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Dokumentenidentifikation DE10253613B4 30.09.2004
Titel Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Odendall, Bodo, 86633 Neuburg, DE
DE-Anmeldedatum 15.11.2002
DE-Aktenzeichen 10253613
Offenlegungstag 03.06.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.2004
IPC-Hauptklasse F02D 41/40
IPC-Nebenklasse F01N 9/00   F02D 41/04   F02D 41/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der heutigen Fahrzeugtechnik werden Otto-Motoren als Brennkraftmaschinen mit einer Benzin-Direkteinspritzung anstatt einer konventionellen Saugrohreinspritzung bevorzugt, da derartige Brennkraftmaschinen gegenüber den herkömmlichen Otto-Motoren deutlich mehr Dynamik aufweisen, bezüglich Drehmoment und Leistung besser sind und gleichzeitig eine Verbrauchssenkung um bis zu 15% ermöglichen. Möglich macht dies vor allem eine sogenannte Schichtladung im Teillastbereich, bei der nur im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch benötigt wird, während der übrige Brennraum mit Luft befüllt wird. Da herkömmliche Brennkraftmaschinen, die nach dem Saugrohrprinzip arbeiten, bei einem derartigen hohen Luftüberschuss, wie er bei der Benzin-Direkteinspritzung vorliegt, nicht mehr zündfähig sind, wird bei diesem Schichtlademodus das Kraftstoff-Gemisch um die zentral im Brennraum positionierte Zündkerze konzentriert, während sich in den Randbereichen des Brennraums reine Luft befindet. Um das Kraftstoff-Gemisch um die zentrale im Brennraum positionierte Zündkerze herum zentrieren zu können, ist eine gezielte Luftströmung im Brennraum erforderlich, eine sogenannte Tumbleströmung. Dazu wird im Brennraum eine intensive, walzenförmige Strömung ausgebildet und der Kraftstoff erst im letzten Drittel der Kolbenaufwärtsbewegung eingespritzt. Durch die Kombination von spezieller Luftströmung und gezielter Geometrie des Kolbens, der z.B. über eine ausgeprägte Kraftstoff-Strömungsmulde verfügt, wird der besonders fein zerstäubte Kraftstoff in einem sogenannten „Gemischballen" optimal um die Zündkerze konzentriert und sicher entflammt. Für die jeweils optimale Anpassung der Einspritzparameter (Einspritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck) sorgt die Motorsteuerung bzw. das Motorsteuergerät.

Derartige Brennkraftmaschinen können daher entsprechend lange im Magerbetrieb betrieben werden, was sich, wie dies oben bereits dargelegt worden ist, positiv auf den Kraftstoffverbrauch insgesamt auswirkt. Dieser Magerbetrieb bringt jedoch den Nachteil einer erheblich größeren Stickoxidmenge im Abgas mit sich, so dass die Stickoxide (NOx) im mageren Abgas mit einem Drei-Wege-Katalysator nicht mehr vollständig reduziert werden können. Um die Stickoxid-Emissionen im Rahmen vorgeschriebener Grenzen, z.B. des Euro-IV-Grenzwertes zu halten, werden in Verbindung mit derartigen Brennkraftmaschinen zusätzlich Stickoxid-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Diese Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden so betrieben, dass darin die von der Brennkraftmaschine erzeugten großen Mengen an Stickoxiden eingespeichert werden. Mit zunehmender gespeicherter Stickoxidmenge wird ein Sättigungszustand im Stickoxid-Speicherkatalysator erreicht, so dass der Stickoxid-Speicherkatalysator entladen werden muss. Dazu wird für eine sogenannte Entladephase kurzfristig mittels der Motorsteuerung bzw. dem Motorsteuergerät auf einen unterstöchiometrischen, fetten Motorbetrieb umgeschalten, bei dem die Brennkraftmaschine mit einem fetten, einen Luftmangel aufweisenden Gemisch betrieben wird. Zu Beginn dieser Entladephase wird regelmäßig ein Sauerstoffspeicher des Stickoxid-Speicherkatalysators entleert, wodurch der für den Ausspeichervorgang erforderliche Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird. Der Kraftstoffmehrverbrauch für die Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators ist in der Regel in etwa konstant, wobei der Hauptanteil hier für die Entleerung des Sauerstoffspeichers des Stickoxid-Speicherkatalysators aufzuwenden ist. Bei diesem Ausspeichervorgang wird das eingespeicherte Stickoxid insbesondere durch die bei diesen fetten Betriebsbedingungen zahlreich vorhandenen Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO) zu Stickstoff (N2) reduziert, das dann in die Umgebung abgegeben werden kann.

Es ist allgemein bekannt, eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich zu betreiben, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einem Sauerstoffüberschuss aufweisenden, mageren Gemisch betrieben wird und in dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden, wobei zum Entladen des Stickoxid-Speicherkatalysators mittels eines Motorsteuergerät vom Magerbetriebsbereich auf einen fetten Betriebsbereich umgeschalten wird, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel aufweisende, fetten Gemisch betrieben wird und in dem die während des Magerbetriebsbereiches in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator ausgespeichert werden. Ferner ist ein zweiter Betriebsbereich als homogener Betriebsbereich vorgesehen, in dem die Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen homogenen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird, wobei das Umschalten zwischen dem Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich von dem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von einer betriebsbedingten Last- und/oder Drehzahlanforderung bei Erreichen einer vorgebbaren Umschaltbedingung vorgenommen wird und wobei vom Motorsteuergerät vor dem Umschalten vom Magerbetriebsbereich auf den homogenen Betriebsbereich zuerst für eine Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators in den fetten Betriebsbereich geschalten wird. Konkret ist der Magerbetriebsbereich hier ein geschichteter Magerbetriebsbereich, bei dem der lambdawert umgefähr 1,4 beträgt. Insbesondere in Verbindung mit einer dynamischen Fahrweise, wie dies z.B. im Stadtverkehr der Fall ist, wird vom Motorsteuergerät aufgrund der betriebsbedingten erhöhten Last- und/oder Drehzahlanforderung regelmäßig in den homogenen Betriebsbereich umgeschalten, in dem die Brennkraftmaschine im Wesentlichen mit einem stöchiometrischen homogenen Gemisch von Lambda = 1 betrieben wird. Vom Motorsteuergerät wird dabei vor dem Umschalten in den homogenen Betriebsbereich zuerst in den fetten Betriebsbereich geschalten, um eine Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators vorzunehmen. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei dieser Betriebsweise trotz eines zeitweisen Magenbetriebs das eigentlich vorhandene, theoretische Magerbetrieb-Kraftstoffeinsparpotential nicht voll ausgeschöpft wird.

Eine ähnliche Verfahrensführung ist aus der gattungsbildenden DE 101 14 456 A1 bekannt, bei der das Motorsteuergerät zudem ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich in Abhängigkeit von der Anzahl der Hochtemperatur-Entschwefelungen des Stickoxid-Speicherkatalysators sperren kann.

D. h., der Einleitung einer Hochtemperatur-Entschwefelungsphase wird jedes Mal geprüft, ob eine erlaubte Anzahl an Hochtemperatur-Entschwefelungen bereits überschritten ist oder nicht. Ist dies zu bejahen, so wird davon ausgegangen, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator seine Stickoxid-Speicherfähigkeit bereits irreversibel verloren hat, und dass weder eine Stickoxid-Regeneration noch eine Entschwefelung oder Hochtemperatur-Entschwefelung zu einer deutlichen Anhebung der Stickoxid-Speicherfähigkeit führen würde. Eine Verfahrensführung, bei der der Magerbetrieb in Abhängigkeit von der bereits durchgeführten Anzahl an Hochtemperatur-Entschwefelungen gesperrt wird, ist relativ einfach und auch ungenau, so dass damit die Gefahr besteht, dass das Kraftstoff-Einsparpotenzial der Brennkraftmaschine nicht im erwünschten und möglichen Umfang ausgenutzt wird.

Weiter ist aus der DE 100 51 184 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator bekannt, bei dem unzulässige Verbrennungsereignisse, wie eine verschleppte Verbrennung und/oder ein Zündaussetzer, registriert werden und in Abhängigkeit von der Häufigkeit dieser unzulässigen Verbrennungsereignisse dann eine Entscheidung erfolgt, ob der Magerbetrieb mit der zunehmenden Häufigkeit der unzulässigen Verbrennungsereignisse eingeschränkt oder gesperrt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise eine hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierte Betriebsweise der Brennkraftmaschine, insbesondere durch optimierten Magerbetrieb, möglich wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die vorgebbare Umschaltbedingung zwischen dem Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich mit Hilfe eines in einem Kennfeld abgelegten, betriebspunktabhängigen Kraftstoff-Minderverbrauchswertes im Magerbetriebsbereich, mit Hilfe eines in einem Kennfeld abgelegten, betriebspunktabhängigen Kraftstoff-Mehrverbrauchswertes für eine Entladung im fetten Betriebsbereich, mit Hilfe einer Magerzeit als Magerbetriebs-Zeitraum und mit Hilfe einer Fettzeit als Fettbetriebs-Zeitraum ermittelt wird, wird vorteilhaft erreicht, dass das Motorsteuergerät für jeden Betriebsbereich berechnen kann, ob der Magerbetrieb inklusive dem damit einhergehenden Fettbetrieb für die Entladungen im Vergleich zum homogenen Betriebsbereich eine Kraftstoffeinsparung mit sich bringt oder nicht. Das heißt, dass – jeweils bezogen auf einen bestimmten Betriebsbereich als Betriebszyklus – ein sinnvoller Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine nur dann möglich ist, wenn die Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge während der Entladung kleiner ist als die sich während des Magerbetriebsbereichs ergebende Kraftstoffeinsparung. Sobald gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsweise festgestellt wird, dass bei einem Magerbetrieb kein Kraftstoffverbrauchsvorteil gegenüber dem homogenen Betriebsbereich herausgefahren werden kann, wird somit vom Motorsteuergerät der homogene Betriebsbereich gewählt und der Magerbetriebsbereich gesperrt. Aufgrund dieser Verfahrensführung kann somit eine verbrauchsoptimierte Betriebsweise von Magermotoren auf einfache Weise durchgeführt werden, wodurch das Kraftstoff-Einsparpotential sehr gut ausgeschöpft werden kann. Die einzelnen Kennfelder bzw. die einzelnen Kennfeldpunkte, die ein derartiges Kennfeld aufspannen, können dabei einfachst empirisch ermittelt und im Bordcomputer bzw. der Motorsteuereinrichtung einfachst abrufbar abgelegt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Betriebsweise nach Anspruch 2 ist vorgesehen, dass das Motorsteuergerät ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich freigibt, falls die folgende Umschaltbedingung erfüllt ist: Kraftstoff-Minderverbrauchswert·Magerzeit > Kraftstoff-Mehrverbrauchswert·Fettzeit.

Eine derartige Umschaltbedingung ist vom Motorsteuergerät relativ einfach zu errechnen, so dass eine einfache Ermittlung eines sinnvollen Magerbetriebs hierdurch möglich ist.

Die Magerzeit kann dabei nach Anspruch 3 bevorzugt vom Motorsteuergerät als Funktion eines in einem ebenfalls einfachst, z. B. empirisch ermittelbaren Kennfeld abgelegte, betriebspunktabhängigen Stickoxid-Rohmassenstromwertes und eines aktuell erfassten Wertes über die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt werden. Eine aktuelle Erfassung dieses letzten Wertes ist z.B. durch weiter unten beschriebene Maßnahmen möglich. Alternativ hierzu kann dieser Wert aber auch modelliert werden. Besonders einfach und bevorzugt errechnet sich nach Anspruch 4 die Magerzeit konkret aus dem Quotienten des Stickoxid-Speicherfähigkeitswertes und des Stickoxid-Rohmassenstromwertes.

Berücksichtigt man diese Ansätze, so ergibt sich nach Anspruch 5 folgende bevorzugte Umschaltbedingung: Kraftstoff-Minderverbrauchswert > (Kraftstoff-Mehrverbrauchswert·Fettzeit·Stickoxid-Rohmassenstromwert)/Stickoxid-Speicherfähigkeit

Der Kraftstoff-Minderverbrauchswert wird dabei ebenso wie der Kraftstoff-Mehrverbrauchswert und die Stickoxid-Speicherfähigkeit in Gramm angegeben, während die Fettzeit in Sekunden und der Stickoxid-Rohmassenstromwert in Gramm pro Sekunde angegeben wird.

Nach Anspruch 6 ist die Entladezeit im Fettbetrieb für jede der Entladungen in etwa konstant, so dass sich die Fettzeit aus der Summe der leicht erfassbaren Anzahl der Entladungen errechnen lässt. Diese in etwa gleiche Entladezeit ergibt sich dadurch, dass bei einer Entladung die meiste Kraftstoffmenge für das Ausspeichern des Sauerstoffs aus dem Sauerstoffspeicher benötigt wird und lediglich eine demgegenüber kleinere Kraftstoffmenge zur Ausspeicherung der Stickoxide aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator benötigt wird. Da der Sauerstoffspeicher im Magerbetrieb bereits sehr frühzeitig vollständig beladen ist, ist dieser bei einer Entladung stets voll, so dass sich Schwankungen in der Menge der eingespeicherten Stickoxide, z.B. durch Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators, kaum auf die Entladezeit und auf die benötigte Kraftstoffmenge zum Entladen auswirken.

Nach Anspruch 7 werden der Kraftstoff-Minderverbrauchswert und/oder der Kraftstoff-Mehrverbrauchswert und/oder der Stickoxid-Rohmassenstromwert last- und/oder drehzahlabhängig auf einfache Weise bestimmt. Dies bedeutet, dass z.B. bis auf den vorzugsweise aktuell zu erfassenden Wert über die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators sämtliche anderen für die Ermittlung der Umschaltbedingung erforderlichen Werte vom Motorsteuergerät einfachst aus fest vorgegebenen Kennfeldern in Abhängigkeit von bestimmten Betriebspunkten und -bereichen, vorzugsweise in Abhängigkeit von einer bestimmten Last- und/oder Drehzahl, bestimmt werden können.

Lediglich der aktuelle Wert als Aussage über die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators wird vorzugsweise betriebspunktabhängig erlernt. Dazu ist nach Anspruch 8 vorgesehen, dass der Stickoxid-Massenstrom vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder der Stickoxid-Massenstrom nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator jeweils über eine gleiche Zeitdauer aufintegriert werden, wobei zur Festlegung des Umschaltzeitpunktes von der Einspeicherphase auf die Entladephase und damit vom Magerbetriebsbereich auf den fetten Betriebsbereich wenigstens aus dem Integralwert des Stickoxid-Massenstroms vor- und/oder nach dem Speicherkatalysator und/oder aus dem Umschaltzeitpunkt jeweils beim Erfüllen einer vorgebbaren Entlade-Umschaltbedingung in einer ersten Stufe zur Ermittlung des Alterungsgrades des Speicherkatalysators ein Umschalt-Betriebspunkt als Funktion einer momentanen Betriebstemperatur zum Umschaltzeitpunkt ermittelt wird. Anschließend wird der jeweilige Umschalt-Betriebspunkt in einer zweiten Stufe zur Ermittlung des Alterungsgrades des Speicherkatalysators mit einem über ein Temperaturfenster verlaufenden, vorgebbaren, hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld, das durch eine Vielzahl von einzelnen Betriebspunkten für einen neuen und einen gealterten Speicherkatalysator gebildet ist, verglichen. Dabei stellt ein innerhalb des Speicherkatalysator-Kapazitätsfeldes liegender Umschalt-Betriebspunkt keine Unterschreitung der minimalen Stickoxid-Speicherfähigkeit dar, sondern die Änderung gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt als Maß für die Speicherkatalysator-Alterung. Ein das Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld verlassender Umschaltbetriebspunkt stellt dagegen eine Unterschreitung der minimalen Stickoxid-Speicherfähigkeit dar. Mit einer derartigen Verfahrensweise kann somit auf besonders einfache Weise eine aktuelle Erfassung des Wertes der Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators betriebspunktabhängig unter Berücksichtigung des Alterungsgrades und/oder der Verschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt werden.

Besonders bevorzugt ist hierbei nach Anspruch 9 vorgesehen, dass zur Festlegung des Umschaltzeitpunktes von der Einspeicherphase auf die Entladephase ein relativer Stickoxid-Schlupf als Differenz zwischen dem in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingeströmten Stickoxid-Massenstrom und dem aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator ausgeströmten Stickoxid-Massenstrom jeweils bezogen auf die Einspeicherzeit ermittelt wird dergestalt, dass der Quotient der Integralwerte des Stickoxid-Massenstroms vor und nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator zudem in eine Relativbeziehung mit einem vorgebbaren, von einem Abgasgrenzwert abgeleiteten Stickoxid-Konvertierungsgrad gebracht wird, so dass beim Vorliegen dieser vorgebbaren Umschaltbedingung das Umschalten von der Einspeicherphase auf die Entladephase zum hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Einspeicherpotential optimierten Umschaltzeitpunkt durchgeführt wird.

Nach Anspruch 10 kann weiter vorgesehen sein, dass das Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld bezogen auf das Temperaturfenster einerseits durch eine Grenzlinie für einen neuen Speicherkatalysator und andererseits durch eine Grenzlinie für einen Grenzalterungszustand darstellenden gealterten Speicherkatalysator begrenzt ist. Dabei umfasst das Temperaturfenster vorzugsweise Temperaturwerte zwischen in etwa 200°C und in etwa 450°C.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines last- und drehzahlabhängigen Kennfeldes, aus dem ein Kraftstoff-Minderverbrauchswert im Magerbetriebsbereich zu einem bestimmten Betriebspunkt abgelesen werden kann,

2 eine schematische Darstellung eines last- und drehzahlabhängigen Kennfeldes, aus dem der Kraftstoff-Mehrverbrauchswert für eine Entladung im fetten Betriebsbereich abgelesen werden kann,

3 eine schematische Darstellung eines vom Abgasmassenstrom und der Temperatur abhängigen Kennfeldes, aus dem für einen bestimmten Betriebspunkt ein aktueller Wert über die Stickoxid-Einspeichermenge in einen Stickoxid-Speicherkatalysator abgelesen werden kann, und

4 eine schematische Darstellung eines last- und drehzahlabhängigen Kennfeldes, aus dem ein Stickoxid-Rohmassenstromwert zu einem bestimmten Betriebspunkt abgelesen werden kann.

In 1 ist schematisch ein empirisch ermitteltes last- und drehzahlabhängiges Kennfeld dargestellt, bei dem für einen bestimmten Betriebspunkt ein Kraftstoff-Minderverbrauchswert als Kraftstoff-Minderverbrauchsmenge entnommen werden kann. Analog dazu kann aus dem empirisch ermittelten Kennfeld der 2 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl in einen bestimmten Betriebspunkt ein Kraftstoff-Mehrverbrauchswert als Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge für eine Entladung abgelesen werden. Aus dem Kennfeld der 3 kann ein aktueller Wert der Stickoxid-Speicherfähigkeit eines Stickoxid-Speicherkatalysators zu einem bestimmten Betriebspunkt, d. h. in Abhängigkeit von dessen Alterungs- und Verschwefelungsgrad entnommen werden, während aus dem empirisch ermittelten Kennfeld der 4 zu einem bestimmten Betriebspunkt ein last- und drehzahlabhängiger Stickoxid-Rohemissionswert entnommen werden kann. Diese zu einem bestimmten Betriebspunkt aus diesen Kennfeldern entnehmbaren Werte werden von einem Motorsteuergerät erfasst, wobei aufgrund eines im Wesentlichen konstanten Kraftstoffverbrauchs für eine Entladung eine in etwa gleiche Fettzeit für jede der Entladungen benötigt wird. Anhand der einfach erfassbaren Anzahl der während eines bestimmten Betriebsbereiches oder Betriebszyklus stattgefundenen Entladungen kann daher vom Motorsteuergerät auch eine Fettzeit einfachst berechnet werden, wobei die Entladungen in einem Betriebszyklus auch eine bestimmte durch den Fettbetrieb bedingte Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge ergeben. Diese einfachst von der Motorsteuerung erfassbaren Werte werden dann in die folgende Gleichung eingesetzt: Kraftstoff-Minderverbrauchswert > (Kraftstoff-Mehrverbrauchswert·Fettzeit·Stickoxid-Rohmassenstromwert)/Stickoxid-Speicherfähigkeit

Sobald diese Umschaltbedingung erfüllt ist, gibt das Motorsteuergerät einen Magerbetrieb und damit ein Umschalten zwischen dem Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich frei, da dadurch sichergestellt ist, dass der Kraftstoffmehrverbrauch während der Entladung durch die Kraftstoffeinsparung während der Magerphase übertroffen wird. Ist dagegen diese Umschaltbedingung nicht erfüllt, so sperrt das Motorsteuergerät den Magerbetriebsbereich, da hierdurch dann aufgrund des Magerbetriebs keine Kraftstoffeinsparung erzielt wird und damit gegenüber dem homogenen Betriebsbereich, bei dem eine im Wesentlichen stöchiometrische Umsetzung erfolgt, keine Verbrauchsvorteile herausgefahren werden können.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem ersten Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftüberschuss und damit einen Sauerstoffüberschuss aufweisenden, mageren Gemisch betrieben wird, und in dem die von der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide in einen Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert werden, wobei zum Entladen des Stickoxid-Speicherkatalysators mittels eines Motorsteuergerätes vom Magerbetriebsbereich auf einen fetten Betriebsbereich umgeschalten wird, in dem die Brennkraftmaschine mit einem einen Luftmangel aufweisenden, fetten Gemisch betrieben wird und in dem die während des Magerbetriebsbereiches in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherfen Stickoxide aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator ausgespeichert werden, und mit einem zweiten Betriebsbereich als homogenen Betriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen homogenen Gemisch (Lambda = 1) betrieben wird, wobei das Umschalten zwischen dem Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich von dem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von einer betriebsbedingten Last- und/oder Drehzahlanforderung bei Erreichen einer vorgebbaren Umschaltbedingung vorgenommen wird, wobei vom Motorsteuergerät vor dem Umschalten vom Magerbetriebsbereich auf den homogenen Betriebsbereich zuerst für eine Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators in den fetten Betriebsbereich geschalten wird,

    – wobei die vorgebbare Umschaltbedingung zwischen dem Magerbetriebsbereich und dem homogenen Betriebsbereich mit Hilfe eines in einem Kennfeld abgelegten, betriebspunktabhängigen Kraftstoff-Minderverbrauchswertes im Magerbetriebsbereich, mit Hilfe eines in einem Kennfeld abgelegten, betriebspunktabhängigen Kraftstoff-Mehrverbrauchswertes für eine Entladung im fetten Betriebsbereich, mit Hilfe einer Magerzeit als Magerbetriebs-Zeitraum und mit Hilfe einer Fettzeit als Fettbetriebs-Zeitraum ermittelt wird,

    – wobei in einer weiteren Funktion das Motorsteuergerät ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich sperrt, falls in Abhängigkeit von der vorgebbaren Umschaltbedingung für einen bestimmten vorgebbaren Betriebszyklus ermittelt wird, dass die Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge für die Entladungen in diesem Betriebszyklus gleich oder größer ist als die Kraftstoff-Minderverbrauchsmenge durch einen Magerbetrieb in diesem Betriebszyklus, und

    – wobei das Motorsteuergerät ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich freigibt, falls in Abhängigkeit von der vorgebbaren Umschaltbedingung für einen bestimmten vorgebbaren Betriebszyklus ermittelt wird, dass die Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge für die Entladungen in diesem Betriebszyklus kleiner ist als die Kraftstoff-Minderverbrauchsmenge durch einen Magerbetrieb in diesem Betriebszyklus.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich freigibt, falls die folgende Umschaltbedingung erfüllt ist: Kraftstoff-Minderverbrauchswert·Magerzeit > Kraftstoff-Mehrverbrauchswert·Fettzeit
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerzeit vom Motorsteuergerät als Funktion eines in einem Kennfeld abgelegten, betriebspunktabhängigen Stickoxid-Rohmassenstromwertes und eines aktuell erfassten Wertes über die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerzeit aus dem Quotienten des Stickoxid-Speicherfähigkeitswertes und des Stickoxid-Rohmassenstromwertes errechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät ein Umschalten in den Magerbetriebsbereich freigibt, falls die folgende Umschaltbedingung erfüllt ist: Kraftstoff-Minderverbrauchswert > (Kraftstoff-Mehrverbrauchswert·Fettzeit·Stickoxid-Rohmassenstromwert)/Stickoxid-Speicherfähigkeit
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladezeit im Fettbetrieb für jede der Entladungen in etwa konstant ist, so dass sich die Fettzeit aus der Summe der erfassbaren Anzahl der Entladungen errechnet.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff-Minderverbrauchswert und/oder der Kraftstoff-Mehrverbrauchswert und/oder ein Stickoxid-Rohmassenstromwert last- und/oder drehzahlabhängig bestimmt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuell erfasste Wert über die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators betriebspunktabhängig unter Berücksichtigung des Alterungsgrades und/oder der Verschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt wird dergestalt,

    dass der Stickoxid-Massenstrom vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder der Stickoxid-Massenstrom nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator jeweils über eine gleiche Zeitdauer aufintegriert werden,

    dass zur Festlegung des Umschaltzeitpunktes von der Einspeicherphase auf die Entladephase und damit vom Magerbetriebsbereich auf den fetten Betriebsbereich wenigstens aus dem Integralwert des Stickoxid-Massenstroms vor und/oder nach dem Speicherkatalysator und/oder aus dem Umschaltzeitpunkt jeweils beim Erfüllen einer vorgebbaren Entlade-Umschaltbedingung in einer ersten Stufe zur Ermittlung des Alterungsgrades des Speicherkatalysators ein Umschalt-Betriebspunkt als Funktion einer momentanen Betriebstemperatur zum Umschaltzeitpunkt ermittelt wird, und

    dass der jeweilige Umschalt-Betriebspunkt in einer zweiten Stufe zur Ermittlung des Alterungsgrades des Speicherkatalysators mit einem über ein Temperaturfenster verlaufenden, vorgebbaren, hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld, das durch eine Vielzahl von einzelnen Betriebspunkten für einen neuen und einen gealterten Speicherkatalysator gebildet ist, verglichen wird dergestalt,

    dass ein innerhalb des Speicherkatalysator-Kapazitätsfeldes liegender Umschalt-Betriebspunkt keine Unterschreitung der minimalen Stickoxid-Speicherfähigkeit darstellt, sondern die Änderung gegenüber dem vorherigen Betriebspunkt als Maß für die Speicherkatalysator-Alterung darstellt, und

    dass ein das Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld verlassender Umschalt-Betriebspunkt eine Unterschreitung der minimalen Stickoxid-Speicherfähigkeit darstellt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung des Umschaltzeitpunktes von der Einspeicherphase auf die Entladephase ein relativer Stickoxid-Schlupf als Differenz zwischen dem in den Stickoxid-Speicherkatalysator eingeströmten Stickoxid-Massenstrom und dem aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator ausgeströmten Stickoxid-Massenstrom jeweils bezogen auf die Einspeicherzeit ermittelt wird dergestalt, dass der Quotient der Integralwerte des Stickoxid-Massenstroms vor und nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator zudem in eine Relativbeziehung mit einem vorgebbaren, von einem Abgasgrenzwert abgeleiteten Stickoxid-Konvertierungsgrad gebracht wird , so dass beim Vorliegen dieser vorgegebenen Umschaltbedingung das Umschalten von der Einspeicherphase auf die Entladephase zum hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Einspeicherpotential optimierten Umschaltzeitpunkt durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherkatalysator-Kapazitätsfeld bezogen auf das Temperaturfenster einerseits durch eine Grenzlinie für einen neuen Speicherkatalysator und andererseits durch eine Grenzlinie für einen einen Grenzalterungszustand darstellenden gealterten Speicherkatalysator begrenzt ist, wobei das Temperaturfenster vorzugsweise Temperaturwerte zwischen in etwa 200°C und in etwa 450°C umfasst.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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