Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt. Der Abgastrakt umfasst einen ersten Abgaskatalysator und stromabwärts des ersten einen zweiten Abgaskatalysator. Er umfasst ferner eine Abgassonde die stromaufwärts oder in dem ersten Abgaskatalysator angeordnet ist, und eine zweite Abgassonde, die stromabwärts des ersten Abgaskatalysators und stromaufwärts des zweiten Abgaskatalysators angeordnet ist.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zu anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Abgaskatalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe umwandeln. In diesem Zusammenhang werden beispielsweise so genannte Dreiwegekatalysatoren eingesetzt.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brenn-

kraftmaschine zu schaffen, die einen einfachen und schad- stoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine dazu korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brenn- kraftmaschine mit einem Abgastrakt, der einen ersten Abgaskatalysator und stromabwärts des ersten einen zweiten Abgaskatalysator umfasst. Ferner umfasst der Abgastrakt eine erste Abgassonde, die stromaufwärts oder in dem ersten Abgaskatalysator angeordnet ist, und eine zweite Abgassonde, die strom- abwärts des ersten Abgaskatalysators und stromaufwärts des zweiten Abgaskatalysators angeordnet ist. Während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine wird das Messsignal der zweiten Abgassonde auf eine Signalcharakteristik überwacht, die charakteristisch ist für einen erreichten maximal mögli- chen Beladungsgrad des ersten Abgaskatalysators mit Sauerstoff. Diese Signalcharakteristik kann beispielsweise, und zwar je nach Ausgestaltung der Abgassonde, umfassen das Erreichen eines vorgegebenen Wertes des Messsignals, dem der so genannte Magerdurchbruch des ersten Abgaskatalysators zuge- ordnet ist. In diesem Zusammenhang kann die Signalcharakteristik auch beispielsweise eine Gradientenbetrachtung umfassen .

Während des Schubbetriebs wird ab dem Auftreten der Signal- Charakteristik eine Kenngröße für einen Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff abhängig von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt. Außerhalb des Schubbetriebs wird ein Anreicherungsbetrieb gesteuert durch Anfetten des der Brennkraftmaschine zugeführten

Luft/Kraftstoff-Gemisches und zwar abhängig von der Kenngröße für einen Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff. Durch dieses Ermitteln der Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators kann der Beladungs- grad sehr einfach aber äußerst präzise ermittelt werden und somit der zweite Abgaskatalysator außerhalb des Schubbetriebs wieder einfach und präzise in einen Zustand gebracht werden, in dem er innerhalb seines bevorzugten Arbeitsbereichs betrieben werden kann. Auf diese Weise kann durch den Anreiche- rungsbetrieb abhängig von der Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators die so genannten Spülmenge sehr genau dosiert werden, um den in dem zweiten Abgaskatalysator gespeicherten Sauerstoff aus der Schubphase wieder auszuräumen und zwar auf geeignete Weise. Auf diese Weise kann auch vermieden werden, dass unnötig Kohlenwasserstoffe durch eine zu lange Anreicherungsphase dann aufgrund eines bereits von Sauerstoff ausgeräumten zweiten Abgaskatalysators den Abgastrakt der Brennkraftmaschine in die Umgebung verlassen und somit unerwünschte Schadstoffemissionen erzeugen. Ferner kann auch so zuverlässig erreicht werden, dass durch eine zu geringe Spülmenge längerfristig überhöhte NOX Emissionen entstehen. Darüber hinaus ist so kein Einsatz zusätzlicher Sen- sorik erforderlich, sondern es wird im Gegenteil das Messsignal der zweiten Abgassonde auf geschickte Weise ausgewertet, um so den Beginn des Anreicherns des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine zu detektieren und somit ein präzises Ermitteln der Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff zu ermöglichen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Korrekturwert abhängig von einem zeitlichen Abstand des Schubbetriebs zu einem vorangegangenen Schubbetrieb ermittelt und die Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators mit

Sauerstoff wird abhängig von dem Korrekturwert ermittelt. Somit kann wirkungsvoll berücksichtigt werden, dass ggf. resultierend aus dem im Vergleich zu dem aktuellen Schubbetrieb vorangehenden Schubbetrieb noch gespeicherter Sauerstoff be- rücksichtigt wird.

Gemäß einer weitern vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kenngröße für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Auf diese Weise kann einfach berücksichtigt werden, dass der Katalysator nur zum einem gewissen Grad Sauerstoff aufnehmen kann und insbesondere der vorgegebene Maximalwert beispielsweise vorab, insbesondere an einem Motorprüfstand, ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine dritte Abgassonde ein- gesetzt werden, mittels der ein Messsignal erkannt werden kann, wenn der zweite Abgaskatalysator vollständig mit Sauerstoff beladen ist und somit keinen weiteren Sauerstoff mehr aufnehmen kann. Der so ermittelte maximale Wert kann dann eingesetzt werden für entsprechende Serien- Brennkraftmaschinen, die dann nicht diese dritte Abgassonde aufweisen. Die dritte Abgassonde kann auch dazu eingesetzt werden ein Entladungsmodell zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubbetrieben zu erstellen, dass dann im Rahmen des Ermitteln des Korrekturwertes eingesetzt werden kann.

In diesem Zusammenhang wird darüber hinaus die Erkenntnis genutzt, dass im Gegensatz zu dem ersten Abgaskatalysator der zweite Abgaskatalysator einer deutlich geringeren Alterung unterworfen ist und somit sich insbesondere die Sauerstoff- Speicherfähigkeit des zweiten Abgaskatalysators während relevanter Betriebsdauer der Brennkraftmaschine nicht in erheblichem Maße verändert und somit mittels dieses Maximalwertes eine einfache jedoch ausreichend genaue Abschätzung der maxi-

malen Beladung des zweiten Abgaskatalysators mit Sauerstoff erfolgen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung und

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Programms.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, dass hin zu einem Zylinder Zl über einen Einlasskanal in den Motor- block 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine

Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit dem Kolben 11 des Zylinders Zl gekoppelt ist.

Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gas- einlassventil 12 und einem Gasauslassventil 13.

Der Zylinderkopf umfasst ferner ein Einspritzventil 18 und eine Zündkerze 19. Alternativ kann das Einspritzventil auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein. In dem Abgastrakt 4 sind ein erster Abgaskatalysator 21 und ein zweiter Abgaskatalysator 23 angeordnet, die beispielsweise als Dreiwegekatalysatoren ausgebildet sind. Typischerweise ist der erste Abgaskatalysator 21 motornah ausgebildet und somit höheren Temperaturschwankungen unterworfen im Vergleich zu dem zweiten Abgaska-

talysator 23, der regelmäßig im Vergleich zu dem ersten Abgaskatalysator 21 deutlich entfernter zu dem Motorblock 2 angeordnet ist und somit deutlich geringeren Temperaturschwankungen unterliegt. Der erste Abgaskatalysator 21 ist bei- spielsweise von seinem Katalysatorvolumen deutlich kleiner ausgebildet als der zweite Abgaskatalysator 23. Sein Katalysatorvolumen kann jedoch grundsätzlich in einem beliebigen Verhältnis zu dem des zweiten Abgaskatalysators 23 sein.

Häufig wird der erste Abgaskatalysator 21 auch als VorKatalysator und der zweite Abgaskatalysator 23 als Haupt- Katalysator bezeichnet.

Ferner ist eine Steuervorrichtung 25 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen BG umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen .

Die Steuervorrichtung 25 ist dazu ausgebildet abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen BG Stellgrößen zu ermitteln, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrich- tung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welche eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, welche einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein erster Temperatursensor 32, welche eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksen- sor 34, welcher einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl zugeordnet wird.

Ferner ist eine erste Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des ersten Abgaskatalysators 21 oder in dem ersten Abgaskatalysator 21 angeordnet ist und die einen Restsauer- stoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal MSl charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Brennraum des Zylinders Zl und stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 vor der Oxidation des Kraftstoffs, im Folgenden bezeichnet als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder Zl. Die erste Abgassonde 42 kann auch so in dem ersten Abgaskatalysator 21 angeordnet sein, dass sich ein Teil des Katalysatorvolumens stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 befindet. Die erste Abgassonde 42 kann beispielsweise eine lineare Lambda-Sonde oder auch eine binäre Lambda-Sonde sein.

Ferner ist bevorzugt eine zweite Abgassonde 44 stromabwärts des ersten Abgaskatalysators 21 angeordnet, die insbesondere auch im Rahmen einer Trimmregelung eingesetzt ist und bevorzugt als einfache binäre Lambda-Sonde ausgebildet ist. Sie kann jedoch auch beispielsweise als eine lineare Lambda-Sonde ausgebildet sein.

Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Einspritzventil 18 oder die Zündkerze 19.

Neben dem Zylinder Zl sind bevorzugt auch noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen, denen dann auch entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls Sensoren zugeordnet sind.

Grundsätzlich kann somit die Brennkraftmaschine eine beliebige Anzahl an Zylindern aufweisen.

Ein Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine wird in ei- nem Schritt Sl (Figur 2) gestartet. In dem Schritt Sl können gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.

In einem Schritt S2 wird geprüft, ob ein Betriebszustand BZ der Brennkraftmaschine gleich ist dem Schubbetrieb PUC. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt S4 das Messsignal MS2 der zweiten Abgassonde 44 erfasst. In einem Schritt S6 wird anschließend geprüft, ob das Messsignal MS2 der zweiten Abgassonde 44 eine Signalcharakteristik aufweist, die charakteristisch ist für einen erreichten maximal möglichen BeIa- dungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff. Die Signalcharakteristik kann beispielsweise ein Erreichen eines vorgegebenen charakteristischen Wertes des Messsignals MS2 der zweiten Abgassonde umfassen und zwar insbesondere beispielsweise in Zusammenhang mit einem vorgegebenen Gra- dienten oder zumindest einem vorgegebenen Vorzeichen des Gradienten. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass wenn der erste Abgaskatalysator 21 seine volle Beladung mit Sauerstoff erreicht hat, dieser nicht weiter Sauerstoff aufnehmen kann und somit dann ein wesentlich höherer Sauerstoffanteil wäh- rend des Schubbetriebs PUC zu der zweiten Abgassonde 44 und mithin zu dem zweiten Abgaskatalysator 23 gelangt. Das Auftreten der Signalcharakteristik ist somit korrelierend zu dem Zeitpunkt, ab dem mit dem Beladen des SauerstoffSpeichers des zweiten Abgaskatalysators 23 während des Schubbetriebs PUC begonnen wird. Ist die Bedingung des Schrittes S6 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt, gegebenenfalls nach Ablauf einer vorgebbaren Wartezeitdauer .

Ist die Bedingung des Schrittes S6 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt S8 ein Korrekturwert COR abhängig von einem zeitlichen Abstand T D PUC des Schubbetriebs PUC zu einem vorangegangenen Schubbetrieb ermittelt. Somit ist der zeitliche Abstand T D PUC repräsentativ für die Beabstandung zweier aufeinander folgender Schubbetriebe. Das Ermitteln des Korrekturwertes kann beispielsweise unter Nutzung eines Kennfeldes erfolgen, das beispielsweise durch Versuche an einem Motorprüfstand oder auch durch Simulation vorab ermittelt ist.

In einem Schritt SlO wird die Kenngröße KG CAT2 für einen Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff ermittelt. Dies erfolgt abhängig von zumindest einer Betriebsgröße BG. Bevorzugt erfolgt dies beispielsweise mittels Integrierens des mittels des Luftmassensensors 28 erfassten Luftmassenstroms über die Zeit. Insofern wird bevorzugt ein so genanntes Sauerstoffintegral gebildet als Kenngröße KG_CAT2 für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff. Die Kenngröße KG CAT2 kann jedoch grund- sätzlich auch abhängig von weiteren Betriebsgrößen ermittelt werden. Darüber hinaus wird die Kenngröße K_CAT2 für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff bevorzugt auch abhängig von dem Korrekturwert ermittelt. Dadurch kann wirkungsvoll ein ggf. noch aus der zurückliegenden Schubphase noch eingelagerter Sauerstoff berücksichtigt werden .

In einem Schritt S12 wird anschließend geprüft, ob der Betriebszustand BZ gleich ist dem Schubbetrieb PUC und der Wert der Kenngröße KG_CAT2 kleiner oder gleich ist einem vorgege- benen Maximalwert KG_MAX.

Der vorgegebene Maximalwert KG MAX ist bevorzugt durch entsprechende Versuche beispielsweise an einem Motorprüfstand oder auch mittels Simulationen vorab ermittelt. In diesem Zu-

sammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn zu diesem Zweck beispielsweise an einer Versuchsbrennkraftmaschine, insbesondere im Rahmen eines MotorprüfStands, eine dritte Abgassonde auch stromabwärts des zweiten Abgaskatalysators 23 vorgesehen ist mittels der dann der Maximalwert KG MAX ermittelt werden kann und zwar insbesondere auch mittels einer weiteren Signalcharakteristik der dritten Abgassonde, die charakteristisch ist für eine maximal erreichten Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff.

Ist die Bedingung des Schrittes S12 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schrittes S12 hingegen erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt SlO fortgesetzt. In diesem Zusammenhang kann das Fortsetzen der Bearbeitung ebenso erst nach Ablauf einer vorgebbaren Wartezeitdauer beispielsweise erfolgen .

Ist die Bedingung des Schrittes S2 nicht erfüllt, das heißt der Betriebszustand BZ ist nicht der Schubbetrieb PUC, so wird in einem Schritt S14 wird ein Anreicherungsbetrieb CAT EN gesteuert und zwar abhängig von der Kenngröße KG CAT2 für den Beladungsgrad des zweiten Abgaskatalysators 23 mit Sauerstoff und bevorzugt abhängig von einer Kenngröße KG CATl für einen Beladungsgrad des ersten Abgaskatalysators 21 mit

Sauerstoff. Die Kenngröße KG CATl bezüglich des ersten Abgaskatalysators 21 wird bevorzugt beispielsweise auch mittels eines Sauerstoffintegrals ermittelt, wobei zu diesem Zweck die Messsignale MSl und/oder MS2 der ersten beziehungsweise der zweiten Abgassonde 42, 44 ausgewertet werden können und grundsätzlich beispielsweise auch eine weitere Betriebsgröße herangezogen werden kann, wie beispielsweise der Luftmassenstrom. Dabei wird der Anreichungsbetrieb CAT_EN so gesteuert, dass nach Beendigung des Schubbetriebs PUC, unter Berücksich-

tigung gegebenenfalls noch weiterer Randbedingungen, der jeweilige Abgaskatalysator 21, 23 insbesondere möglichst schnell wieder innerhalb des seines bevorzugten Konvertierungsfensters betrieben wird. Ist dies dann erreicht, ist kein weiterer Anreicherungsbetrieb mehr erforderlich.

Während des Anreicherungsbetriebs CAT EN erfolgt ein gezieltes Anfetten des zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches, um so zu erreichen dass Kohlenwasserstoffe in einem der Abgaskata- lysatoren 21, 23 mit dort gebundenem Sauerstoff reagieren können und so der jeweilige Beladungsgrad geeignet reduziert wird.

Im Anschluss an den Schritt S14 wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt.