DE10043366A1 - Verfahren zur Aufheizung von Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Aufheizen eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors, DOLLAR A der in verschiedenen Betriebarten betrieben werden kann und bei dem wenigstens eine von mehreren Heizmaßnahmen ausgewählt werden kann DOLLAR A so, dass zunächst für mehrere Heizmaßnahmen abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme die gewünschte Heizwirkung bereitstellen kann DOLLAR A und dass weiter abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme mit Blick auf die Abgaswerte und die zur Durchführung der Heizmaßnahme notwenige Betriebsart des Verbrennungsmotors im aktuellen Betriebszustand durchführbar ist DOLLAR A und dass weiter diejenige die Betriebsart angefordert wird, in der die Anforderungen am besten erfüllt werden können DOLLAR A und dass abhängig von der aktuellen Betriebsart jeweils wenigstens eine mögliche Heizmaßnahme aktiviert wird.

Description

Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren benötigen eine bestimmte Mindesttemperatur (Light off temperature), um ihre schadstoffkonvertierende Wirkung zu entfalten. Diese soll nach einem Kaltstart möglichst schnell erreicht werden. Bei Motoren, die mit magerem Kraftstoff/Luftgemisch betrieben werden, beispielsweise bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung und Stickoxidspeicherkatalysator ergeben sich weitere und zum Teil wechselnde Anforderungen an die Katalysatortemperatur beispielsweise aus einer notwendigen Desulfatisierung des Speicherkatalysators während des Fahrbetriebs. Eine Desulfatisierung erfordert beispielsweise vorübergehend eine höhere Katalysatortemperatur als im Normalbetrieb für die Speicherung der Stickoxide erforderlich ist.

Es sind bereits verschiedene Maßnahmen zur Aufheizung von Katalysatoren bekannt.

Beispielsweise kann die motorische Verbrennung mit so fettem Gemisch erfolgen, dass das Abgas noch unverbrannten Kraftstoff enthält. Die Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas läßt ein reaktionsfähiges Gemisch entstehen, das den Katalysator durch eine exotherme Reaktion aufheizt.

Weiterhin kann die motorische Verbrennung mit so magerem Gemisch erfolgen, dass das Abgas noch unverbrauchten Sauerstoff enthält. In diesem Fall kann ein reaktionsfähiges Gemisch durch die Zufuhr von Kraftstoff zum Abgas erzeugt werden.

Es ist weiterhin bekannt, den Katalysator durch die Folgen einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der motorischen Verbrennung aufzuheizen. Eine Wirkungsgradverschlechterung der motorischen Verbrennung kann beispielsweise durch eine Abweichung des Zündzeitpunktes vom optimalen Zeitpunkt herbeigeführt werden, wobei der optimale Zeitpunkt durch den maximalen Wirkungsgrad definiert wird. Durch die Wirkungsgradeinbuße ist das Abgas heißer im Vergleich zum Betrieb ohne Wirkungsgradeinbußen. Es entfaltet daher eine verstärkte Heizwirkung im Katalysator.

Bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung erlauben unterschiedliche Betriebsarten des Motors unterschiedliche Maßnahmen zur Heizung des Katalysators.

Aus der DE 198 50 586 ist ein Motorsteuerungsprogramm bekannt, das die Umschaltung zwischen Schichtbetrieb und Homogenbetrieb steuert.

Im Schichtbetrieb wird der Motor mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuß betrieben, um einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Die geschichtete Ladung wird durch eine späte Kraftstoffeinspritzung erreicht, die im Idealfall zur Aufteilung des Brennraums in zwei Zonen führt: Die erste Zone enthält eine brennfähige Luft-Kraftstoff-Gemischwolke an der Zündkerze. Sie wird von der zweiten Zone umgeben, die aus einer isolierenden Schicht aus Luft und Restgas besteht. Das Potential zur Verbrauchsoptimierung ergibt sich aus der Möglichkeit, den Motor unter Vermeidung von Ladungswechselverlusten weitgehend ungedrosselt zu betreiben. Der Schichtbetrieb wird bei vergleichsweise niedriger Last bevorzugt.

Bei höherer Last, wenn die Leistungsoptimierung im Vordergrund steht, wird der Motor mit homogener Zylinderfüllung betrieben. Die homogene Zylinderfüllung ergibt sich aus einer frühen Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugvorganges. Als Folge steht bis zur Verbrennung eine größere Zeit zur Gemischbildung zur Verfügung. Das Potential dieser Betriebsart zur Leistungsoptimierung ergibt sich zum Beispiel aus der Ausnutzung des gesamten Brennraumvolumens zur Füllung mit brennfähigem Gemisch.

Zur Aufheizung eines NOx-Speicherkatalysators im Homogenbetrieb kann eine Abgaszusammensetzung eingestellt werden, die von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung abweicht.

Bei Benzindirekteinspritzmotoren besteht weiter die Möglichkeit, beim Betrieb mit Luftüberschuß, also vorzugsweise im Schichtbetrieb, gezielt Kraftstoff in den Zylinder nach der motorischen Verbrennung im Expansionstakt einzuspritzen. Hier reagiert der nacheingespritzte Kraftstoff mit dem Luftüberschuß der motorischen Verbrennung im Katalysator. Die bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärme heizt den Katalysator auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in jedem Betriebszustand eine optimale Heizstrategie zu wählen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Im einzelnen erfolgt das erfindungsgemäße Aufheizen eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors, der in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden kann und bei dem wenigstens eine von mehreren Heizmaßnahmen ausgewählt werden kann
so, dass zunächst für mehrere Heizmaßnahmen abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme die gewünschte Heizwirkung bereitstellen kann
und dass weiter abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme mit Blick auf die Abgaswerte und die zur Durchführung der Heizmaßnahme notwendige Betriebsart des Verbrennungsmotors im aktuellen Betriebszustand durchführbar ist
und dass weiter diejenige die Betriebsart angefordert wird, in der die Anforderungen am besten erfüllt werden können und dass abhängig von der aktuellen Betriebsart jeweils wenigstens eine mögliche Heizmaßnahme aktiviert wird.

Dabei wird der aktuelle Betriebszustand beispielsweise durch Werte für die Katalysatortemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die aktuelle Last charakterisiert.

Vorteile

Die verschiedenen Betriebsarten des Verbrennungsmotors mit Benzindirekteinspritzung erlauben unterschiedliche Maßnahmen zur Heizung des Katalysators. Die erfindungsgemäße Zuordnung von Heizmaßnahmen und Betriebsarten ermöglicht eine Optimierung der Heizstrategie mit Blick auf den Betriebszustand des Fährzeugs, der beispielsweise von Parametern wie Katalysatortemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und Drehmomentbedarf bestimmt wird.

Vorteilhafterweise werden die möglichen Heizwirkungen verschiedener Katalysatorheizmaßnahmen abgeschätzt und mit dem Heizwirkungsbedarf verglichen. Der Heizwirkungsbedarf zur Aufheizung eines Katalysators führt beispielsweise zu physikalischen Anforderungen an die Menge und die Temperatur des Abgasstroms, der durch die Heizmaßnahme bereitgestellt werden muß.

Weiterhin werden die Betriebsgrenzen für die einzelnen Betriebsarten berücksichtigt. Dadurch ist es möglich, in jedem Betriebszustand eine optimale Heizstrategie zu wählen.

Alle Anforderungen für aktive Heizmaßnahmen werden als Wärmestrom- und Temperaturanforderungen im Abgas formuliert. Dadurch können alle Anforderungen einheitlich behandelt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Blick auf die Figur erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Flußdiagramms.

Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert den Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Über ein Einlaßventil 2 wird der Zustrom von Luft zum Brennraum gesteuert. Die Luft wird über ein Saugrohr 3 angesaugt. Die Ansaugluftmenge kann über eine Drosselklappe 4 variiert werden, die von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Dem Steuergerät werden Signale über den Drehmomentwunsch des Fahrers, bspw. über die Stellung eines. Fahrpedals 6, ein Signal über die Motordrehzahl n von einem Drehzahlgeber 7, ein Signal über die Menge ml der angesaugten Luft von einem Luftmengenmesser 8 und ein Signal Us über die Abgaszusammensetzung und/oder Abgastemperatur von einem Abgassensor 12 zugeführt. Abgassensor 12 kann beispielsweise eine Lambdasonde sein, deren Nernstspannung den Sauerstoffgehalt im Abgas angibt und deren Innenwiderstand als Maß für die Sonden-, Abgas- und/oder Katalysator-Temperatur herangezogen wird. Das Abgas wird durch wenigstens einen Katalysator 15 geführt, in dem Schadstoffe aus dem Abgas konvertiert und/oder vorübergehend gespeichert werden.

Aus diesen und ggf. weiteren Eingangssignalen über weitere Parameter des Verbrennungsmotors wie Ansaugluft- und Kühlmitteltemperatur und so weiter bildet das Steuergerät 5 Ausgangssignale zur Einstellung des Drosselklappenwinkels alpha durch ein Stellglied 9 und zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils 10, durch das Kraftstoff in den Brennraum des Motors dosiert wird. Außerdem wird durch das Steuergerät die Auslösung der Zündung über eine Zündeinrichtung 11 gesteuert.

Der Drosselklappenwinkel alpha und die Einspritzimpulsbreite ti sind wesentliche, aufeinander abzustimmende Stellgrößen zur Realisierung des gewünschten Drehmomentes, der Abgaszusammensetzung und der Abgastemperatur und damit der Katalysatortemperatur. Eine weitere wesentliche Stellgröße zur Beeinflussung dieser Größen ist Winkellage der Zündung relativ zur Kolbenbewegung. Die Bestimmung der Stellgrößen zur Einstellung des Drehmomentes ist Gegenstand der DE 198 51 990, die insoweit in die Offenbarung einbezogen sein soll.

Weiterhin steuert das Steuergerät weitere Funktionen zur Erzielung einer effizienten Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum, beispielsweise eine nicht dargestellte Abgasrückführung und/oder Tankentlüftung. Die aus der Verbrennung resultierende Gaskraft wird durch Kolben 13 und Kurbeltrieb 14 in ein Drehmoment gewandelt.

In diesem technischen Umfeld kann die Katalysatortemperatur gemessen werden oder aus Betriebsgrößen des Motors modelliert werden. Die Modellierung von Temperaturen im Abgastrakt von Verbrennungsmotoren ist beispielsweise aus der US 5 590 521 bekannt.

Für das Heizen mittels Nacheinspritzung fordert die erfindungsgemäße Motorsteuerung Mindesttemperaturen in den Katalysatoren. Bis diese erreicht sind, wird beispielsweise als erste Maßnahme Homogenbetrieb mit später Zündung gefordert und eingestellt. Sind die notwendigen Temperaturen erreicht, wird die Nacheinspritzung als mögliche Alternative erlaubt. Es erfolgt die Umschaltung auf Schichtbetrieb mit Nacheinspritzung um einen höheren Wärmestrom zu erzeugen. Dabei wird der Luftstrom soweit gedrosselt, dass der benötigte Wärmestrom bei einer geforderten Temperatur erreicht wird.

Die Androsselung erfolgt in einem ersten Ausführungsbeispiel durch ein gesteuertes Schließen der Drosselklappe um einen vorbestimmten Winkel oder auf einen vorbestimmten Öffnungswinkel. Mit anderen Worten: Die Androsselung erfolgt in diesem Beispiel ungeregelt. Die Gemischzusammensetzung sollte für eine maximale Wärmefreisetzung nahe bei Lambda gleich 1 sein. Durch dynamischen Fahrbetrieb mit wechselnden Drehmomentanforderungen kann es zu vorübergehenden Gemischanreicherungen zu Lambdawerten kleiner als Eins kommen. Dadurch können die Abgasemissionen in unerwünschter - Weise verschlechtert werden.

Zur Vermeidung einer Abgasverschlechterung wird die Nacheinspritzung vorteilhafterweise mit Hilfe der vorhandenen Abgassonde geregelt. Dadurch kann ein Durchbruch von fettem Abgas verhindert werden. Dabei bezeichnet Durchbruch das Auftreten von HC-Emissionen hinter dem Katalysator. Als weiterer Vorteil wird die exotherme Energiefreisetzung bei Lambda gleich 1 maximal genutzt.

Im einzelnen wird aufgrund der Heizanforderung eine notwendige Kraftstoffmenge zur Nacheinspritzung bei maximal möglicher Androsselung ermittelt. Dabei muß neben der Heizanforderung auch der Luftbedarf der Nacheinspritzung und die Temperaturerhöhung durch die Androsselung berücksichtigt werden. Letzteres ist insbesondere wichtig, um Überhitzungen von Bauteilen im Abgastrakt zu verhindern.

Alternativ zur Regelung der nacheingespritzten Kraftstoffmenge über das gemessene Abgaslambda kann die Androsselung über das gemessene Abgaslambda geregelt werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Flußdiagramms.

Im Schritt 2.1 wird überprüft, ob eine Anforderung für eine Katalysatorheizmaßnahme vorliegt. Ist dies der Fall, erfolgt im Schritt 2.2 eine Abschätzung für wenigstens eine Heizmaßnahme X, ob diese die gewünschte Heizwirkung bereitstellen kann und ob diese Heizmaßnahme mit Blick auf die Abgaswerte und die zur Durchführung der Heizmaßnahme notwendige Betriebsart des Verbrennungsmotors im aktuellen Betriebszustand (Katalysatortemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, aktuelle Last) erlaubt ist.

Dabei werden die verschiedenen Heizmaßnahmen aufgrund physikalischer Anforderungen (Wärmestrom und Temperatur) berechnet und bewertet. Weiterhin werden die Betriebsgrenzen für die einzelen Betriebsarten berücksichtigt. Dadurch ist es möglich, in jedem Betriebszustand eine optimale Heizstrategie zu wählen. Weiter wird für jede Heizmaßnahme geprüft, ob sie mit Blick auf die Abgaswerte und die erforderliche Betriebsart im aktuellen Fahrzustand, d. h. bei aktueller Katalysatortemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und Last möglich ist.

Mit dieser Information können die einzelnen Heizmaßnahmen abhängig vom Betriebszustand bewertet und eine Entscheidung für die beste Maßnahme getroffen werden. Die Beurteilung einer Heizmaßnahme erfolgt bei anliegender Forderung in einem langsamen Zeitraster für jede Heizmaßnahme. Nur für die aktivierte Heizmaßnahme werden die notwendigen Eingriffe in einem schnellen Zeitraster berechnet um Rechenzeit zu sparen.

Gegebenenfalls erfolgt im Schritt 2.3 die Anforderung der erforderlichen optimalen Betriebsart. So kann beispielsweise bei noch kaltem Katalysator eine Nacheinspritzung im Schichtbetrieb nicht optimal sein, weil ein noch kalter Katalysator die exotherme Reaktion des resultierenden Gemisches im Abgas nicht aktivieren kann. In diesem Fall wäre eine Wirkungsgradverschlechterung durch Spätzündung zur Erhöhung der Abgastemperatur angebracht. Diese kann bevorzugt in der Betriebsart mit Homogenbetrieb durchgeführt werden. Entsprechend kann hier im Schritt 2.3 eine Umschaltung in den Homogenbetrieb erfolgen.

Anschließend erfolgt im Schritt 2.4 die Aktivierung der ausgewählten Heizmaßnahme.

Wird dagegen die Abfrage im Schritt 2.1 verneint, erfolgt keine Anforderung einer Heizmaßnahme und eventuell aktivierte Heizmaßnahmen werden deaktiviert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors,
der in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden kann und
bei dem wenigstens eine von mehreren Heizmaßnahmen ausgewählt werden kann
wobei für mehrere Heizmaßnahmen abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme die gewünschte Heizwirkung bereitstellen kann
und wobei abgeschätzt wird, ob eine individuelle Heizmaßnahme mit Blick auf die Abgaswerte und die zur Durchführung der Heizmaßnahme notwendige Betriebsart des Verbrennungsmotors im aktuellen Betriebszustand (Katalysatortemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, aktuelle Last) durchführbar ist
und wobei die Betriebsart angefordert wird, in der die Anforderungen am besten erfüllt werden können
und wobei abhängig von der aktuellen Betriebsart jeweils wenigstens eine mögliche Heizmaßnahme aktiviert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Maßnahme eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der motorischen Verbrennung über eine Änderung des Zündwinkels erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eine weitere Maßnahme bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung nach der Verbrennung eine Kraftstoff-Nacheinspritzung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung mit Schichtbetrieb kombiniert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verbrennungsmotor angesaugte Luftmenge soweit gedrosselt wird, dass der benötigte Wärmestrom bei einer geforderten Temperatur erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufheizung eines NOx-Speicherkatalysators im Homogenbetrieb eine Abgaszusammensetzung eingestellt wird, die von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung abweicht.