DE19963925A1 - Verfahren zum Betreiben eines Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die mit einem Speicherkatalysator (12') versehen ist, der mit Stickoxiden be- und entladen werden kann. Es ist ein Temperatursensor (13, 14) zur Messung der Temperatur des durch den Speicherkatalysator (12') strömenden Abgases und/oder der Temperatur des Speicherkatalysators (12') vorgesehen. Durch ein Steuergerät (18) wird die gemessene Temperatur mit einem Schwellwert verglichen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Speicherkatalysator mit Stickoxiden be- und entladen wird. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs sowie eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Ein derartiges Verfahren, ein derartiges Steuergerät und eine derartige Brennkraftmaschine sind beispielsweise bei einer sogenannten Benzin-Direkteinspritzung bekannt. Dort wird der Kraftstoff in einem Homogenbetrieb während der Ansaugphase oder in einem Schichtbetrieb während der Verdichtungsphase in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Homogenbetrieb ist vorzugsweise für den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen, während der Schichtbetrieb für den Leerlauf- und Teillastbetrieb geeignet ist. Beispielsweise in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment wird bei einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet.

Insbesondere zur Ausführung des Schichtbetriebs ist es erforderlich, daß ein Speicherkatalysator vorhanden ist, mit dem entstehende Stickoxide zwischengespeichert werden können, um sie während eines nachfolgenden Homogenbetriebs zu reduzieren. Dieser Speicherkatalysator wird im Schichtbetrieb mit den Stickoxiden beladen und im Homogenbetrieb wieder entladen. Dieses Be- und Entladen, thermische Beanspruchungen und Vergiftungen führt zu einer Alterung des Speicherkatalysators.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem die Alterung des Speicherkatalysators erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur des durch den Speicherkatalysator strömenden Abgases und/oder die Temperatur des Speicherkatalysators gemessen und mit einem Schwellwert verglichen wird. Bei einem Steuergerät und einer Brennkraftmaschine der jeweils eingangs genannten Art wird die Aufgabe entsprechend gelöst.

Das Entladen des Speicherkatalysator ist eine exotherme Reaktion, die somit Wärme abgibt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung der Abgase oder des Speicherkatalysators selbst während der Abgabe von Stickoxiden. Das Altern des Speicherkatalysators führt zu einer geringeren Speicherfähigkeit von Stickoxiden in demselben. Dies ist gleichbedeutend mit einer geringeren Temperaturerhöhung beim Entladen des Speicherkatalysators, da weniger Stickoxide zu entladen sind. Diese Verringerung der Temperaturerhöhung ist somit ein Maß für die Alterung der Speicherkatalysators.

Durch die erfindungsgemäße Messung der Temperatur des Abgases oder des Speicherkatalysators kann somit durch das Steuergerät auf den altersbedingten Zustand des Speicherkatalysators geschlossen werden. Insbesondere kann von dem Steuergerät bei Erreichen eines Schwellwerts auf eine nicht mehr hinnehmbare Alterung geschlossen werden, bei der z. B. eine ausreichende Abgasreinigung nicht mehr gewährleistet ist.

Es ist somit durch die Erfindung eine einfache und kostengünstige Erkennung der Alterung des Speicherkatalysators möglich. Das Verfahren nach der Erfindung ist stabil und unabhängig von sonstigen Einflüssen. Insbesondere ist die Erfindung weitgehend unabhängig von Veränderungen beteiligter Sensoren.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer Temperaturerhöhung verglichen, die bei einem neuen Speicherkatalysator gemessen worden ist, und es wird die Differenz mit einem oberen Grenzwert verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer modellierten Temperaturerhöhung verglichen, und es wird die Differenz mit einem oberen Grenzwert verglichen. Alternativ oder zusätzliche wird eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer Temperaturerhöhung verglichen, die bei einem Grenzkatalysator gemessen worden ist, und es wird die Differenz mit einem unteren Grenzwert verglichen. Alle drei Möglichkeiten erlauben eine einfache und effektive Erkennung des Alterungszustands des Speicherkatalysators.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Maximaltemperatur gemessen und mit einem unteren Schwellwert verglichen. Dies ermöglicht eine noch weiter vereinfachte Erkennung des Alterungszustands des Speicherkatalysators.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Temperatur in und/oder unmittelbar nach dem Speicherkatalysator gemessen wird. Durch die Kombination der beiden Temperaturmessungen kann die Genauigkeit des gesamten Verfahrens erhöht werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators verwendet.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so daß dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory oder ein Flash-Memory.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

In der Figur 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 drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.

Bei dem Katalysator 12 handelt es sich um einen Speicherkatalysator 12', der mit einem Dreiwegekatalysator 12" kombiniert ist. Der Katalysator 12 ist damit unter anderem dazu vorgesehen, Stickoxide (NOx) zwischenzuspeichern. In dem Katalysator 12 ist ein Temperatursensor 13 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist in dem Abgasrohr unmittelbar nach dem Katalysator 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' des Katalysators 12 wird während des Schichtbetriebs mit Stickoxiden beladen. In einem nachfolgenden Homogenbetrieb wird der Speicherkatalysator 12' wieder entladen und die Stickoxide werden von dem Dreiwegekatalysator 12" reduziert.

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.

Die Entladung des Speicherkatalysators 12' stellt eine exotherme Reaktion dar, bei der Wärme entsteht. Daraus resultiert eine Erhöhung der Temperatur der durch den Speicherkatalysator 12' hindurchströmenden Abgase. Diese Temperaturerhöhung wird von dem Temperatursensor 13 und/oder von dem Temperatursensor 14 gemessen. Gleichzeitig erfolgt durch die exotherme Reaktion auch eine Erhöhung der Temperatur des Speicherkatalysators 12' selbst, die alternativ oder zusätzlich von dem Temperatursensor 13 und gegebenenfalls auch von dem Temperatursensor 14 gemessen wird.

Aufgrund der Alterung des Speicherkatalysators 12' nimmt die Fähigkeit zur Speicherung von Stickoxiden in dem Speicherkatalysator 12' ab. Dies führt gleichzeitig zu einer Verminderung des Entladevorgangs aufgrund der geringeren Abspeicherung von Stickoxiden. Damit wird auch die Temperaturerhöhung aufgrund der aus dem Entladen resultierenden exothermen Reaktion geringer. Diese geringere Temperaturerhöhung wird wiederum von dem Temperatursensor 13 und/oder von dem Temperatursensor 14 gemessen.

Von dem Steuergerät 18 wird die aktuell gemessene Temperaturerhöhung während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 überwacht. Dies kann dadurch erfolgen, daß die aktuelle Temperaturerhöhung mit einer Temperaturerhöhung verglichen wird, die bei einem neuen Speicherkatalysator 12' bzw. einem neuen Katalysator 12 gemessen worden ist. Alternativ oder zusätzlich kann dies dadurch erfolgen, daß die aktuelle Temperaturerhöhung mit einer modellierten Temperaturerhöhung verglichen wird. Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann ein Vergleich mit einer Temperaturerhöhung eines sogenannten Grenzkatalysators erfolgen. Bei dem Grenzkatalysator handelt es sich dabei um einen Katalysator, der gerade noch einsatzfähig ist bzw. gerade defekt geworden ist.

Bei einem Vergleich mit einem neuen Speicherkatalysator wird die Differenz der aktuell gemessenen Temperaturerhöhung zu der Temperaturerhöhung des neuen Speicherkatalysators immer größer. Überschreitet die Differenz der aktuellen Temperaturerhöhung zu der Temperaturerhöhung des neuen Speicherkatalysators einen oberen Schwellwert, so wird von dem Steuergerät 18 darauf geschlossen, daß der Speicherkatalysator 12' des Katalysators 12 nunmehr eine Alterung erreicht hat, die im Hinblick auf eine ausreichende Abgasreinigung nicht mehr hinnehmbar ist. Das Steuergerät 18 erzeugt daraufhin z. B. ein Signal, das von dem Fahrer oder von einer Werkstatt erkannt werden kann, und das den erforderlichen Austausch des Speicherkatalysators 12' bzw. des gesamten Katalysators 12 anzeigt.

Bei der Verwendung der modellierten Temperaturerhöhung wird die Differenz zu der aktuellen Temperaturerhöhung ebenfalls immer größer, so daß die Differenz mit einem zugehörigen oberen Schwellwert verglichen wird, bei dessen Erreichen der Speicherkatalysator 12' ausgetauscht werden muß.

Bei der Verwendung eines Grenzkatalysators wird die Differenz zu der aktuellen Temperaturerhöhung immer kleiner, so daß die Differenz mit einem zugehörigen unteren Schwellwert verglichen wird, bei dessen Erreichen der Speicherkatalysator 12' ausgetauscht werden muß.

Alternativ oder zusätzlich können dem Vergleich die absoluten Temperaturen zugrunde gelegt werden.

Die Temperaturerhöhung durch die exotherme Reaktion während der Entladung des Speicherkatalysators 12' ist gleichbedeutend mit einer Maximaltemperatur, die von dem Temperatursensor 13 und/oder dem Temperatursensor 14 gemessen wird. Diese Maximaltemperatur wird aufgrund der Alterung des Speicherkatalysators 12' mit der Zeit geringer. Unterschreitet die Maximaltemperatur einen unteren Schwellwert, so muß der Speicherkatalysator 12' ausgetauscht werden.

Das vorstehende Verfahren kann fortlaufend während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das Verfahren speziell zur Diagnose der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators 12' einzusetzen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines Speicherkatalysators (12') einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Speicherkatalysator (12') mit Stickoxiden be- und entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des durch den Speicherkatalysator (12') strömenden Abgases und/oder die Temperatur des Speicherkatalysators (12') gemessen und mit einem Schwellwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer Temperaturerhöhung verglichen wird, die bei einem neuen Speicherkatalysator (12') gemessen worden ist, und daß die Differenz mit einem oberen Grenzwert verglichen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer modellierten Temperaturerhöhung verglichen wird, und daß die Differenz mit einem oberen Grenzwert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturerhöhung gemessen und mit einer Temperaturerhöhung verglichen wird, die bei einem Grenzkatalysator gemessen worden ist, und daß die Differenz mit einem unteren Grenzwert verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maximaltemperatur gemessen und mit einem unteren Schwellwert verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in und/oder unmittelbar nach dem Speicherkatalysator (12') gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Diagnose der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators (12').

8. Steuerelement, insbesondere Flash-Memory, für ein Steuergerät (18) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist.

9. Steuergerät (18) für eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Speicherkatalysator (12') aufweist, der mit Stickoxiden be- und entladen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (13, 14) zur Messung der Temperatur des durch den Speicherkatalysator (12') strömenden Abgases und/oder der Temperatur des Speicherkatalysators (12') vorgesehen ist, und daß durch das Steuergerät (18) die gemessene Temperatur mit einem Schwellwert vergleichbar ist.

10. Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Speicherkatalysator (12'), der mit Stickoxiden be- und entladen werden kann, und mit einem Steuergerät (18), dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (13, 14) zur Messung der Temperatur des durch den Speicherkatalysator (12') strömenden Abgases und/oder der Temperatur des Speicherkatalysators (12') vorgesehen ist, und daß durch das Steuergerät (18) die gemessene Temperatur mit einem Schwellwert vergleichbar ist.