DE10240977A1

DE10240977A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine selbst

Info

Publication number: DE10240977A1
Application number: DE10240977A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kufferath; Ingo Hein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-03-18
Also published as: ITMI20031695A1; FR2844299B1; FR2844299A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug insbesondere mit einem Kraftstoffdirekteinspritzsystem, umfassend ein Abgassystem mit mindestens einem Katalysator, wobei zum Heizen wenigstens einer der Katalysatoren vorgesehen ist, die Brennkraftmaschine zyklisch in einem Magerbetrieb mit lambda > 1, um einen Sauerstoffspeicher des mindestens einen Katalysators aufzufüllen, und in einem fetten Betrieb mit lambda < 1 zu betreiben, um durch die Reaktionswärme einer Reaktion nicht verbrannter Kraftstoffkomponenten mit dem Sauerstoff in dem mindestens einen Katalysator diesen aufzuheizen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch einen lambda-Sprung die Sauerstoffspeicherkapazität jedes einzelnen oder einer Gruppe von Katalysatoren bestimmt wird und über die ermittelte jeweilige Sauerstoffspeicherkapazität der oder des Katalysators ein sauerstoffbezogener unterer Heizwert und unter Berücksichtigung eines Abgaslambdas und eines Abgasmassenstroms der Energieeintrag und somit eine Temperatur in mindestens einem Katalysator bestimmt wird, wodurch eine Regelung und Steuerung des Heizens des oder der Katalysatoren über die Einstellung der Fett- und/oder Magerphasen vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzsystem oder Saugrohreinspritzung, umfassend ein Abgassystem mit mindestens einem Katalysator, wobei zum Heizen wenigstens eines der Katalysatoren vorgesehen ist, die Brennkraftmaschine zyklisch in einem Magerbetrieb mit λ > 1 um den Sauerstoffspeicher des mindestens einen Katalysators aufzufüllen und in einem fetten Betrieb mit λ < 1 zu betreiben, um durch eine Reaktionswärme der Reaktion nicht verbrannter Kraftstoffkomponenten mit dem Sauerstoff in dem mindestens einen Katalysator diesen aufzuheizen.

Derartige Verfahren zum Betreiben von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge sind bekannt. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Benzindirekteinspritzung ist es bekannt, das der Kraftstoff in einem Homogenbetrieb während der Ansaugphase oder in einem Schichtbetrieb während der Verdichtungsphase in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Homogenbetrieb ist vorzugsweise für den Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen, während der Schichtbetrieb für den Leerlauf- oder Teillastbetrieb geeignet ist. Beispielsweise in Abhängigkeit von einem angeforderten Drehmoment wird bei einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine zwischen den Betriebsarten umgeschaltet. Der Schichtbetrieb dient u.a. zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und damit zur Minimierung der Abgase.

Bei einem Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine ist dabei stets ein Sauerstoffüberschuss im Abgassystem vorhanden (λ > 1). Aus diesem Grund können Stickoxide (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, während des Magerbetriebs der Brennkraftmaschine nicht im 3-Wege-Katalysator aus dem Abgas entfernt werden. Um die Abgabe derartiger Stickoxide an die Umgebung zu verhindern, ist es daher vorgesehen, diese in einem NOx-Speicherkatalysator aufzufangen. Ein derartiges Abgassystem, bei dem ein motornaher 3-Wege-Katalysator und stromabwärts im Abgassystem ein NOx-Speicherkatalysator eingesetzt werden, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die in der Motortechnik eingesetzten Katalysatoren haben neben einem eingeschränkten Lambdabereich, in dem sie arbeiten, oft auch nur ein eingeschränktes Temperaturbetriebsfenster. Diese Betriebsfenster sind darüber hinaus für den 3-Wege-Katalysator und den NOx-Speicherkatalysator unterschiedlich. Während der 3-Wege-Katalysator Schadstoffkomponenten über ein großes Temperaturfenster reduzieren und oxidieren kann, ist dieser Temperaturbereich für den NOx-Speicherkatalysator eingeschränkt. Eine Abgasreinigungsanlage wird daher üblicherweise so ausgelegt, dass beide Katalysatoren für weite Motorbetriebsbereiche im Betriebstemperaturfenster arbeiten. Droht einer der Katalysatoren seine untere Betriebstemperatur zu unterschreiten, so sind Heizmaßnahmen notwendig. Es können dabei Heizmaßnahmen für einen oder für mehrere Katalysatoren erforderlich werden.

Darüber hinaus müssen NOx-Speicherkatalysatoren periodisch entschwefelt werden. Die aktiven Zentren der NOx-Speicherkatalysatoren besitzen neben ihrer Affinität für NOx auch eine hohe Affinität für Schwefeloxide. Diese entstehen ebenfalls bei der Verbrennung des Kraftstoffs und belegen primär die aktiven Zentren des Speicherkatalysators. Die dabei entstehenden Sulfate sind thermisch so stabil, dass sie im normalen Speicherbetrieb nicht freigesetzt werden. Als Folge sinkt mit zunehmender Schwefelbeladung die Speicherfähigkeit des Katalysators für Stickoxide. Hierbei wurde festgestellt, dass bei einer erhöhten Temperatur im Katalysator über 600°C und bei gleichzeitig reduzierenden Bedingungen (λ < 1) oder auch wechselndes λ um 1 diese thermodynamisch nicht mehr stabil sind und als Schwefelwasserstoff (H₂S) und als Schwefeldioxid (SO₂) freigesetzt werden. Um die Speicherfähigkeit zu erhalten bzw. wieder herzustellen und den Katalysator dadurch zu regenerieren, muss in bestimmten Abständen der Speicherkatalysator kurzzeitig fett bei erhöhter Temperatur betrieben werden. Dafür muss der Speicherkatalysator im Fahrbetrieb auf bis zu 650°C aufgeheizt werden.

Es existieren seither eine Reihe von Konzepten zum Heizen von Katalysatoren.

So ist es bekannt, heißes Motorabgas im Auslassventil zu erzeugen, z.B. durch späte Zündung oder eine Nacheinspritzung bei magerer Verbrennung, wie es beispielsweise in der EP 1 004 762 A1 beschrieben ist. Soll nur der stromabwärts im Abgassystem angeordnete NOx-Speicherkatalysator aufgeheizt werden, so wird der stromaufwärts und damit näher am Motor liegend angeordnete 3-Wege-Katalysator unnötigerweise mitgeheizt. Dies führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch; außerdem sind die Wärmeverluste auf dem Weg bis zum NOx-Speicherkatalysator sehr hoch bedingt durch die Auslegung des Abgassystems. Im Extremfall einer Entschwefelung kann durch die maximal zulässige Temperatur des vorgeschalteten 3-Wege-Katalysators ein Erreichen der notwendigen Temperatur im NOx-Speicherkatalysator sogar unmöglich werden. Alternativ ist es möglich, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, sowie Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch einen fetten Motorbetrieb zu erzeugen. Diese oxidierbaren Abgaskomponenten werden im NOx-Speicherkatalysator mit Hilfe des dort eingespeicherten Sauerstoffs unter Freisetzung von Wärme umgesetzt. Ein entsprechendes Heizverfahren ist beispielsweise in der WO 98/46868 beschrieben. Hierdurch ist ein sehr effizientes Aufheizen möglich, da die Heizmaßnahmen ohne größere vorherige Wärmeverluste im NOx-Speicherkatalysator wirken, während stromaufwärts liegende abgasführende Bauteile wie Auslassventil, Abgaskrümmer und Vorkatalysator nicht bzw. nur im geringem Maße thermisch belastet werden. Für eine derartige chemische Heizung eines Speicherkatalysators gibt es im wesentlichen drei Möglichkeiten.

– Bei einer Y-Abgasanlage können die einzelnen Zylinder bankweise fett bzw. mager betrieben werden. Liegt der NOx-Speicherkatalysator erst nach der Y-Zusammenführung und wird eine gute Vermischung der beiden Abgasströme sichergestellt, kann er auf diese Weise aufgeheizt werden. Ein derartiges Verfahren offenbart beispielsweise DE 195 22 165 C2 .
– Weiterhin kann vorgesehen sein, den Motor in der Summe fett zu betreiben, während vor dem NO_x-Speicherkatalysator zusätzlich Luft eingeleitet wird. Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise DE 197 47 222 C1 .
– Schließlich kann abwechselnd fettes und mageres Abgas erzeugt werden, was beispielsweise in der WO 98/46868 offenbart wird. Dabei wird die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Katalysatoren ausgenutzt. In der Magerphase wird der Sauerstoffspeicher gefüllt, wohingegen in der Fettphase der Sauerstoffspeicher des Katalysators aufgebraucht wird. Durch die Reaktion mit den Abgaskomponenten Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird der Heizwert dieser Substanzen freigesetzt und damit der NO_x-Speicherkatalysator aufgeheizt. Diese letzte Methode ist unabhängig von der Bauform oder zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise der Förderung von Zusatzluft durch eine Pumpe.

Die Erfindung baut auf diesem letztgenannten Verfahren auf.

Ein derartiges Verfahren besitzt dabei darüber hinaus den Vorteil, dass über die Anpassung der Frequenz sowie der Amplitude der Fett/Mager-Sprünge bzw. Phasen die eingetragene Wärmemenge zwischen Vorkatalysator und NOx-Speicherkatalysator in gewissen Grenzen verschoben werden kann; im Grenzfall kann sogar die gesamte Heizleistung in den Vorkatalysator verschoben werden.

Konventionelle Kraftfahrzeuge mit einem Benzinmotor mit Saugrohreinspritzung besitzen in der Regel keinen Speicherkatalysator für Stickoxide. Sie besitzen jedoch einen oder mehrere 3-Wege-Katalysatoren, die ebenfalls über ein wechselndes Abgaslambda in gewissen Grenzen aufgeheizt werden können, wie dies z. B. in der Kaltstartphase notwendig sein kann.

Für die Durchführung von Überwachungs- und Diagnosesystemen ist es notwendig, die Katalysatortemperatur möglichst genau einstellen zu können, zum einen um eine vollständige Entschwefelung bei NOx-Speicherkatalysatoren zu erreichen und damit eine möglichst lange Lebenszeit der Katalysatoren und zum anderen eine Überhitzung z.B. des vorgeschalteten 3-Wege-Katalysators zu vermeiden.

Aus Kostengründen sowie aus Gründen des Bauraums ist meist keine direkte Messung der Temperaturen in den Katalysatoren möglich. Es ist daher Stand der Technik, die Temperaturen mittels abgestimmter Rechenmodelle in einem Motorsteuergerät, wie es bei Benzindirekteinspritzern vorgesehen ist, durchzuführen. Die Temperaturprofile können hierbei anhand von Temperaturmodellen modelliert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Heizen eines Katalysators bereit zu stellen, mit dem auf einfache Weise die Temperatur in mindestens einem der Katalysatoren bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zunächst durch einen Lambdasprung die Sauerstoffspeicherkapazität jedes einzelnen oder einer Gruppe von Katalysatoren bestimmt wird und über die ermittelte jeweilige Sauerstoffspeicherkapazität des oder der Katalysatoren ein Wärmeeintrag unter Berücksichtigung eines unteren Heizwertes und eines Abgasmassenstromes, der Energieeintrag und somit eine Temperatur in mindestens einem Katalysator bestimmt wird, wodurch eine Regelung und Steuerung des Heizens des oder der Katalysatoren über die Einstellung der Fett- und/oder Magerphasen vorgenommen wird.

Als Messgröße in einer Motorsteuerung eines Kfz-Motors liegt in aller Regel ein Wert für das Verhältnis von Sauerstoff zum stöchiometrischem Verhältnis (λ) vor, also das Verhältnis des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs zum benötigten Sauerstoff. Aus dieser Größe lässt sich in Verbindung mit dem im Motorsteuergerät errechneten Abgasmassenmassenstrom und den in den Katalysatoren vorliegenden Sauerstoffspeichern der Energieeintrag und damit die Temperatur bei wechselndem Abgaslambda ermitteln.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass bei mehreren Katalysatoren die Sauerstoffspeicherkapazität für jeden einzelnen Katalysator bestimmt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass zunächst das Motorsteuergerät einen Lambdasprung auslöst und hierüber über eine in herkömmlicher Weise durchgeführte Bestimmung des Sauerstoffspeichervermögens die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Einzelkatalysatoren bestimmt wird. Hierfür ist gegebenenfalls neben einer Lambdasonde am Ausgang nach den Katalysatoren eine Sonde zwischen dem Vorkatalysator, beispielsweise dem 3-Wege-Katalysator und dem zweiten Katalysator, nämlich beispielsweise dem NOx-Speicherkatalysator notwendig, da ansonsten nur der gesamte Sauerstoffspeicher am Ende des Hauptkatalysators bestimmt werden kann.

Eine derartige Sauerstoffspeicherbestimmung wird beispielsweise auch zu Diagnosezwecken an Katalysatoren durchgeführt.

Der Sauerstoffspeicher der Katalysatoren wird dabei als Größe für die maximal freisetzbare Energie während der Fettphase herangezogen. Dabei kann die freisetzbare Energie während der Magerphasen aufgrund ihrer geringen Größe vernachlässigt werden. Die in den Katalysator eingetragenen Motor-Abgase in unverbrannter Form reagieren exotherm mit dem Sauerstoff im Katalysator, so dass Wärme frei wird. D.h. die unverbrannten Kraftstoffkomponenten werden mit dem Sauerstoffspeicher umgesetzt und in Wärme, die zur Aufheizung der Katalysatoren dient, umgewandelt. Mit der Kenntnis der eingetragenen chemischen Energie kann die Aufheizung der Katalysatoren berechnet werden. Dabei liegen folgende Oxidationsreaktionen zur Erzielung des Aufheizens des Katalysators vor. Für die Kohlenwasserstoffe wird hierfür zur Vereinfachung CH₄ als Berechnungsgrundlage herangezogen:

Diese Werte ergeben dabei den unteren Heizwert, der (bei dem in den Katalysatoren vorliegenden Temperaturniveau) zur Berechnung der Katalysatortemperaturen herangezogen werden muss.

Normiert man die Größen auf den Sauerstoff, so ergeben sich:
CO: + 25,12 MJ/m³ O₂
H₂: + 21, 60 MJ/m³ O₂
CH₄: + 18, 00 MJ/m³ O₂
bzw.:
CO: + 17,58 J/mg O₂
H₂: + 15, 12 J/mg O₂
CH₄ : + 12, 60 J/mg O₂

Die Zusammensetzung der heizwerttragenden Komponenten eines Motorabgases im fetten Motorbetrieb, also bei λ < 1 stellt im wesentlichen eine Funktion von Lambda dar.

Dabei steigt der Gehalt an Kohlenmonoxid ausgehend von λ = 1 hin in den fetten Bereich annährend linear an. Ebenfalls linear steigt der Gehalt von Hz an, wobei der Anstieg jedoch nur ca. eine halb so große Steigung wie der von CO aufweist. Hierdurch kommt es zu einer Verschiebung der Abgaszusammensetzung mit fallendem Lambda in Richtung CO.

Die Kohlenwasserstoffbeladung des Abgases steigt dahingegen nicht so stark an, sondern besitzt einen geringen Anstieg.

Die Verschiebung der Zusammensetzung des Abgases kann darüber hinaus noch zwischen den Katalysatoren gegeben sein, da eine Verschiebung der Zusammensetzung durch den Vorkatalysator durch das Wassergasgleichgewicht (CO + H₂O ⇒ H₂ + CO₂) erfolgt, wobei die Wassergasgleichgewichtsreaktion durch die Temperatur bestimmt wird und vorzugsweise im heißen Katalysator bei T > 400°C abläuft.

Allerdings wurde festgestellt, dass trotz der Änderung der Zusammensetzung der heizwerttragenden Komponenten mit dem Lambda (in erheblicher Weise) der spezifische Heizwert auf Basis der Größe des Sauerstoffspeichers annähernd konstant bleibt, nämlich bei ca. 16000 J/g O₂. Dieser spezifische Heizwert wird nur in geringem Maße durch die Verschiebung der Komponenten durch das Wassergasgleichgewicht beeinflusst.

Die Heizleistung ergibt sich dabei aus

Erfindungsgemäß lässt sich daher sehr einfach und unabhängig vom eingestellten Lambda und somit auch unabhängig von der eingestellten Abgaszusammensetzung über den Sauerstoffspeicher in den Katalysatoren der in der Fettphase vollzogene Energieeintrag ermitteln, aus dem dann wiederum die Temperatur im Katalysator errechnet wird.

Dabei hängt der mögliche erzielbare Heizwert von der Frage ab, ob der Sauerstoffspeicher vollständig genutzt wird. Findet nur eine teilweise Ausnutzung des Sauerstoffspeichers im Katalysator statt, reduziert sich entsprechend der Energieeintrag. So halbiert sich der Wert für den Energieeintrag beispielsweise bei nur halber Ausnützung des Sauerstoffspeichers.

Wie bereits ausgeführt, lässt sich die Sauerstoffspeicherkapazität einer Abgasanlage mittels des bekannten Lambdasprung-Verfahrens ermitteln. Um nun für ein System aus mehreren Katalysatoren die Einträge an Energie in die einzelnen Katalysatoren zu bestimmen, muss das Gesamtsystem in lauter Einzelsysteme überführt werden. In diesem Fall kann nur eine Teilnutzung des Sauerstoffspeichers des zweiten Katalysators vorliegen, da hauptsächlich erst der Sauerstoffspeicher des ersten Katalysators geleert wird, bevor die Leerung des zweiten Katalysators beginnt. Der erste Sauerstoffspeicher wird daher stets fast vollständig genutzt, bevor der zweite genutzt wird.

Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist es, dass durch die beschriebene Vorgehensweise auf einfache Weise eine Berechnung der Aufheizung von Katalysatoren im wechselnden fett-mager-Betrieb zur Verfügung steht, wobei das Verfahren insbesondere und unabhängig von der Abgaszusammensetzung ist.

Dabei können die Steuergrößen nämlich der Sauerstoffspeicher der Katalysatoren, das Abgaslambda und der Abgasmassenstrom den Daten der Motorsteuerung entnommen werden, die in der Regel standardmäßig in einem Kraftfahrzeug mit Kraftstoffdirekteinspritzung oder Saugrohreinspritzung vorgesehen ist. Gegenüber anderen Möglichkeiten zur Modellierung der Temperaturen der Katalysatoren besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass der Bedatungsaufwand deutlich geringer ist, was sich in einer Reduzierung der Applikationskosten auszahlt. Darüber hinaus ist der Rechenaufwand und damit die notwendige Prozessorleistung bei einer derart vereinfachten Modellierung reduziert.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens, wobei das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere einem Read-only-Memory oder einem Flash-Memory gespeichert ist.

Des Weiteren betrifft das Verfahren ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzung, das einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der vorstehend beschriebenen Art abgespeichert und ablauffähig zur Ausführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art ist. Das Steuer- und/oder Regelgerät ist dabei Teil bzw. mit der Motorsteuerung gekoppelt und erhält die notwendigen Daten, wie Abgasmassenstrom sowie Abgaslambda und Sauerstoffspeicherkapazität von der Motorsteuerung. Schließlich umfasst die Erfindung noch eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, insbesondere mit einer Kraftstoffdirekteinspritzeinrichtung, über welche der Kraftstoff in den Brennraum gelangt, mit einem Steuer- und/oder Regelgerät sowie mindestens einem Katalysator, wobei zum Heizen mindestens eines Katalysators die Brennkraftmaschine zyklisch in Fett- und Magerphasen betreibbar ist und nach und/oder zwischen den Katalysatoren ein Sauerstoffsensor vorgesehen ist, zum Bestimmen einer Sauerstoffspeicherkapazität des oder der Katalysatoren und wobei über das Regel- und/oder Steuergerät durch Bestimmung eines Abgaslambdas, eines Abgasmassenstroms sowie der Sauerstoffspeicherkapazität ein Heizwert und damit ein Energieeintrag und eine Temperatur bestimmbar und/oder regelbar ist. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung handelt, wobei einer der Katalysatoren insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator sein kann.

Grundsätzlich ist eine derartige Anordnung auch für eine Y-Anordnung der Katalysatoren (zwei Vorkatalysatoren und ein Hauptkatalysator) oder bei einer kompletten Zweibankausführung gewährleistet (je ein Vor- und Hauptkatalysator pro Bank).

Auch anwendbar ist das Konzept darüber hinaus bei der Anwendung von drei oder mehr Katalysatoren. Die eingetragene Energie teilt sich dann entsprechend der Sauerstoffspeicherkapazitäten der Einzelkatalysatoren auf.

Grundsätzlich kann auf diese Weise auch die Aufheizung von Katalysatoren von Dieselmotoren geregelt werden. Hierbei kann die Vorlegung des Fettgases entweder über den Motor selbst oder über eine separate Einleitung vor dem Katalysator erfolgen. Bevorzugt ist hierbei jedoch eine separate Einleitung des Fettgases vor dem Katalysator.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2 eine weitere schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine;
3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine Darstellung der spezifischen Energie in Abhängigkeit von Lambda.
In der 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden.
In dem Ansaugrohr 7 ist eine bewegliche Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von dem geöffneten Querschnitt der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 sind Katalysatoren 12 untergebracht, die der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dienen.
Bei den Katalysatoren 12 handelt es sich bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung um einen 3-Wege-Katalysator 12'' und einen NOx-Speicherkatalysator 12''. Im Schichtbetrieb dient der erste Katalysator 12' zur Oxidation von HC/CO. Im zweiten Katalysator 12'' werden die Stickoxide gespeichert. Wenn der Katalysator 12'' entsprechend mit NOx gefüllt ist wird ein Regenerationszyklus eingeleitet. Hierbei wird der Motor kurzfristig fettgefahren (λ < 1), so dass im Katalysator 12'' die Stickoxide reduziert werden (NOx → N₂).
Im Homogenbetrieb wirkt der Katalysator 12' als 3-Wege-Katalysator. Der Katalysator 12'' kann auch gewisse 3-Wege-Katalysatoreigenschaften zur Unterstützung des Katalysators 12' aufweisen.
Zwischen den Katalysatoren 12' und 12'' ist ein Temperatursensor 13 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist in dem Abgasrohr unmittelbar nach oder vor den Katalysatoren 12 ein Temperatursensor 14 vorgesehen.
Ein Steuergerät 18 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Flash-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
In einer ersten Betriebsart, einem sogenannten Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 in Abhängigkeit von dem erwünschten Drehmoment teilweise geöffnet bzw, geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig über die Drosselklappe 11 angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 10 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im Homogenbetrieb unter anderem von der Stellung der Drosselklappe 11 ab. Im Hinblick auf eine geringe Schadstoffentwicklung wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch möglichst auf Lambda gleich Eins eingestellt.
In einer zweiten Betriebsart, einem sogenannten Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 10 sowie zeitlich in geeignetem Abstand vor dem Zündzeitpunkt. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 10 der Kraftstoff entzündet, so dass der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird. Das entstehende Drehmoment hängt im Schichtbetrieb weitgehend von der eingespritzten Kraftstoffmasse ab. Im wesentlichen ist der Schichtbetrieb für den Leerlaufbetrieb und den Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen.
Der Speicherkatalysator 12' nimmt während seiner fortlaufenden Be- und Entladung mit Stickoxiden mit der Zeit Schwefel auf. Dies führt zu einer Einschränkung der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators 12', die nachfolgend als Alterung bezeichnet wird.
Um nun der Alterung aufgrund der Schwefelbeladung entgegenzuwirken und die Fähigkeit der Speicherung von Stickoxiden in dem Speicherkatalysator wieder zu erhöhen, ist es notwendig, eine deutliche Temperaturerhöhung in Form eines Katalysatorheizens vorzunehmen. Hierzu wird die Brennkraftmaschine 1 abwechselnd im Fett- und Magerbetrieb in relativen kurzen Zeitintervallen betrieben, wobei im Magerbetrieb der Sauerstoffspeicher der einzelnen Katalysatoren aufgeladen wird. Die maximale Sauerstoffspeicherkapazität kann hierbei über ein Lambdasprungverfahren in bekannter Form festgestellt werden, wobei die Bestimmung über die Lambdasonden 22 (LSF oder LSU, wobei statt der LSU-Sonde auch eine LSF-Sonde verwandt werden kann) nach den einzelnen Katalysatoren 12' und 12'' vorgenommen wird. In der Fettphase wird dann der Sauerstoffspeicher wieder verbraucht und der Sauerstoff zusammen mit Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen exotherm umgesetzt, so dass es zu einer Erhöhung der Temperatur in den Speichern in den Katalysatoren 12' und 12" kommt, wodurch eine Aufheizung, das sog. Katheizen erfolgt. In den Magerphasen findet keine nennenswerte Temperaturerhöhung statt. Es muss dabei eine Temperatur von ca. 600 bis 650°C erreicht werden, um eine Reinigung des NOx-Speicherkatalysators 12'' von den eingelagerten Schwefelverbindungen zu erzielen.
Um nun eine ausreichende Temperatur zu erreichen, und die Steuerung der Fett- und Magerphasen entsprechend vornehmen zu können, ist eine Modellierung der Temperatur notwendig.
Hierzu wird – wie bereits ausgeführt – über das Lambdasprungverfahren die Sauerstoffspeicherkapazität der beiden Katalysatoren 12' und 12'' separat ermittelt. Über die in der Magerphase eingetragene Sauerstoffmasse und den sauerstoffbezogenen Heizwert des in der Fettphase umgesetzten Fettgases kann der Energieeintrag jedes Fett-Mager-Zyklusses bestimmt werden. Der sauerstoffbezogene Heizwert beträgt etwa 16000 J/g O₂ und ist nur im geringeren Maße vom Wassergasgleichgewicht über den ersten Katalysator abhängig und auch nur im geringem Maße von der Verschiebung der Abgaszusammensetzung bei unterschiedlichem Lambda. Es kann von einem näherungsweise konstanten Heizwert von 16000 J/g O₂ und insbesondere 16300 J/g O₂ ausgegangen werden. Die den Energieeintrag bestimmende Sauerstoffmasse kann dann über die im Steuergerät 18 bekannten Größen Abgasmassenstrom und Lambda ermittelt werden, wobei hierüber die Temperatur in den Katalysatoren bestimmt werden kann. Auf diese Weise kann festgelegt werden, wie die Fett- und Magerphasen bei der Aufheizung des Katalysators zu steuern sind. Über den Temperatursensor kann die Temperaturerhöhung während des Aufheizvorganges durch das Steuergerät 18 nur schwierig oder nur zum Teil überwacht werden, da die Temperatursensoren 13, 14 aufgrund anderweitiger Erfordernisse meist hinter dem ersten Katalysator untergebracht sind. Darüber hinaus liefert der Temperatursensor 13, 14 keine Information darüber, wie sich der Energieeintrag auf die Katalysatoren verteilt. Bei dem Steuergerät 18 handelt es sich hierbei um die Motorsteuerung. Die Temperaturerhöhung des Katalysators hinter den Temperatursensoren wird in der Motorsteuerung 18 über den berechneten chemischen Energieeintrag modelliert.
4 zeigt nun eine Tabelle, bei der die spezifische Energie im Abgas über dem Wert 1/λ auch als Exhaust Equivalence Ratio (EQR) bezeichnet, aufgetragen ist. Der Graphik kann entnommen werden, dass trotz Verschiebung des Lambdas die spezifische Energie im Abgas nur geringfügig schwankt. Dabei sind die mit Kreisen und Querlinien gekennzeichnete Messwerte für einen geringeren Massenstrom als die dunklen Linien bestimmt worden. Auch der Massenstrom nimmt nur im geringen Maße Einfluss auf die spezifische Energie im Abgas.
Dabei sind die Werte zum einen vor dem Vorkatalysator und zum anderen nach dem Vorkatalysator ermittelt worden, wodurch gesehen werden kann, dass auch das Wassergasgleichgewicht keinen nennenswerten Einfluss auf die spezifische Energie besitzt. Vor dem Vorkatalysator 12' handelt es sich dabei um rohes Motorabgas, wobei nach dem Vorkatalysator 12' die mögliche Gleichgewichteinstellung stattgefunden hat.
Auf die vorstehend beschriebene Weise kann einfach eine Aufheizung des zweiten Katalysators 12'' geregelt werden, ohne der Gefahr ausgesetzt zu sein, dass die für den jeweiligen Zweck notwendige Temperatur für den NOx-Speicherkatalysator 12'' nicht erreicht wird bzw, einer der Katalysatoren 12', 12'' überhitzt wird.
Das Verfahren soll im Folgenden noch anhand von 3 erläutert werden.
So erfolgt gemäß 3 als Start des Verfahrens zunächst ein oder zur Mittelung mehrere Lambdasprünge, die durch die Motorsteuerung 18 erzeugt werden. Die hierdurch gemessenen Ergebnisse ergeben die Sauerstoffspeicherkapazität der Katalysatoren/des Katalysators, auch OSC (Oxygen-Storage Capacity) genannt. Dieser Wert wird im Steuergerät 18 berechnet. Es wird sodann der Abgasmassenstrom m und das Abgaslambda λ bestimmt und ebenfalls an das Steuer- und Regelgerät 18 geleitet, wobei m als Rechengröße im Steuergerät vorliegt und nicht über einen Sensor gemessen wird. Anschließend wird der Motor mit sich abwechselnden Fett- und Mager-Phasen betrieben. Das Steuergerät 18 ermittelt die in der Magerphase eingetragene Sauerstoffmasse aus dem Abgasmassenstrom m und dem Abgaslambda λ. In der folgenden Fettphase wird dieser Sauerstoff umgesetzt. Aus dem sauerstoffbezogenen Heizwert kann der Energieeintrag der Fettphase und die daraus resultierende Temperatur in den Katalysatoren 12', 12'' bestimmt werden. Über die Phasenlänge (Frequenz), die Amplitude und die Abregelung des Lambdas können Maßnahmen zur Regelung des Katalysatorheizens durch das Steuergerät 18 getroffen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug insbesondere mit einem Kraftstoffdirekteinspritzsystem, umfassend ein Abgassystem mit mindestens einem Katalysator, wobei zum Heizen wenigstens eines der Katalysatoren vorgesehen ist, die Brennkraftmaschine zyklisch in einem Magerbetrieb mit λ > 1, um einen Sauerstoffspeicher des mindestens einen Katalysators aufzufüllen und in einem fetten Betrieb mit λ < 1 zu betreiben, um durch die Reaktionswärme einer Reaktion nicht verbrannter Kraftstoffkomponenten mit dem Sauerstoff in dem mindestens einen Katalysator diesen aufzuheizen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch einen λ-Sprung die Sauerstoffspeicherkapazität jedes einzelnen oder einer Gruppe von Katalysatoren bestimmt wird und über die ermittelte jeweilige Sauerstoffspeicherkapazität der oder des Katalysators ein sauerstoffbezogener unterer Heizwert und unter Berücksichtigung eines Abgaslambdas und eines Abgasmassenstroms, der Energieeintrag und somit eine Temperatur in mindestens einem Katalysator bestimmt wird, wodurch eine Regelung und Steuerung des Heizens des oder der Katalysatoren über die Einstellung der Fett- und/oder Magerphasen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Katalysatoren die Sauerstoffspeicherkapazität für jeden einzelnen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Sprung sowie der Fettgaseintrag in den oder die jeweiligen Katalysatoren über eine λ-Sonde bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Heizwert in wesentlichen unabhängig von dem eingestellten λ und der Abgaszusammensetzung ist und insbesondere näherungsweise bei 16000 J/g O₂ liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Katalysator auf Basis der Sauerstoffspeicherkapazität berechnet wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere einem Read-only-Memory oder einem Flash-Memory abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzung, das einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 6 oder 7 abgespeichert ist.
Brennkraftmaschine mit einem Brennraum (4), insbesondere mit einer Kraftstoffdirekteinspritzvorrichtung, über welche der Kraftstoff in den Brennraum (4) gelangt, mit einem Steuer- und/oder Regelgerät (18) sowie mindestens einem Katalysator (12), wobei zum Heizen mindestens eines Katalysators (12) die Brennkraftmaschine (1) zyklisch in Fett- und Magerphasen betreibbar ist und nach und/oder zwischen den Katalysatoren (12', 12'') ein Sauerstoffsensor (22) vorgesehen ist, zum Bestimmen einer Sauerstoffspeicherkapazität der oder des Katalysators (12', 12'') und wobei über das Regel- und/oder Steuergerät (18) durch Bestimmung eines Abgaslambdas, eines Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine sowie der Sauerstoffspeicherkapazität ein Heizwert und damit ein Energieeintrag bzw. eine Temperatur in den Katalysatoren (12', 12'') bestimmbar und damit regelbar ist durch Einstellung der Fett- bzw. Magerphasen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) ein Ottomotor ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Katalysatoren (12', 12'') ein NOx-Speicherkatalysator ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 bis 11, die ein Steuer- und/oder Regelgerät (18) nach Anspruch 8 umfasst.