Beschreibung Verfahren zum Betreiben eines Stickoxid-Speicherkatalysators einer Brenn- kraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stickoxid-Speicher- katalysators einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der heutigen Fahrzeugtechnik werden Otto-Motoren als Brennkraftmaschi- nen mit einer Benzin-Direkteinspritzung anstatt einer konventionellen Saug- rohreinspritzung bevorzugt, da derartige Brennkraftmaschinen gegenüber den herkömmlichen Otto-Motoren deutlich mehr Dynamik aufweisen, bezüglich Drehmoment und Leistung besser sind und gleichzeitig eine Verbrauchssen- kung um bis zu 15 % ermöglichen. Möglich macht dies vor allem eine soge- nannte 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 Saug- rohrprinzip 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 posi- tionierte 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 ge- zielte Luftströmung im Brennraum erforderlich, eine sogenannte Tumbleströ-

mung. Dazu wird im Brennraum eine intensive, walzenförmige Strömung aus- gebildet 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-Strömungs- mulde verfügt, wird der besonders fein zerstäubte Kraftstoff in einem soge- nannten"Gemischballen"optimal um die Zündkerze konzentriert und sicher entflammt. Für die jeweils optimale Anpassung der Einspritzparameter (Ein- spritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck) sorgt die Motorsteuerung bzw. das Motorsteu- ergerät.

Derartige Brennkraftmaschinen können daher entsprechend lange im Mager- betrieb 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-We- ge-Katalysator nicht mehr vollständig reduziert werden können. Um die Stick- oxid-Emissionen im Rahmen vorgeschriebener Grenzen, z. B. des Euro-IV- Grenzwertes zu halten, werden in Verbindung mit derartigen Brennkraftma- schinen zusätzlich Stickoxid-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Diese Stick- oxid-Speicherkatalysatoren werden so betrieben, dass darin die von der Brennkraftmaschine erzeugten großen Mengen an Stickoxiden eingespeichert werden. Mit zunehmender gespeicherter Stickoxidmenge wird ein Sättigungs- zustand im Stickoxid-Speicherkatalysator erreicht, so dass der Stickoxid-Spei- cherkatalysalol entladen werden muss. Dazu wird für eine sogenannte Entla- dephase kurzfristig mittels der Motorsteuerung bzw. dem Motorsteuergerät auf einen unterstöchiometrischen, fetten Motorbetrieb umgeschaltet, bei dem die Brennkraftmaschine mit einem fetten, einen Luftmangel aufweisenden Ge- misch betrieben wird, um eine Ausspeicherung des Stickoxids zu erreichen.

Bei diesem Ausspeichervorgang wird das eingespeicherte Stickoxid insbeson- dere durch die bei diesen fetten Betriebsbedingungen zahlreich vorhandenen

Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO) zu Stickstoff (N2) redu- ziert, das dann in die Umgebung abgegeben werden kann.

Gemäß einem allgemein bekannten, gattungsgemäßen Verfahren zum Betrei- ben eines Stickoxid-Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ist ein erster Betriebsbereich als Magerbetriebsbereich vorge- sehen, in dem die Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch betrieben wird und in dem die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide in einen Stickoxid- Speicherkatalysator eingespeichert werden, wobei zum Entladen des Stick- oxid-Speicherkatalysators zu einem vorgebbaren Umschaltzeitpunkt bei Erfül- len einer vorgebbaren Umschaltbedingung mittels einem Steuergerät vom Ma- gerbetriebsbereich auf einen fetten Betriebsbereich umgeschaltet wird.

Konkret wird hierzu der Entladezeitpunkt vom Motorsteuergerät anhand in ei- nem Motorkennfeld abgelegter modellierter Werte errechnet. Problematisch bei derartigen Modellannahmen ist jedoch, dass die tatsächlichen Verhältnisse oftmals den modellierten Werten nicht entsprechen und von diesen abweichen.

Insbesondere ist dies dann problematisch, wenn die in die Berechnung des Entladezeitpunkts eingehenden modellierten Stickoxid-Rohemissionswerte im Abgasstrom nicht mit den tatsächlichen Stickoxid-Rohemissionswerten über- einstimmen, wobei insbesondere der Fall problematisch ist, dass die tatsächli- chen Stickoxid-Rohemissionswerte höher sind als die modellierten Stickoxid- Rohemissionswerte. So führt eine vom Modell nicht erfasste Verschlechterung der tatsächlichen Stickoxid-Rohemissionswerte zu einem wesentlich früheren Stickoxid-Durchbruch des Stickoxid-Speich@rkatalysators. Bei derartigen Stickoxid-Durchbrüchen werden die erforderlichen Abgasgrenzwerte regelmä- ßig nicht eingehalten. Um dies zu vermeiden, werden die Unsicherheiten im Hinblick auf eine vom Modell nicht erfasste Verschlechterung der tatsächlichen Stickoxid-Rohemissionswerte im praktischen Betrieb vorgehalten, d. h. es wird eine Art"Sicherheitsabstand"in Bezug auf die vorgegebenen Abgasgrenz-

werte vorgegeben. Dieses Vorhalten bewirkt aber, dass oftmals bereits zu ei- nem solchen Zeitpunkt entladen wird, zu dem eigentlich noch keine Entladung vorgenommen werden bräuchte, da das Einspeicherpotential des Speicherka- talysators nicht ausgenutzt wird, d. h., dass insgesamt mehr Entladungen als eigentlich notwendig durchzuführen sind, was wiederum den Kraftstoff- verbrauch in unerwünschter Weise steigert.

Verfahren zur Modellierung der tatsächlichen Verhältnisse in einem Stickoxid- Speicherkatalysator sind u. a. aus der EP 0 867 604 A1 bekannt, bei dem die Stickoxid-Speicherfähigkeit in Abhängigkeit von einer Speicherkatalysatortem- peratur ermittelt wird.

Ein Verfahren zum Betreiben eines Stickoxid-Speicherkatalysators mit einem Korrekturfaktor ist aus der EP 0 997 626 A1 bekannt.

Ein Modell zur Berechnung der Beladung eines Stickoxid-Speicherkatalysators mit Stickoxiden und Schwefeloxiden ist aus der DE 100 38 461 A1 bekannt.

Ferner ist aus der WO 02/14659 A1 ein Verfahren und ein Modell zur Modelle- rung einer Ausspeicherphase eines Stickoxid-Speicherkatalysators bekannt, bei der ein Sauerstoffspeicher durch einen ersten Integrator für Sauerstoff und der Stickoxid-Speicher durch einen zweiten Integrator für Stickoxide modelliert wird und der erste Integrator und der zweite Integrator gemäß einem Auftei- lungsfaktor anteilig mit dem Reduktionsmittelmassenstrom beaufschlagt wer- den, wobei der Aufteilungsfaktor in Abhängigkeit des Sauerstoff-Speicherin- halts und des Stickoxid-Speicherinhaltes des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Stickoxid- Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbeson-

dere eines Kraftfahrzeuges, zu schaffen, mit dem eine hinsichtlich des Kraft- stoffverbrauchs optimierte Betriebsweise des Stickoxid-Speicherkatalysators möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß Anspruch 1 wird zur Ermittlung eines optimierten Umschaltzeitpunktes von dem Magerbetriebsbereich auf den fetten Betriebsbereich zur Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators eine Entladeschwelle als Funktion eines modellierten Stickoxid-Rohemissionswertes im Abgasstrom und als Funktion eines erfassten aktuellen Stickoxid-Endrohremissionswertes festgelegt derge- stalt, dass eine Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators ausgelöst wird, falls die miteinander in eine Beziehung gebrachten Emissionswerte das Errei- chen oder ein überschreiten der Entladeschwelle anzeigen.

Vorteilhaft wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, dass die End- rohremissionen nicht von den Rohemissionen abhängen, da die Entlade- schwelle durch die Berücksichtigung der Stickoxid-Endrohremissionswerte, die in Beziehung mit den modellierten Stickoxid-Rohemissionswerten im Abgas- strom gebracht werden, durch eine Abweichung der tatsächlichen Stickoxid- Rohemissionen von den modellierten Stickoxid-Rohemissionen in der Weise beeinflusst werden, dass eine Erhöhung der Rohemissionen dazu führt, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator früher entladen wird, was dazu führt, dass die absolut pro Zeiteinheit emittierten noch-lEat-Emissionen einen absolut kon- stanten Wert nicht überschreiten. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Endrohremissionswerte unabhängig von den tatsächlichen Stickoxid-Rohemis- sionswerten einen vorgegebenen Abgasgrenzwert nicht überschreiten. Eine Verschlechterung der Stickoxid-Rohemissionswerte wird somit über den aktu- ellen Stickoxid-Endrohremissionswert erfasst und führt dazu, dass in Verbin- dung mit der vorgegebenen Entladeschwelle die Entladung zu einem solchen

Zeitpunkt eingeleitet werden kann, zu dem die Abgasgrenzwerte gerade noch eingehalten werden. Ein Vorhalten, wie dies bei der Betriebsweise gemäß dem gattungsbildenden allgemein bekannten Stand der Technik der Fall ist, ist bei dieser Betriebsweise somit nicht erforderlich. Da die Abgasgrenzwerte fest vorgegebene Werte sind, kann eine optimale Anpassung der Entladeschwelle für verschiedene Betriebszeitpunkte besonders einfach und verbrauchsopti- miert vorgenommen werden.

Besonders bevorzugt ist nach Anspruch 2, dass die Entladung des Stickoxid- Speicherkatalysators dann ausgelöst wird, wenn der zum Umschaltzeitpunkt erfasste aktuelle Stickoxid-Endrohremissionswert einen vorgebbaren, prozen- tualen Wert bezogen auf einen modellierten Stickoxid-Rohemissionswert zlum Umschaltzeitpunkt erreicht oder überschreitet. Besonders bevorzugt ist hierbei nach Anspruch 3 vorgesehen, dass zur Ermittlung des aktuellen Stickoxid-End- rohremissionswertes der Stickoxid-Massenstrom nach dem Stickoxid-Spei- cherkatalysator über die aktuelle Magerphase aufintegriert wird und/oder dass der modellierte Stickoxid-Rohemissionswert das Integral des modellierten Stickoxid-Rohmassenstroms vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator über die gleiche aktuelle Magerphase ist. Der Quotient dieser beiden Integralwerte stellt hier somit eine Art relativer Stickoxid-Schlupf dar, bei dem eine Veränderung der tatsächlichen Rohemissionswerte bzw. mengen wie eine Veränderung der Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators behandelt und damit emissionsneutral abgefangen werden kann. Eine Entladung wird vor- zugsweise dann durchgeführt, wenn zum Umschaltzeitpunkt folgende Um- schaltbedingung erfüllt ist : Integral der aktuell erfassten Stickoxid-Endrohremissionswerte vorgebbarer prozentualer Wert, Integral der modellierten Stickoxid-Rohemissionswerte Wie bereits zuvor erläutert, wird hierbei der prozentuale Wert in Abhängigkeit von einem Abgasgrenzwert vorgegeben, wobei das Produkt aus vorgebbarem

prozentualen Wert und dem Integralwert der modellierten Stickoxid-Rohemis- sionswert die Entladeschwelle festlegen. Ist der aktuell erfasste Stickoxid-End- rohremissionswert größer oder gleich diesem Produkt, wird die Entladung ein- geleitet. Die Integrale werden hier über die Magerphase berechnet.

Dieser prozentuale Wert liegt nach Anspruch 4 wenigstens bei 10 %, vorzugs- weise wenigstens bei 5 %. Dadurch wird eine hohe Abgassicherheit in Verbin- dung mit Stickoxid-Schadstoffen erzielt.

Gerätetechnisch kann der Stickoxid-Endrohemissionswert nach Anspruch 5 bevorzugt mittels einer in Abgasstromrichtung gesehen nach dem Stickoxid- Speicherkatalysator angeordneten Sensoreinrichtung, vorzugsweise einem Stickoxid-Sensor, erfasst werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Auftragung der Stickoxidmenge über der Zeit. Die Kurve 1 stellt das Zeitintegral der modellierten Stickoxid-Roh- emissionsmenge vor einem Stickoxid-Speicherkatalysator dar. Diese Kurve 1 ist in einem Kennfeld abgespeichert und steht dem Motorsteuergerät jederzeit zur Verfügung. Da die Modellbildung der Stickoxid-Rohemissionen während der Fahrzeuglebensdauer einer Vielzahl von Fehlerquellen unterliegt, die eine exakte Berechnung der Rohemissionen erschweren, kommt es im tatsächli- chen Fahrzeugbetrieb zu tatsächlichen Rohemissionswerten, wie diese durch die Kurve 2 dargestellt sind.

Um einen rohemissionsunabhängigen Entlade-bzw. Umschaltzeitpunkt fest- zulegen, wird zur Ermittlung eines optimierten Umschaltzeitpunktes von einem Magerbetriebsbereich auf einen fetten Betriebsbereich zur Entladung des Stickoxid-Speicherkatalysators eine Entladeschwelle als Funktion der model-

lierten Stickoxid-Rohemissionswerte im Abgasstrom und als Funktion von er- fassten, aktuellen Stickoxid-Endrohremissionswerten festgelegt. Dazu wird eine Entladeschwelle 3 festgelegt, hier beispielsweise bei 0,05 der modeller- ten Stickoxid-Rohemissionswerte, wobei sich der Wert 0,05 aus einem pro- zentualen Wert von 5 % ergibt, der sich wiederum von einem vorgegebenen Abgasgrenzwert ableitet. D. h. max. 5 % des Integrales der Rohemissionen werden emittiert, und die Kurve 3 stellt diese 5 % der modellierten Rohemis- sionen dar.

In der Fig. 1 ist mit 4 eine strichlierte Kurve eingezeichnet, die als Zeitintegral die aktuellen Stickoxid-Endrohremissionswerte, die nach dem Stickoxid-Spei- cherkatalysator gemessen werden, wiedergibt. Sobald diese Kurve 4 die Ent- ladeschwelle 3 erreicht oder überschreitet, was als Schnittpunkt E in Fig. 1 eingezeichnet ist, dann wird vom Motorsteuergerät eine Entladung eingeleitet, da die folgende Umschaltbedingung erfüllt wird : Integral der aktuell erfassten Stickoxid-Endrohremissionswerte 0, 05 Integral der modellierten Stickoxid-Rohemissionswerte Nimmt man an, dass die Endrohrkurve 4 diejenigen Endrohremissionen sind, bei denen die tatsächlichen gleich den modellierten Stickoxid-Rohemissions- werten sind, dann ergibt sich für den Fall, dass die tatsächlichen Rohemissi- onswerte oder-mengen gemäß Kurve 2 über den modellierten Rohemissi- onswerten oder-mengen gemäß Kurve 1 liegen, die strichliert@ Endrohrkurve 5, bei der der Endiadezeitpunkt E'eher erreicht wird als in Verbindung mit der Endrohrkurve 4. Da die Entladeschwelle 3 aber in Abhängigkeit von den mo- dellierten Rohemissionen festgelegt wird, ergibt sich somit im Betrieb stets der Fall, dass eine Entladung stets dann durchgeführt wird, wenn das Integral der Endrohremissionen größer 5 % der modellierten Rohemissionen ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Endrohremissionen einen Wert von 5 % der Modell-

rohemission nicht überschreiten und damit unabhängig von den tatsächlichen Rohemissionen bleiben. Damit lässt sich eine Betriebsweise des Stickoxid- Speicherkatalysators und damit der Brennkraftmaschine erzielen, bei der die Abgasgrenzwerte unabhängig von den tatsächlichen Rohemissionen ein- gehalten werden und mit der ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches opti- mierter Betrieb möglich ist.

Der mögliche Entladebereich ist in der Fig. 1 strichliert dargestellt und mit Be- zugszeichen 6 bezeichnet.