DE10010031A1

DE10010031A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer NO¶x¶-Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO¶x¶-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE10010031A1
Application number: DE10010031A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Hermann Hahn; Soeren Hinze; Michael Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: DE10010031B4; CN1429315A; CN1287077C; EP1264093A1; AU4644601A; WO2001065096A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer NO¶X¶-Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO¶X¶-Speicherkatalysators, wobei die Verbrennungskraftmaschine in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden kann und bei mindestens einem der Betriebsmodi eine Abgasrückführung in eine Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass die NO¶X¶-Regeneration während wenigstens eines Teils ihrer Regenerationsdauer bei einer verminderten Abgasrückführrate oder ohne Abgasrückführung durchgeführt wird und einem Ende der NO¶X¶-Regeneration eine Erhöhung oder Zuschaltung einer Abgasrückführung vorausgeht. Erfindungsgemäß wird somit ein schnelles Umschalten in den Regenerationsbereich ohne Zündaussetzer erzielt sowie eine kurze Regenerationsdauer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer NO_x- Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 genannten Merkmalen.

Um eine Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von zeitweise mager laufenden Verbrennungskraftmaschinen, durchzuführen, ist es bekannt, Katalysatoren mit NO_x-Speicherfunktion (NO_x- Speicherkatalysatoren) in Abgassträngen der Verbrennungskraftmaschinen anzuordnen. Der Katalysator reduziert dabei eine Emission von Schadstoffen, indem er eine Konvertierung von Abgasbestandteilen, wie Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden, in weniger umweltrelevante Verbindungen fördert. Derzeit wird ein möglichst dauerhafter Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen in einem mageren Betriebsmodus mit λ < 1, das heißt mit einem Sauerstoffüberschuss in einem zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch, angestrebt. Unter diesen Bedingungen wird ein Kraftstoffverbrauch reduziert. Auf der anderen Seite kann im Magermodus wegen des Sauerstoffüberschusses keine vollständige katalytische Reduktion von NO_x erreicht werden. Stattdessen erfolgt im Magerbetrieb eine Absorption von NO_x in den NO_x- Speicherkatalysator. Wegen einer begrenzten Na_x-Speicherkapazität des Katalysators muss dieser in periodischen Abständen einer NO_x-Regeneration unterzogen werden, wofür er üblicherweise mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt wird, so dass absorbiertes NO_x durch nunmehr im Abgas im Überschuss vorhandene Reduktionsmittel (HC, CO) konvertiert werden kann.

Es ist ferner bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung zu betreiben, wobei ein Teil des Abgases dem der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisch zugemischt wird. Durch diese Maßnahme kann eine Verbrennungstemperatur und damit verbunden die NO_x-Entstehung abgesenkt werden. Dazu wird üblicherweise in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine ein in einer Rückführleitung angeordnetes Abgasrückführventil angesteuert.

Die Regelung der NO_x-Regeneration von No_x-Speicherkatalysatoren und der Abgasrückführung erfolgt üblicherweise unabhängig voneinander, so dass eine Abgasrückführung während einer NO_x-Regeneration zugelassen wird. Hierdurch werden verschiedene Probleme aufgeworfen. Zunächst wird eine Dauer der Umschaltung von Mager- auf Fettbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, die vom Zeitpunkt der Vorgabe eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches bis zu dem tatsächlichen Vorliegen eines fetten Abgases verstreicht, unerwünscht verlängert. Dies ist auf das Vorhandensein sauerstoffreichen Abgases in der Abgasrückführleitung zurückzuführen, welches noch dem Brennraum der Maschine zugeführt wird, während bereits ein Fettmodus der Verbrennungskraftmaschine angefordert wird. Ein weiteres Problem ergibt sich durch das Umschalten von einem Schicht- auf einen Homogenbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, welches üblicherweise mit der Umschaltung in den Fettmodus einhergeht. Damit verbunden kommt es insbesondere kurz nach der Betriebsumstellung zu Brennbarkeitsproblemen und Zündaussetzern, wenn das Gemisch trotz Erhöhung der Kraftstoffzufuhr zu mager zum Entflammen ist. Dieses Problem wird durch die Rückführung des zunächst noch mageren Abgases weiter verschärft. Schließlich wird auch die Dauer einer NO_x-Regeneration durch die Abgasrückführung erheblich verlängert. Dies ist Folge des verminderten Abgasmassenstroms und des damit verbundenen verminderten Reduktionsmittelstroms, der für die Umsetzung der freigesetzten Stickoxide am NO_x-Speicherkatalysator notwendig ist. Eine Verlängerung der Regenerationsdauer führt zu einem erheblichen Kraftstoffmehrverbrauch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorzuschlagen, durch welche die beschriebenen Probleme bei der Durchführung einer NO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators gemäß dem Stand der Technik überwunden werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 genannten Merkmalen gelöst. Indem die NO_x- Regeneration bei einer verminderten Abgasrückführrate oder ohne Abgasrückführung durchgeführt wird und einem Ende der NO_x-Regeneration eine Erhöhung oder Zuschaltung einer Abgasrückführung vorausgeht, wird ein schnelles und aussetzerfreies Umschalten der Verbrennungskraftmaschine von einem Mager- in einen Fettbetrieb gewährleistet und die Regenerationszeiten verkürzt. Ferner wird infolge des schnellen Umschaltens eine NO_x-Desorptionsspitze, die beim Durchgang des Lambdawertes von λ < 1 nach λ ≦ 1 beobachtet wird, verringert. Durch die Erhöhung der Abgasrückführrate vor Beendigung der NO_x-Regeneration wird der Übergang beim Umschalten der Verbrennungskraftmaschine von dem Regenerations- in einen Magermodus fließender gestaltet, so dass praktisch keine Änderung im Betriebsverhalten des Kraftfahrzeugs auftritt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die NO_x-Regeneration während wenigstens eines Teils ihrer Regenerationsdauer bei einer Abgasrückführrate von 0 bis 15 Vol.-%, insbesondere bei 0 bis 10 Vol.%, durchgeführt. Derzeit übliche Rückführraten bewegen sich in Abhängigkeit von dem Motortyp im Bereich von 25 bis 35 Vol.%. Dabei bezieht sich der Volumenanteil auf einen Anteil des rückgeführten Abgasvolumens an einem insgesamt der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luftvolumen. Im Rahmen vorteilhafter Vorgaben kann die Abgasrückführrate während der Regeneration stufenweise oder kontinuierlich variiert werden.

Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Abgasrückführrate vor dem Ende der NO_x- Regeneration auf 5 bis 25 Vol.%, insbesondere 15 Vol.%, erhöht wird. Die am Ende der NO_x-Regeneration zu erreichende Abgasrückführrate kann dabei insbesondere von der nach Beendigung der NO_x-Regeneration einzustellenden Rückführrrate abhängig gemacht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Abgasrückführrate stufenweise oder kontinuierlich vor dem Ende der NO_x-Regeneration zu erhöhen. Auf diese Weise kann der Übergang weiter geebnet werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Abgasrückführrate 5 bis 0,5 s, insbesondere 2 s, vor Beendigung der NO_x-Regeneration erhöht. In diesem Zusammenhang kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt der Erhöhung der Abgasrückführrate vor dem Ende der NO_x-Regeneration in Abhängigkeit von der vor und/oder nach der Erhöhung vorliegenden Abgasrückführrate bemessen wird. Beispielsweise sollte bei einer großen Differenz der Abgasrückführraten vor und nach der Erhöhung relativ frühzeitig vor Beendigung der NO_x-Regeneration mit einer Erhöhung der Abgasrückführrate begonnen werden.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung einer NO_x-Regeneration sind Mittel vorgesehen, mit welchen die Verfahrensschritte Durchführung der NO_x- Regeneration bei einer verminderten Abgasrückführrate oder ohne Abgasrückführung und Erhöhung einer Abgasrückführrate vor Beendigung der NO_x-Regeneration ausführbar sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen diese Mittel eine Steuereinheit, in der eine Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte zur Durchführung einer NO_x- Regeneration und des NO_x-Speicherkatalysators in digitaler Form hinterlegt ist, wobei die Steuereinheit in ein Motorsteuergerät integriert sein kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgaskanal und

Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf von Lambda während einer NO_x-Regeneration mit und ohne Abgasrückführung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem dieser zugeordneten Abgaskanal 12. Stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 sind ein kleinvolumiger Vorkatalysator 14 sowie ein NO_x-Speicherkatalysator 16 in dem Abgaskanal 12 angeordnet. Eine Lambdasonde 18 dient der Erfassung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas und befindet sich noch vor dem Katalysatorsystem 14, 16 im Abgaskanal 12. Die Lambdasonde 18 gibt ein Signal an ein Motorsteuergerät 20 wieder, welches dieses und andere Messsignale sowie Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 verarbeitet. Integriert in das Motorsteuergerät 20 ist eine Steuereinheit 22, in welcher die erfindungsgemäße Prozedur zur Durchführung einer NO_x-Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 16 in digitaler Form hinterlegt ist. In Abhängigkeit aller eingehenden Signale steuert das Motorsteuergerät 20 beziehungsweise die Steuereinheit 22 den Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10, indem es beispielsweise Einfluss auf ein einzuspeisendes Luft-Kraftstoff-Gemisch nimmt. Zu diesem Zweck wird ein angesaugter Frischluftvolumenstrom durch Stellung einer Drosselklappe 24 in einem Ansaugrohr 26 geregelt. Ferner steuert das Motorsteuergerät 20 beziehungsweise die Steuereinheit 22 ein in einer Rückführleitung 28 angeordnetes Abgasrückführventil 30 an.

Wird nun während einer Magerphase der Verbrennungskraftmaschine 10 eine Regenerationsnotwendigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 16 festgestellt, so bewirkt die Steuereinheit 22 die Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 in einen homogenen, stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus. Dazu gibt die Steuereinheit 22 beispielsweise eine stärker geschlossene Stellung der Drosselklappe 24 vor, so dass der Sauerstoffanteil im zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch reduziert wird. Erfindungsgemäß wird während wenigstens eines Teils der Regenerationsdauer die Abgasrückführung vermindert und/oder vollständig unterbunden. Auch dies geschieht durch eine entsprechende Steuerung des Abgasrückführventils 30 durch das Motorsteuergerät 20 beziehungsweise die Steuereinheit 22.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen zeitlichen Verlauf eines vor dem Katalysatorsystem 14, 16 mit der Lambdasonde 18 gemessenen Lambdawertes während einer NO_x-Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 16. Dabei stellt die durchbrochene Linie 32 einen Lambdaverlauf während einer Regeneration mit Zuschaltung einer Abgasrückführung gemäß derzeit üblicher Praxis (Rückführrate zirka 30 Vol.%) dar, während die durchgezogene Linie 34 einen entsprechenden Lambdaverlauf ohne Abgasrückführung zeigt. Während einer anfänglichen Magerphase weisen beide Verläufe 32, 34 ein konstantes Niveau entsprechend einer Lambdamagervorgabe λ_m auf. Nach Detektion einer Regenerationsnotwendigkeit und Umschalten eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff- Gemisches auf eine fette, das heißt kraftstoffreiche Zusammensetzung, zu einem Zeitpunkt t₀ verharrt das bei gleichzeitiger Abgasrückführung gemessene Signal 32 noch für eine gewisse Verzögerungsdauer bei dem mageren Lambdawert λ_m. Dies kann auf das sauerstoffreiche Abgas zurückgeführt werden, das aus der vorausgegangenen Magerphase sich noch in der Abgasrückführleitung 28 befindet und der angesaugten Frischluft zugeführt wird. Nach dieser Verzögerung setzt ein relativ flacher Abfall des Signals 32 bis zu einem Zeitpunkt t₁ ein, an dem ein der Lambdafettvorgabe λ_f entsprechender Wert erreicht ist. Die Flachheit des vorausgegangenen Abfalls des Lambdawertes ist ebenfalls Folge der Abgaseinspeisung in die angesaugte Frischluft. Während der folgenden Regenerationsdauer, die sich bis zu einem Zeitpunkt t₂ erstreckt, wird die Lambdafettvorgabe λ_f eingehalten und eingespeicherte Stickoxide NO_x des NO_x-Speicherkatalysators 16 mit den im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln CO und HC reduziert. Nach erfolgter Speicherentleerung zum Zeitpunkt t₂ wird die Verbrennungskraftmaschine 10 wieder in den Magermodus umgeschaltet, so dass sich der Lambdawert wieder auf die Lambdamagervorgabe λ_m einfindet.

Der erfindungsgemäß ohne Abgasrückführung gemessene Lambdaverlauf 34 (durchgezogene Linie) zeigt erhebliche Abweichungen von dem oben erläuterten, bei zugeschalteter Abgasrückführung gemessenen Verlauf 32. Ohne Abgasrückführung weist der Lambdaverlauf 34 einen nahezu unmittelbar nach Umschalten der Verbrennungskraftmaschine 10 in den fetten Betriebsmodus zum Zeitpunkt t₀ einsetzenden und verhältnismäßig steil abfallenden Verlauf auf, so dass die Lambdafettvorgabe λ_f bereits zu einem Zeitpunkt t₁ ^' erreicht ist. Ferner ist die Regenerationsdauer, die für eine vollständige Entleerung des Speichers des NO_x Speicherkatalysators 16 aufgebracht werden muss, erheblich kürzer als bei zugelassener Abgasrückführung, so dass das Ende der NO_x-Regeneration bereits zu einem Zeitpunkt t₂ ^' erreicht wird. Die sehr lange Regenerationsdauer bei gleichzeitiger Abgasrückführung (Verlauf 32) ist ein Resultat der ständigen Abgasentnahme, so dass lediglich ein verringerter Reduktionsmittelmassenstrom zur Verfügung steht, um die Stickoxide des NO_x-Speicherkatalysators zu konvertieren.

Insgesamt ist die Regenerationsdauer ohne Abgasrückführung gegenüber der mit gleichzeitiger Abgasrückführung notwendigen Regenerationsdauer annähernd um die Hälfte verkürzt. Die erfindungsgemäß bevorzugten Abgasrückführraten von maximal 15 Vol.-% weisen Lambdaverläufe auf, die einen Zwischenzustand zwischen den erläuterten Verläufen repräsentieren.

Durch die Zuschaltung der Abgasrückführung beziehungsweise Erhöhung der Abgasrückführrate vor Beendigung der NO_x-Regeneration wird zwar die Regenerationsdauer geringfügig erhöht. Dieser Nachteil wird aber durch den Vorteil eins weitestgehend momentenneutralen Überganges im Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine aufgewogen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgaskanal

14

Vorkatalysator

16

NO_x

-Speicherkatalysator

18

Lambdasonde

20

Motorsteuergerät

22

Steuereinheit

24

Drosselklappe

26

Ansaugrohr

28

Abgasrückführleitung

30

Abgasrückführventil

32

Lambdaverlauf mit Abgasrückführung

34

Lambdaverlauf ohne Abgasrückführung
λ_f

Lambdafettvorgabe
λ_m

Lambdamagervorgabe

Claims

1. Verfahren zur Durchführung einer NO_x-Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators, wobei die Verbrennungskraftmaschine in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden kann und bei mindestens einem der Betriebsmodi eine Abgasrückführung in eine Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Regeneration während wenigstens eines Teils ihrer Regenerationsdauer bei einer verminderten Abgasrückführrate oder ohne Abgasrückführung durchgeführt wird und einem Ende der NO_x-Regeneration eine Erhöhung oder Zuschaltung einer Abgasrückführung vorausgeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Regeneration einer Abgasrückführrate von 0 bis 15 Vol.%, insbesondere bei 0 bis 10 Vol.-%, durchgeführt wird.

3. Verfahren einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate vor dem Ende der NO_x-Regeneration auf 5 bis 25 Vol.-%, insbesondere 15 Vol.-%, erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate stufenweise oder kontinuierlich vor dem Ende der NO_x- Regeneration erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate 5 bis 0,5 s, insbesondere 2 s, vor Beendigung der NO_x- Regeneration erhöht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Erhöhung der Abgasrückführrate vor dem Ende der NO_x-Regeneration in Abhängigkeit von der vor und/oder nach der Erhöhung vorliegenden Abgasrückführrate bemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Regeneration bei einem stöchiometrischen oder fetten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Regeneration bei einem homogenen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung einer NO_x-Regeneration eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit welchen die Verfahrensschritte Durchführung der NO_x-Regeneration bei einer verminderten Abgasrückführrate oder ohne Abgasrückführung und Erhöhung einer Abgasrückführrate vor Beendigung der NO_x-Regeneration ausführbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (22) umfassen, in der eine Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte zur Durchführung einer NO_x-Regeneration eines NO_x- Speicherkatalysators in digitaler Form hinterlegt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) in ein Motorsteuergerät (20) integriert ist.