Kraftstoff, H2 und/oder CO statt. Die daraus resultierende Temperaturerhöhung tritt jeweils während der Betriebsart BA2 und vorübergehend nach der Umschaltung in die BA1-Betriebsart auf. Das Ausmaß der Temperaturerhöhung beträgt im dargestellten Beispiel insgesamt bis zu ca. 60°C und führt die Temperatur des Speicherkatalysators 22 sehr dicht an dessen erlaubte Maximaltemperatur von 700°C heran. Eine Überschreitung dieser Temperatur würde die Alterung des Katalysators 22 in unerwünschter Weise beschleunigen.
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Man kann jeden Temperaturpuls in drei Abschnitte unterteilen. Ein erster Abschnitt korreliert mit der Länge der Fettbetriebspulse, also mit der Zeitdauer, in der der Verbrennungsmotor 10 jeweils in der Betriebsart BA2 betrieben wird und zeichnet sich durch einen näherungsweise linearen Anstieg aus, der mit einer ersten, vergleichsweise flachen Steigung erfolgt. Daran schließt sich ein zweiter Abschnitt an, in dem die Temperatur zunächst mit anfänglich vergleichsweise größerer Steigung weiter ansteigt, um dann mit allmählich abnehmender Steigung einen Maximalwert zu erreichen. Der zweite Abschnitt beginnt jeweils mit dem Knick im Temperaturverlauf, der den Übergang von der ersten flachen Steigung auf die zweite, vergleichsweise steilere Steigung markiert, und endet jeweils im lokalen Maximum. Ein Vergleich der drei Temperaturpulse zeigt, dass der Temperaturbeitrag des zweiten Abschnitts jeweils etwa konstante 25° C bis 30° C ausmacht, während die Temperaturbeiträge der ersten Abschnitte proportional zur Länge der ersten Abschnitte sind. An jedes Maximum schließt sich jeweils ein dritter Abschnitt an, in dem die Temperatur etwa wieder auf das Basistemperaturniveau zurückfällt.
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Das Verhalten der Temperatur im ersten Abschnitt, also während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 in der auch als Fettbetrieb bezeichneten zweiten Betriebsart BA2, wird jeweils durch exotherme Reaktionen reduzierender Abgasbestandteile wie CO mit Restsauerstoff im Abgas und Sauerstoff aus Speicherplätzen des Speicherkatalysators 22 dominiert.
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Im zweiten Abschnitt, in dem wieder Sauerstoffüberschuss im Abgas herrscht, werden die Sauerstoffspeicherplätze des Speicherkatalysators 22 wieder mit Sauerstoff belegt. Dieser Vorgang verläuft ebenfalls stark exotherm. Bei der exotherm verlaufenden Auffüllung der konstant großen Sauerstoffspeicherkapazität des Speicherkatalysators 22 ergibt sich der nahezu konstante Temperaturoffset.
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Im dritten Abschnitt finden keine exothermen Prozesse mehr statt und die Temperatur fällt wieder auf einen durch exotherme Einflüsse nicht beeinflussten Gleichgewichtswert zurück.
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Während der Fettbetriebsphase BA2 findet die erwünschte Regeneration des Speicherkatalysators 22 in einer reduzierenden Abgasatmosphäre statt.
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Ähnliche kurze Phasen mit reduzierender Abgasatmosphäre und dem daraus resultierenden Temperaturverlauf ergeben sich zum Beispiel auch durch kurze Beschleunigungsvorgänge. Der Abstand der momentanen Temperatur des Speicherkatalysators 22 von seiner maximal zulässigen Temperatur kann daher vergleichsweise groß oder vergleichsweise klein sein. Er ist z.B. in der Nähe des Maximums eines Pulses 28, 30, 32 klein. Der erste Puls 28 könnte z.B. durch einen Beschleunigungsvorgang hervorgerufen werden. Wenn dann zum Zeitpunkt t°=°850°s ein Regenerationspuls ausgelöst werden würde, der dem zweiten Temperaturpuls 30 entspricht, würde dies offensichtlich zu einem unzulässig hohen Temperaturanstieg führen, da der 50 °C - Anstieg des zweiten Pulses 30 in Verbindung mit der zum Zeitpunkt t = 850 s herrschenden Basistemperatur von ca. 660 °C zu einer Spitzentemperatur von ca. 710 °C und damit zu einer oberhalb des maximal zulässigen Wertes von 700 °C liegenden Bauteiltemperatur führen würde.
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Die Höhe der Temperaturspitzen steigt mit steigender Dauer der Fettbetriebsphasen BA2 an. Dies ist aus der 2 unmittelbar ersichtlich. Daher wäre es vorteilhaft, die erst nach dem Fettbetrieb messbare Folge des Fettbetriebs durch eine Modellvorhersage abzuschätzen und rechtzeitig vor der voraussichtlichen Überschreitung der Maximaltemperatur wieder in den unkritischen Heizbetrieb zurückzuschalten. Vorteilhaft wäre es auch, nur dann in den Regenerationsbetrieb zu wechseln, wenn die zu erwartende Dauer der Aufrechterhaltung dieses Betriebs genügend lang ist, um die erwünschte Umsetzung des gespeicherten Materials zu gewährleisten, ohne zu dicht an die kritische Maximaltemperatur heranzufahren.
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Im Folgenden wird unter Bezug auf die Funktionsblockdarstellung der 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall einer bereits ausgelösten Regeneration erläutert. Die Blöcke entsprechen dabei jeweils Software- und/oder Hardwarestrukturen des erfindungsgemäß eingerichteten Steuergeräts 18 und offenbaren damit sowohl Verfahrensaspekte als auch Vorrichtungsaspekte.
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Durch das in der Figur, 3 dargestellte Ausführungsbeispiel wird die zu erwartende Maximaltemperatur in dem Speicherkatalysator während eines laufenden Regenerationsbetriebs berechnet.
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In einem Block 34 wird die zum Zeitpunkt des Auslösens einer Regeneration herrschende Temperatur des Speicherkatalysators 22 ermittelt. Die Temperatur der Komponente wird an einer Stelle erfasst oder für eine Stelle modelliert, an der die Wirkung exothermer Reaktionen möglichst vollständig abgeschlossen ist, d.h. am Katalysator-Ende. Dieser Wert wird zu Beginn des Regenerationsbetriebs als Starttemperatur festgehalten. In einer Ausgestaltung wird die Modellierung durch einen Vergleich mit dem Signal des Temperatursensors 24 abgeglichen, so dass das Modell nur noch den Einfluss von innerhalb des Katalysators ablaufenden Prozessen nachbilden muss. Diese Temperatur bildet den Basiswert für die Erwartungswertbildung.
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Zu diesem Basiswert wird die während des Regenerationsbetriebs durch exotherme Reaktionen hervorgerufene Temperaturerhöhung fortlaufend addiert. Dazu wird im Block 36 während der andauernden Regeneration fortlaufend das Integral des Temperaturanstiegs gebildet, der durch während der Regeneration ablaufende exotherme Reaktionen verursacht wird. Bei der Berechnung wird die durch exotherme Reaktionen während des Regenerationsbetriebs freigesetzte Wärmemenge modelliert und die sich daraus ergebende Temperaturänderung aufintegriert. Dies ist insbesondere bei Umschaltungen in den Regenerationsbetrieb BA2 mit ausreichender Genauigkeit möglich, die im Vergleich zur thermischen Trägheit des Katalysators nur für kurze Zeiten erforderlich sind. Für die Modellierung und Integration greift das Steuergerät 18 in einer bevorzugten Ausgestaltung auf gespeicherte Daten zurück, die den Anteil reduzierender Abgasbestandteile in der Betriebsart BA2 betriebsparameterabhängig abbilden. Der Anteil oxidierender Abgasbestandteile ergibt sich aus dem Signal des Abgassensors 26. In der Verknüpfung 38 wird der jeweils aktuelle Wert des Temperaturanstiegs zu dem Basiswert addiert.
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Zusätzlich wird die beschriebene Temperaturänderung addiert, die nach der Rückkehr von der Betriebsart BA2 in die Betriebsart BA1 auftritt. Im Block 40 wird der durch Speichereffekte nach einer Rückkehr von der Betriebsart BA2 in die Betriebsart BA1 zu erwartende Temperaturoffset modelliert. Wie bereits ausgeführt wurde, handelt es sich dabei um einen von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen und damit im wesentlichen konstanten Offset. Dieser Offset wird in der Verknüpfung 42 addiert.
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Temperaturänderungen durch Veränderungen des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors werden berücksichtigt, indem die gemessene oder modellierte Eingangstemperatur in die Komponente bei Beginn des Regenerationsbetriebs festgehalten wird. Änderungen der Eingangstemperatur gegenüber diesem Wert werden als weiterer Beitrag addiert, um konvektive Einflüsse zu berücksichtigen. Die Eingangstemperatur entspricht dabei dem vom Temperatursensor 24 erfassten Wert. Zur Berücksichtigung dieser Temperaturänderungen findet im Block 44 eine Modellierung kühlender oder aufheizender Effekte des Abgasmassenstroms durch den Speicherkatalysator 22 statt. Dazu wird fortlaufend eine Differenz aus der aktuellen Eingangstemperatur und der im Block 34 gespeicherten Eingangstemperatur zum Zeitpunkt des Beginns der Regeneration durch den Wechsel in die Betriebsart BA2 gebildet. Eine mit der Zeit sinkende Eingangstemperatur signalisiert einen kühlenden Effekt des Abgasmassenstroms, während eine mit der Zeit steigende Temperatur einen aufheizenden Effekt signalisiert. Im Block 44 wird ein diesen Effekt jeweils berücksichtigender Korrekturbeitrag gebildet und im Block 46 wird dieser Korrekturbeitrag mit den übrigen Temperaturbeiträgen additiv verknüpft.
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Der am Ausgang der Verknüpfung 46 resultierende Wert der Temperatur ist ein Erwartungswert, der sich aus dem bisherigen Temperaturverlauf unter Berücksichtigung künftiger exothermer Speichereffekte und konvektiver Einflüsse des Abgasmassenstroms ergibt. Dieser Erwartungswert wird im Block 48 mit einem vom Block 50 bereitgestellten Schwellenwert T_max verglichen, der noch unterhalb der zu vermeidenden Maximaltemperatur liegt. Wenn der Schwellenwert unterbrochen wird, erfolgt im Schritt 52 ein Abbruch der Betriebsart BA2 zu einem Zeitpunkt, bei dem der noch folgende, auf den Speichereffekten basierende Temperaturanstieg noch nicht zu einer Überschreitung des maximal zulässigen Wertes Tmax führt. Mit anderen Worten: Überschreitet der so berechnete Erwartungswert den Schwellenwert, wird der Regenerationsbetrieb abgebrochen.
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Durch die Berücksichtigung aller Wärmeeinträge in das System bis nach dem Verlassen des Regenerationsbetriebs kann die erlaubte Maximaltemperatur nach einem Abbruch nicht mehr überschritten werden.
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Bei Prozessen, bei denen der Regenerationsbetrieb länger aufrecht erhalten werden muss, wird der Einfluss von Konvektion auf die durch exotherme Reaktionen entstandene Temperaturerhöhung relevant. Für diesen Fall sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass der Temperaturbeitrag aus der exothermen Reaktion einen zusätzlichen Term erhält, der den Abfluss von Wärme durch Konvektion berücksichtigt.
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Während die 3 eine Entscheidung über einen Abbruch einer bereits laufenden BA2-Phase betrifft, zeigt die 4 ein Ausführungsbeispiel für den Fall einer Entscheidung über die Auslösung eines Übergangs von der Betriebsart BA1 in die Betriebsart BA2, also über die Auflösung eines Übergangs von einem Heizbetrieb mit oxidierender Abgasatmosphäre in einen Fettbetrieb mit reduzierender Abgasatmosphäre.
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Im Block 54 wird die Temperatur des Speicherkatalysators 22 durch Erfassen des Signals des Temperatursensors 24 fortlaufend erfasst. Im Schritt 56 wird ein zu erwartender Temperaturanstieg aufgrund einer Regeneration in der Betriebsart BA2 unter der Annahme einer vorbestimmten Mindestzeitdauer der Fettbetriebsphase Regeneration berechnet. Die Mindestzeitdauer ist bevorzugt so bemessen, dass neben einem Austrag von Sauerstoff aus dem Speicherkatalysator 22 auch ein Austrag nennenswerter Mengen von eingespeichertem Schwefel stattfindet. Ein solcher Austrag von Schwefel tritt erst mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Sauerstoffaustrag auf, was belegt, dass kurze Fettbetriebsphasen, die aus Temperaturgründen abgebrochen werden müssen, wegen des mit jedem Fettbetrieb verbundenen Kraftstoffaufwands unwirtschaftlich sind.
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Diese Mindestzeitdauer korreliert mit einem Mindestwert für den daraus resultierenden Temperaturanstieg. Dieser zum aktuellen Zeitpunkt erwartbare fiktive Mindestwert wird in der Verknüpfung 58 zu dem vom Block 54 bereitgestellten Basiswert addiert. Im Schritt 60 wird ein nach einer Rückkehr von der Betriebsart BA2 in die Betriebsart BA1 auf Grund von Speichereffekten erwartbarer Temperaturanstieg modelliert. Der Block 60 entspricht insofern dem Block 40 aus der 3. Im Block 62 erfolgt eine additive Verknüpfung dieses Temperaturbeitrages mit weiteren Temperaturbeiträgen.
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Im Block 64 wird eine Änderungsrichtung einer aktuellen Temperatur des Speicherkatalysators 22 ermittelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt dies durch Bilden und Auswerten einer Zeitableitung einer aktuellen Temperatur des Speicherkatalysators. Bei der aktuellen Temperatur handelt es sich bevorzugt um einen Wert, der exotherme Effekte mitberücksichtigt und der ähnlich wie die Temperaturbeiträge der Blöcke 36 und 40 aus der 3 berechnet wird.
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Dadurch können Temperaturbeiträge berücksichtigt werden, die sich aus noch nicht lange zurückliegenden instationären Betriebszuständen ergeben, bei denen exotherme und/oder konvektive Temperaturbeiträge aufgetreten sind. Die aktuelle Temperatur kehrt dann zu einem Gleichgewichtswert zurück, was für die Erwartungswertbildung einen positiven oder negativen Beitrag bedeuten kann. Durch die Verknüpfung 66 wird dieser Beitrag mit den übrigen Temperaturbeiträgen verknüpft.
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Die Summe der durch die Blöcke 54, 56, 60 und 64 bereitgestellten Beiträge bildet den Erwartungswert für das Temperaturmaximum einer geplanten, aber noch nicht ausgelösten Regeneration. Im Block 68 wird der Erwartungswert mit einem vom Block 70 bereitgestellten Maximalwert T_max verglichen. Nur wenn der Maximalwert T_max nicht überschritten wird, erfolgt in dem Block 72 eine Freigabe der Regeneration.
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Beim Ausführungsbeispiel aus der 4 wird in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors diejenige Wärmemenge berechnet, die während des Regenerationsbetriebs durch exotherme Reaktionen in einem Zeitraum freigesetzt wird, der für einen erwünschten Regenerationserfolg mindestens erforderlich ist. Zur Berechnung der erwarteten Temperatur der Komponente nach Ablauf dieser Mindestzeit wird weiterhin die Temperaturänderung durch die bereits zurückliegende Veränderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, also durch deren instationären Betrieb berücksichtigt. Dies erfolgt durch die Berücksichtigung der Zeitableitung der augenblicklichen Temperatur. Ferner wird der Anteil an der Temperaturänderung berücksichtigt, der durch den Wechsel des Betriebszustands von der augenblicklichen Betriebsart in den Regenerationsbetrieb und durch den Wechsel vom Regenerationsbetrieb zurück in den augenblicklichen Betrieb entsteht. Bleibt der daraus resultierende Erwartungswert unterhalb einer maximal erlaubten Temperatur, so wird der Regenerationsbetrieb angefordert/freigegeben
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Die Erfindung wurde weitgehend unter Bezug auf einen NOx-Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungskomponente erläutert. Es versteht sich aber, dass die Erfindung auch in Verbindung mit anderen Abgasnachbehandlungskomponenten verwendet werden kann, bei denen sämtliche oder ein Teil der unter Bezug auf die 2 erläuterten Temperatureffekte auftreten. So treten sämtliche Effekt auf bei Drei-Wege - Katalysatoren und/oder Oxidationskatalysatoren auf, die eine Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzen und die gegebenenfalls ebenfalls von Zeit zu Zeit zu entschwefeln sind. Ein Teil der Effekte tritt auch bei Rußpartikelfiltern auf. Allerdings zeigen diese nicht den ausgeprägten Temperaturanstieg nach einer Rückkehr von der Phase mit reduzierender Abgasatmosphäre zur Phase mit oxidierender Abgasatmosphäre, da Rußpartikelfilter keine ausgeprägte Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzen.
