DE10153901B4

DE10153901B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines einem Dieselmotor nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators

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Publication number: DE10153901B4
Application number: DE10153901A
Authority: DE
Inventors: Markus 38442 Paulovsky; Gunnar 38442 Splisteser; Bernd Dr. 38518 Hupfeld
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: DE10153901A1

Abstract

Verfahren zur Entschwefelung eines einem Dieselmotor (10) nachgeschalteten NOX-Speicherkatalysators (34), wobei der NOX-Speicherkatalysator (34) während einer Aufheizphase (TH) zumindest annähernd auf eine Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird und in einer anschließenden Wobble-Phase (TW) alternierend mit einem fetten Abgaslambda mit λ < 1 und einem mageren Abgaslambda mit λ > 1 bei einem vorgebbaren mittleren Abgaslambda beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase (TH) des NOX-Speicherkatalysators (34) durch Beeinflussung einer Abgasrückführrate einer dem Dieselmotor zugeordneten Abgasrückführungseinrichtung (26) als Stellgröße der Regelung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung eines einem Dieselmotor nachgeschalteten NO_X-Speicherkatalysators mit den im Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
Im Zuge stetig strenger werdender gesetzlicher Abgasgrenzwerte für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist die Entwicklung immer wirkungsvollerer Verfahren zur Abgasnachbehandlung notwendig. Im Falle selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen (Dieselmotoren) liegt der Schwerpunkt der Entwicklungen auf der Reduzierung von Partikel- und Stickoxidemissionen. Die Partikelemission lässt sich bereits heute wirkungsvoll durch den Einsatz regenerierbarer Partikelfilter vermindern. Ferner ist bekannt, eine Rohemission von Stickoxiden NO_X, deren katalytische Konvertierung insbesondere bei magerlaufenden Verbrennungskraftmaschinen Probleme verursacht, durch Abgasrückführungsmaßnahmen zu verringern. Dabei wird ein Teil eines Abgasstromes der Verbrennungskraftmaschine entnommen und dem Brennraum zugeführt, wodurch eine Verbrennungstemperatur abgesenkt und somit die Entstehung von Stickoxiden vermindert wird. Da die Abgasrückführung jedoch ihrerseits einen Anstieg des Partikelausstoßes bewirkt, sind ihrer Anwendung Grenzen gesetzt.
Zur Absenkung der NO_X-Endemissionen ist daher insbesondere bei fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen (Ottomotoren) der Einsatz von NO_X-Speicherkatalysatoren bekannt. Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik umfassen NO_X-Speicherkatalysatoren eine üblicherweise auf einem Bariumsalz basierende NO_X-Speicherkomponente sowie eine 3-Wege-katalytische Komponente, zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenmonoxid CO und NO_X. Die Katalysatorkomponente besteht üblicherweise aus Platin, Rhodium und/oder Palladium. In einem mageren Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine, in dem aufgrund des Sauerstoffüberschusses im Abgas keine vollständige 3-Wege-katalytische Konvertierung von Stickoxiden möglich ist, erfolgt eine Absorption von NO_X in Form von Nitrat durch die Speicherkomponente. Bei erschöpfter Speicherkapazität des NO_X-Speichers wird in periodisch durchgeführten Regenerationsphasen eine Entstickung des NO_X-Speichers durchgeführt, wobei der NO_X-Speicherkatalysator kurzzeitig, typischerweise für etwa 5 s, mit einer fetten Abgasatmosphäre in einem bevorzugten Temperaturbereich von 200 bis 350°C beaufschlagt wird (NO_X-Regeneration). Unter diesen Bedingungen erfolgt eine Desorption von NO_X aus dem Speicher und eine Reduzierung an der Katalysatorkomponente zu Stickstoff.
Ein in heutigen Kraftstoffen enthaltener Schwefelanteil stellt ein Problem für NO_X-Speicherkatalysatoren dar, da der hauptsächlich als SO₂ im Abgas vorliegende Schwefel konkurrierend mit NO_X ebenfalls in die NO_X-Speicherkomponente in Form von Sulfat einlagert. Die durch den Schwefel belegten Speicherplätze stehen dann nicht mehr für die NO_X-Absorption zur Verfügung, so dass es zu einer Abnahme der NO_X-Speicherkapazität und der NO_X-Konvertierungsrate kommt. Die Schwefeleinlagerung ist unter den Bedingungen der NO_X-Regeneration nicht reversibel. Vielmehr erfordert die Desorption von Schwefel wesentlich höhere Katalysatortemperaturen, üblicherweise oberhalb von 600°C, und deutlich längere Phasen der fetten Abgasbeaufschlagung, beispielsweise von über 240 s. Aus diesem Grunde ist bekannt, bei einer etwa anhand einer abnehmenden NO_X-Konvertierungsrate erkannten Schwefelvergiftung eine Entschwefelung unter den genannten Bedingungen durchzuführen. Hierfür wird zunächst in einer Heizphase durch geeignete motorische Maßnahmen eine Aufheizung des NO_X-Speicherkatalysators auf eine Temperatur, die zumindest annähernd einer katalysatorspezifischen Mindestentschwefelungstemperatur entspricht, bewirkt. Anschließend erfolgt die eigentliche Entschwefelung durch Beaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators mit einer stöchiometrischen oder fetten Abgasatmosphäre.
Ferner ist beispielsweise aus DE 198 35 808 A und DE 198 49 082 A für mager betriebene Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die Fettbeaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators während der Entschwefelung in einem so genannten Wobble-Betrieb durchzuführen, bei dem die Verbrennungskraftmaschine in einem schnellen Mager-Fett-Wechsel um einen mittleren Lambdawert von λ ≤ 1 betrieben wird. Durch die hierbei auftretenden kurzen Magerphasen kommt es zur Sauerstoffeinspeicherung in den NO_X-Speicherkatalysator, wodurch einer Entwicklung von Schwefelwasserstoff H₂S zugunsten der Entstehung von Schwefeldioxid SO₂ wirkungsvoll entgegen gewirkt werden kann.
In der Praxis wurde bislang der Einsatz von NO_X-Speicherkatalysatoren für Dieselmotoren noch nicht realisiert. Dies liegt insbesondere daran, dass Dieselmotoren aufgrund ihrer heterogenen Gemischbildung bei den für die Entschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators notwendigen fetten Betriebsbedingungen nicht ohne weiteres lauffähig sind. Insbesondere kann bei einer unterstöchiometrischen Gemischzusammensetzung keine zuverlässige Zündung gewährleistet werden und es muss mit unvorteilhaften Drehmomentschwankungen gerechnet werden.
DE 198 47 875 A beschreibt die Durchführung der Entschwefelung eines NO_X-Speicherkatalysators eines Dieselmotors, wobei nach einer Aufheizphase die eigentliche Entschwefelung durchgeführt wird. Die hierzu erforderliche Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf einen Lambdawert ≤ 1 erfolgt durch Teilandrosselung des Motors, Erhöhung der AGR-Rate, Senkung des Ladedrucks, Anhebung der Voreinspritzmenge, Anhebung der Nacheinspritzmenge und/oder Absenkung der Haupteinspritzmenge. Die DE 198 47 875 A enthält keine Angaben, ob oder wie eine Lambdaregelung während der Entschwefelung erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entschwefelung eines NO_X-Speicherkatalysators bei Dieselmotoren zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Emission von Schwefelwasserstoff H₂S, Kohlenoxidsulfid COS und Kohlendisulfid CS₂ weitestgehend unterdrückt wird und das gleichzeitig eine zuverlässige Zündung und hohe Drehmomentneutralität gewährleistet. Insbesondere soll das Verfahren ein schnelle und genaue Lambdaregelung sicherstellen. Zudem soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der das Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den in dem unabhängigen Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 18 gelöst.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Regelung des Abgaslambdas während einer der Wobble-Phase vorausgehenden Aufheizphase des NO_X-Speicherkatalysators durch Beeinflussung einer Abgasrückführrate (Stellgröße), wobei alle anderen verbrennungsrelevanten Betriebsparameter, wie Saugrohrdrosselklappenstellung, Ladedruck, Raildruck eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Hochdruckeinspritzsystems, Ansteuerbeginn und Ansteuerdauer von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung, kennfeldabhängig vorgesteuert werden. Vorteil der Lambdaregelung über die Abgasrückführrate gegenüber Regelung über Kraftstoffmenge ist hier eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Regelabweichungen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Regelung des Abgaslambdas während der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators durch Beeinflussung einer eingespritzten Kraftstoffmenge mindestens einer Einspritzung eines Arbeitsspiels mindestens eines Zylinders des Dieselmotors. Somit wird die eingespritzte Kraftstoffmenge als eigentliche Stellgröße zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während der Wobble-Phase verwendet. Gegenüber der bei Ottomotoren üblicherweise luftseitigen Lambdaregelung bietet die kraftstoffseitige Regelung den Vorteil, die gewünschten Luftverhältnisse sehr schnell, in Arbeitstaktgeschwindigkeit des Motors, und mit hoher Präzision einstellen zu können. Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, die eingespritzte Kraftstoffmenge über eine Ansteuerdauer der mindestens einen in dem Arbeitsspiel erfolgenden Einspritzung zu beeinflussen. Üblicherweise werden Dieselmotoren im Standardbetrieb mit zwei Kraftstoffeinspritzungen, einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung, betrieben. Hier kann vorzugsweise die Ansteuerdauer der Haupteinspritzung zur Lambdaregelung variiert werden. Besonders vorteilhaft wird eine zur Entschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators erforderliche Lambdaabsenkung (Anfettung) durch eine zusätzliche, nach dem oberen Totpunkt vorgenommene Nacheinspritzung realisiert. In diesem Fall ist besonders vorteilhaft vorgesehen, die Kraftstoffmenge über die Ansteuerdauer der Nacheinspritzung zu beeinflussen.
Mit Ausnahme der zur Lambdaregelung herangezogenen Ansteuerdauer der betreffenden Einspritzung werden alle verbrennungsrelevanten übrigen Parameter während des Wobble-Betriebes zumindest annähernd konstant gehalten, wobei eine kennfeldabhängige Steuerung vorgesehen ist. Die Parameter umfassen insbesondere eine Abgasrückführrate, eine Saugrohrdrosselklappenstellung, einen Ladedruck, einen Raildruck eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Hochdruckeinspritzsystems, Ansteuerbeginne von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung sowie die Ansteuerdauern der jeweiligen nicht zur Lambdaregelung beeinflussten Einspritzungen. Dabei werden vorzugsweise die während der vorausgegangenen Aufheizphase durch Regelung oder Vorsteuerung eingestellten Betriebsparameter übernommen.
Das mittlere Abgaslambda im Wobble-Betrieb beträgt insbesondere 0,97 bis 1,03, vorzugsweise 0,99 bis 1,01 und besonders vorteilhaft genau 1,00.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird während der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators ein von dem Dieselmotor an ein Getriebe abgegebenes Motordrehmoment hinsichtlich eines vor dem Wobble-Betrieb abgegebenen Motordrehmomentes konstant gehalten. Dies geschieht vorzugsweise durch Anpassung der Abgasrückführrate in Abhängigkeit einer Abweichung der vor dem Wobble-Betrieb eingespritzten Kraftstoffmenge von einer während des Wobble-Betriebes eingespritzten mittleren Kraftstoffmenge.
Die vorliegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, die durch Mittel gekennzeichnet ist, die eingerichtet sind, eine Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase des NO_X-Speicherkatalysators durch Beeinflussung einer Abgasrückführrate einer dem Dieselmotor zugeordneten Abgasrückführung durchzuführen. Vorzugsweise sind die Mittel ferner eingerichtet, eine Regelung des Abgaslambdas während der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators (Wobble-Phase) durch Beeinflussung einer eingespritzten Kraftstoffmenge mindestens einer Einspritzung eines Arbeitsspiels mindestens eines Zylinders des Dieselmotors durchzuführen.
Die Mittel umfassen vorzugsweise einen Algorithmus zur Durchführung der Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase und/oder während der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators in digitaler Form. Der Algorithmus kann in einer Steuereinheit, insbesondere in einem üblichen Motorsteuergerät, integriert sein.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Dieselmotor mit nachgeschalteter Abgasanlage;
2 zeitliche Verläufe von Fahrzeuggeschwindigkeit, Abgaslambda und Ansteuerdauern von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung während einer Entschwefelung eines NO_X-Speicherkatalysators gemäß 1;
3 zeitliche Verläufe von Ansteuerbeginn von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung während der Entschwefelung;
4 zeitliche Verläufe von Drosselklappenstellung, Abgasrückführrate, Ladedruck und Raildruck während der Entschwefelung und
5 zeitliche Verläufe von Temperaturen an unterschiedlichen Orten des Dieselmotors und der Abgasanlage während der Entschwefelung.
Ein in 1 dargestellter Dieselmotor 10 umfasst beispielsgemäß vier Zylinder 12, in welche eine Kraftstoffdirekteinspritzung mit Hilfe eines ebenfalls angedeuteten Hochdruckeinspritzsystems 14 erfolgt. Eine Luftversorgung der Zylinder 12 des Dieselmotors 10 erfolgt über ein Luftansaugrohr 16, in welchem eine Drosselklappe 18 zur Regelung einer angesaugten Luftmasse über einen hier nicht dargestellten Drosselklappensteller angeordnet ist. Es kann zudem noch ein ebenfalls nicht dargestellter Abgasturbolader zur Verdichtung der den Zylindern 12 zugeführten Luftmasse vorgesehen sein.
Der Dieselmotor 12 ist ferner mit einer Abgasrückführungseinrichtung 20 ausgestattet. Diese umfasst eine Abgasrückführungsleitung 22, über die ein Abgasteilstrom eines dem Dieselmotor 10 nachgeschalteten Abgaskanals 24 entnommen und der angesaugten Luftmasse und damit Verbrennungsräumen der Zylinder 12 zugeführt wird. Eine Abgasrückführrate (AGR-Rate) ist mit Hilfe eines in der Abgasrückführungsleitung 22 angeordneten AGR-Ventiles 26 mittels eines nicht gezeigten AGR-Stellers variabel einstellbar. Durch die Maßnahme der Abgasrückführung erfolgt eine Absenkung der Verbrennungstemperatur in den Zylindern 12. Aufgrund einer ausgeprägten Temperaturempfindlichkeit der Stickoxidbildung des Verbrennungsprozesses wird durch die Abgasrückführung eine Reduktion der NO_X-Rohemission des Dieselmotors 10 erreicht. Wegen einer erhöhten Tendenz zur Partikelbildung bei zunehmenden AGR-Raten sind der Abgasrückführung jedoch Grenzen gesetzt.
Alle verbrennungsrelevanten Parameter werden durch ein Motorsteuergerät 28 zum Teil in Abhängigkeit gespeicherter drehzahl- und motorlastabhängiger Kennfelder gesteuert oder geregelt. Insbesondere wird die AGR-Rate durch Ansteuerung des AGR-Ventiles 26, die dem Dieselmotor 10 zugeführte Luftmasse durch Steuerung der Stellung der Drosselklappe 18 und ein Ladedruck des nicht dargestellten Turboladers durch das Motorsteuergerät 28 vorgegeben und gesteuert/geregelt. Ferner gibt das Motorsteuergerät 28 alle Einspritzparameter des Hochdruckeinspritzsystems 14 vor. Diese sind insbesondere ein Raildruck, mit dem der Kraftstoff in den Brennraum gespritzt wird, die Anzahl der Einspritzungen während eines Arbeitspiels eines Zylinders 12 sowie die Ansteuerungsbeginne und Ansteuerungsdauern der diversen Einspritzungen.
Ein von dem Dieselmotor 10 erzeugtes Abgas wird zur Verminderung der Schadstoffemission in einer insgesamt mit 30 bezeichneten Abgasanlage nachbehandelt. Die Abgasanlage 30 umfasst ein in dem Abgaskanal 24 angeordnetes Katalysatorsystem 32, 34 sowie eine Anzahl von unterschiedlichen Sensoren 36, 38, 40, 42. Das Katalysatorsystem beinhaltet in vorteilhafter Ausgestaltung einen kleinvolumigen, motornah angeordneten Oxidationsvorkatalysator 32, der hauptsächlich eine Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO und Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO₂ unterstützt. Ein großvolumiger, nachgeschalteter NO_X-Speicherkatalysator 34 absorbiert in mageren Betriebsphasen des Dieselmotors 10 Stickoxide NO_X des Abgases und setzt diese in kurzen zwischengeschalteten fetten Regenerationsphasen wieder frei und reduziert sie zu Stickstoff.
Eine Überwachung und Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches des Dieselmotors 10 erfolgt durch Messung des Abgaslambdas mit einer sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 36, die insbesondere eine Lambdasonde, vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde, ist. Eine Überwachung der NO_X-Konvertierungsaktivität des Speicherkatalysators 34 erfolgt vorteilhaft mit einem diesem nachgeschalteten NO_X-Sensor 38, der eine Konzentration von Stickoxiden im Abgas misst. Optional sind stromauf und/oder stromab des Speicherkatalysators 34 Temperatursensoren 40, 42 angeordnet, die eine Abgastemperatur erfassen und die Ermittlung der Katalysatortemperatur des Speicherkatalysators 34 erlauben. Alle von den Sensoren 36, 38, 40, 42 bereitgestellten Signale werden an das Motorsteuergerät 28 übermittelt und weiterverarbeitet. Das Motorsteuergerät 28 steuert in Abhängigkeit dieser Signale die verschiedenen Betriebsparameter des Dieselmotors 10. Beispielsweise wird bei einer durch den NO_X-Sensor 38 detektierten, nachlassenden Konvertierungsrate des NO_X-Speicherkatalysators 34 der Dieselmotor 10 kurzzeitig auf ein fettes Gemisch abgestimmt, um eine Regeneration des Speicherkatalysators 34 zu bewirken. Insbesondere umfasst das Motorsteuergerät 28 auch einen Algorithmus 44 zur Durchführung einer Entschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators 34 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung zur Entschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators 34 soll anhand der 2 bis 5 erläutert werden. Diese Figuren zeigen die zeitlichen Verläufe unterschiedlicher Betriebsparameter des Dieselmotors 10 sowie verschiedener Steuer-, Stell- und Regelgrößen während der Durchführung einer Entschwefelung gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausgangspunkt des Verfahrens ist die Ermittlung einer Verschwefelung des NO_X-Speicherkatalysators 34. Dabei kann die Überwachung des Verschwefelungsgrades des NO_X-Speicherkatalysators 34 mit Hilfe des nachgeschalteten NO_X-Sensors 38 erfolgen, der beispielsweise trotz einer erfolgten NO_X-Regeneration des Speicherkatalysators 34 einen kritischen NO_X-Durchbruch im Magerbetrieb detektiert. Alternativ kann der Verschwefelungsgrad auch rechnerisch durch das Motorsteuergerät 28 in Abhängigkeit geeigneter Betriebsparameter des Dieselmotors 10, wie Motordrehzahl, Motorlast und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit, modelliert werden.
Wurde eine Entschwefelungsnotwendigkeit festgestellt, so wird zunächst überprüft, ob ein zur Entschwefelung günstiger Betriebspunkt des Motors 10 vorliegt. Beispielsweise sollte zur Durchführung der Entschwefelung eine Fahrzeuggeschwindigkeit (Kurve 50, 2 bis 5) zwischen 50 und 160 km/h, insbesondere zwischen 70 und 140 km/h, vorliegen. Besonders vorteilhaft kann die Entschwefelung bei einer Geschwindigkeit zwischen 90 und 100 km/h durchgeführt werden, da in diesem Bereich bereits relativ hohe Abgastemperaturen vorliegen und gleichzeitig eine Drehmomentkompensation in weiten Bereichen möglich ist.
Sind die genannten Voraussetzungen erfüllt, wird zunächst eine Heizphase TH eingeleitet, um den NO_X-Speicherkatalysator 34 zumindest annähernd auf die erforderliche Mindestentschwefelungstemperatur aufzuheizen. Diese ist abhängig von der Katalysatorbeschaffenheit und beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 550°C. Die Aufheizung des Katalysators 34 erfolgt durch Absenkung des zunächst mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches auf ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis mit λ = 1. Dargestellt in den 2 bis 5 ist das mit der Breitband-Lambdasonde 36 gemessene Abgaslambda (Kurve 52). Abweichend kann auch ein leicht mageres Lambda im Bereich von 1 bis 1,3 während der Aufheizphase eingestellt werden, mit abschließender Umschaltung am Ende der Heizphase TH auf λ = 1.
Gemäß dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die erforderliche Anfettung durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff nach oberem Totpunkt in mindestens einen Zylinder 12. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Nacheinspritzung mit einem Ansteuerbeginn bei 33°KWnOT (Kurve 54 in 3). Ansteuerbeginn von Voreinspritzung (Kurve 56) und Haupteinspritzung (Kurve 58) werden gegenüber dem Magerbetrieb des Dieselmotors 10 leicht vorverstellt, hier auf 35 beziehungsweise 10°KWvOT. Der nacheingespritzte Kraftstoff nimmt nur teilweise an der Verbrennung teil. Um den an der Verbrennung teilnehmenden Anteil und das hierdurch erzeugte Drehmoment zu kompensieren, wird die Ansteuerdauer der Haupteinspritzung reduziert (Kurve 60 in 2). Die Ansteuerdauer gemäß dem dargestellten Beispiel während der Heizphase TH beträgt 180 μs für die Voreinspritzung (Kurve 62), 320 μs für die Haupteinspritzung (Kurve 60) sowie 500 μs für die Nacheinspritzung (Kurve 64). Alle hier genannten Werte für die diversen Parameter werden abhängig von einem aktuellen Betriebspunkt des Dieselmotors 10 vorgegeben, insbesondere von Motordrehzahl und -last, und können daher im Einzelfall erheblich von den hier beispielhaft genannten Werten abweichen.
Ebenso wie die genannten Ansteuerdauern (Kurven 60, 62, 64 in 2) und Ansteuerbeginne (Kurven 54, 56, 58 in 3) der verschiedenen Einspritzungen werden während der Heizphase TH – mit Ausnahme der Abgasrückführrate – auch die weiteren verbrennungsrelevanten Parameter auf weitgehend konstante kennfeldabhängige Vorgaben vorgesteuert. Wie in 4 erkennbar ist, sind dies insbesondere die Stellung der Drosselklappe 18, die durch die Größe des Tastverhältnisses des Drosselklappenstellers dargestellt ist (Kurve 66), der durch das Tastverhältnis des Ladedruckstellers des Abgasturboladers wiedergegebene Ladedruck (Kurve 68) sowie der Raildruck (Kurve 70), der in der Darstellung der 4 (bei 820 bar liegend) im Wesentlichen von dem Verlauf des Abgaslambdas 52 verdeckt wird.
In der Heizphase TH wird erfindungsgemäß das durch die Breitband-Lambdasonde 36 gemessene Abgaslambda (Kurve 52) durch Beeinflussung der Abgasrückführrate auf die gewünschte Zielvorgabe von hier λ = 1 eingeregelt. Die hierfür erforderlichen Reglereingriffe führen daher während der Heizphase TH zu Schwankungen des Tastverhältnisses des AGR-Stellers (Kurve 72).
Durch die Lambdaabsenkung von dem ursprünglichen mageren Lambda auf λ = 1 in der Heizphase TH wird einerseits eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur und somit der Katalysatortemperaturen erzielt. Dies wird besonders aus dem in 5 gezeigten Verlauf der Abgastemperatur stromauf des Oxidationskatalysators 32 (Kurve 74) deutlich, der unmittelbar nach Einsetzen der Nacheinspritzung einen starken Anstieg zeigt. Ein weiterer Heizeffekt wird durch den nicht an der Verbrennung teilnehmenden Kraftstoff der durch die Nacheinspritzung zugeführten Kraftstoffmenge erreicht. Der nacheingespritzte Kraftstoff führt zu einem Anstieg von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO im Abgas, die hauptsächlich am Oxidationskatalysator 32 umgesetzt werden (nachverbrennen). Die Exothermie der katalytischen Nachverbrennung führt zu einer Aufheizung des Oxidationskatalysators 32 und der Abgastemperatur stromab des Oxidationskatalysators 32 (Kurve 76). Aufgrund einer Abgaslaufzeit zwischen Oxidationskatalysator 32 und NO_X-Speicherkatalysator 34 wird stromauf des NO_X-Speicherkatalysators 34 erst mit einiger Zeitverzögerung ein Anstieg der Abgastemperatur sowie gewisse Wärmeverluste beobachtet (Kurve 78). Wie der Verlauf der Abgastemperatur hinter dem NO_X-Speicherkatalysator 34 (Kurve 80) verdeutlicht, findet eine Erwärmung des Speicherkatalysators 34 wiederum erheblich zeitverzögert statt, was hauptsächlich auf die thermische Trägheit der relativ großen Katalysatormasse zurückzuführen ist. Weiterhin sind in 5 mit den Kurven 82 und 84 die Verläufe der Abgastemperaturen stromauf beziehungsweise stromab des Abgasturboladers gezeigt, die ebenfalls die Aufheizung des Abgases widerspiegeln.
Sobald der NO_X-Speicherkatalysator 34 eine Mindestentschwefelungstemperatur aufweist, beginnt der eigentliche Schwefelaustrag aus dem NO_X-Speicherkatalysator 34 durch thermische Dissoziation des eingelagerten Sulfates in SO₃ und anschließender Reduktion an der Katalysatorkomponente. Dabei ist bekannt, dass bei einer konstanten Beaufschlagung des Katalysators 34 mit einer fetten Abgasatmosphäre aufgrund der praktischen Abwesenheit von Sauerstoff im Abgas und in einem Sauerstoffspeicher des NO_X-Speicherkatalysators 34 der Schwefel zu großen Teilen in Form von Schwefelwasserstoff H₂S, Kohlenoxidsulfid COS und Kohlendisulfid CS₂ ausgetragen wird. Diese Verbindungen sind jedoch geruchsbelästigend und/oder giftig, weswegen ihre Entstehung weitgehend unterdrückt werden soll. Daher wird, sobald mit Hilfe der Temperatursensoren 40, 42 eine Temperatur festgestellt wird, die auf eine vorgebbare Entschwefelungstemperatur des NO_X-Speicherkatalysators 34 schließen lässt, eine so genannte Wobble-Phase TW eingeleitet, während der der NO_X-Speicherkatalysator 34 in einem schnellen Wechsel mit einem fetten und mageren Abgaslambda beaufschlagt wird. Durch die kurzen Magerphasen wird eine teilweise Auffüllung des Sauerstoffspeichers des NO_X-Speicherkatalysators 34 bewirkt, wodurch in den Fettphasen das freigesetzte SO₃ nur bis zur Oxidationsstufe des SO₂ reduziert und ausgetragen wird. Vorzugsweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung das ”Wobbeln” um ein mittleres Abgaslambda von λ = 1 durchgeführt, das zumindest am Ende der vorausgegangenen Heizphase TH bereits eingeregelt war. Dabei wird die Magervorgabe der Wobble-Phase TW vorteilhaft auf maximal 1,10, vorzugsweise auf 1,05, und die Fettvorgabe auf minimal 0,90, vorzugsweise auf 0,95, gesetzt.
Erfindungsgemäß erfolgt während der Wobble-Phase TW die Regelung des Abgaslambdas durch Beeinflussung der Kraftstoffmenge, insbesondere die der Nacheinspritzung. Bevorzugt wird dies durch Veränderung der Ansteuerdauer der Nacheinspritzung durchgeführt (2, Kurve 64), die eine besonders schnelle und präzise Regelung erlaubt. Hierzu sollte ein möglichst schneller Lambdaregler eingesetzt werden.
Die Steuervorgaben der Parameter Ansteuerdauern von Vor- und Haupteinspritzung, Ansteuerbeginne von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung, Drosselklappenstellung, Ladedruck und Raildruck werden auch während der Wobble-Phase TW weiterhin vorgesteuert, wobei die Vorgaben der Heizphase TH übernommen werden. Ferner wird das am Ende der Heizphase TH vorliegende Tastverhältnis der AGR-Stellers ”eingefroren” und zunächst ebenfalls übernommen (4, Kurve 72).
Um während der Wobble-Phase TW eine möglichst hohe Drehmomentneutralität zu gewährleisten, wird die in der Wobble-Phase TW eingespritzte Kraftstoffmenge auf die in der Heizphase TH eingespritzte Kraftstoffmenge angeglichen. Dafür wird während der alternierenden Beaufschlagung des NO_X-Speicherkatalysators 34 ein zeitlicher Mittelwert der Kraftstoffmenge beziehungsweise der Ansteuerdauer derjenigen Einspritzung ermittelt, die zur Lambdaregelung herangezogen wird, vorliegend also der Nacheinspritzung. Dieser Mittelwert wird dann mit der Kraftstoffmenge beziehungsweise der Ansteuerdauer der betreffenden Einspritzung während der Heizphase TH verglichen. Wird hierbei eine Abweichung zwischen mittlerer Kraftstoffmenge/Ansteuerdauer vor und während des Wobble-Betriebs festgestellt, so wird eine Korrektur der Abgasrückführrate vorgenommen.
Diese Veränderung der AGR-Rate erfolgt – abhängig von einem Vorzeichen der Abweichung – in Richtung einer größeren oder niedrigeren AGR-Rate und wird vorzugsweise durch schrittweise Verstellung des Tastverhältnisses des AGR-Stellers durchgeführt.
Zur Festlegung der Schrittweite sind verschiedene Strategien denkbar. Zunächst kann eine feste Schrittweite vorgegeben werden, die so oft angewendet wird, bis praktisch keine Mittelwertabweichung mehr detektiert wird. Nach einer weiteren Möglichkeit wird die Schrittweite in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichung des Mittelwertes unter Anwendung einer gespeicherten Kennlinie bestimmt. Schließlich ist denkbar, die Schrittweite in Abhängigkeit der Höhe der Mittelwertabweichung und des Ausgangswertes des zunächst eingefrorenen Tastverhältnisses des AGR-Stellers unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes festzulegen.
Während also die Lambdaregelung über die Ansteuerdauer der Nacheinspritzung (Kurve 64) unter Beibehaltung der fetten und mageren Lambdavorgaben weiterhin aktiv ist, stellt sich durch die beschriebene AGR-Korrektur automatisch eine Verringerung der Abweichung der mittleren Ansteuerdauer der Nacheinspritzung von der vor dem Wobble-Betrieb vorgesteuerten Ansteuerdauer der Nacheinspritzung ein. Sobald ein Ausgleich der Ansteuerdauern vorliegt, wird das Tastverhältnis der AGR-Stellers beziehungsweise die AGR-Rate wieder eingefroren.
Es kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, durch den dem NO_X-Speicherkatalysator 34 nachgeschalteten Temperatursensor 42 die Abgastemperatur während der Entschwefelung zu überwachen, um durch die exotherme Verbrennung von HC hervorgerufene Temperaturspitzen zu detektieren. Wird auf diese Weise eine kritische, den NO_X-Speicherkatalysator 34 schädigende Temperatur erkannt, wird die Entschwefelung zunächst so lange unterbrochen, bis eine ausreichende Auskühlung festgestellt wird, und dann wieder (wie beschrieben) eingeleitet und zu Ende geführt.
Nach Beendigung der Entschwefelung werden alle verbrennungsrelevanten Parameter beziehungsweise die entsprechenden Steller wieder in ihren Ausgangszustand eingestellt.
Bezugszeichenliste

10: Dieselmotor
12: Zylinder
14: Hochdruckeinspritzsystem
16: Luftansaugrohr
18: Drosselklappe
20: Abgasrückführungseinrichtung
22: Abgasrückführungsleitung
24: Abgaskanal
26: Abgasrückführungsventil
28: Motorsteuergerät
30: Abgasanlage
32: Oxidationskatalysator
34: NO_X-Speicherkatalysator
36: Breitband-Lambdasonde
38: NO_X-Sensor
40: Temperatursensor
42: Temperatursensor
50: Fahrzeuggeschwindigkeit
52: Lambda
54: Ansteuerbeginn Nacheinspritzung
56: Ansteuerbeginn Voreinspritzung
58: Ansteuerbeginn Haupteinspritzung
60: Ansteuerdauer Haupteinspritzung
62: Ansteuerdauer Voreinspritzung
64: Ansteuerdauer Nacheinspritzung
66: Tastverhältnis Drosselklappensteller
68: Tastverhältnis Ladedrucksteller
70: Raildruck
72: Tastverhältnis AGR-Steller
74: Abgastemperatur vor Oxidationskatalysator
76: Abgastemperatur nach Oxidationskatalysator
78: Abgastemperatur vor NO_X-Speicherkatalysator
80: Abgastemperatur nach NO_X-Speicherkatalysator
82: Abgastemperatur vor Abgasturbolader
84: Abgastemperatur nach Abgasturbolader
TH: Heizphase
TW: Wobble-Phase

Claims

Verfahren zur Entschwefelung eines einem Dieselmotor (10) nachgeschalteten NO_X-Speicherkatalysators (34), wobei der NO_X-Speicherkatalysator (34) während einer Aufheizphase (TH) zumindest annähernd auf eine Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird und in einer anschließenden Wobble-Phase (TW) alternierend mit einem fetten Abgaslambda mit λ < 1 und einem mageren Abgaslambda mit λ > 1 bei einem vorgebbaren mittleren Abgaslambda beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase (TH) des NO_X-Speicherkatalysators (34) durch Beeinflussung einer Abgasrückführrate einer dem Dieselmotor zugeordneten Abgasrückführungseinrichtung (26) als Stellgröße der Regelung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheizphase (TH) des NO_X-Speicherkatalysators (34) die Betriebsparameter Saugrohrdrosselklappenstellung, Ladedruck, Raildruck eines Kraftstoffeinspritzsystems, Ansteuerbeginn von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung und Ansteuerdauer von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung kennfeldabhängig vorgesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheizphase (TH) das mittlere Abgaslambda auf λ ≥ 1, insbesondere auf 1 bis 1,3, geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Abgaslambdas während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) durch Beeinflussung einer eingespritzten Kraftstoffmenge mindestens einer Einspritzung eines Arbeitsspiels mindestens eines Zylinders (12) des Dieselmotors (10) als Stellgröße der Regelung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) die eingespritzte Kraftstoffmenge über eine Ansteuerdauer der mindestens einen Einspritzung des Arbeitsspiels des Zylinders (12) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge über die Ansteuerdauer einer vor einem oberen Totpunkt des mindestens einen Zylinders (12) beginnenden Haupteinspritzung beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge über die Ansteuerdauer einer zur Herstellung des mittleren Abgaslambdas zusätzlich zu der Haupt- und/oder einer Voreinspritzung erfolgenden und nach dem oberen Totpunkt beginnenden Nacheinspritzung beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) die Betriebsparameter Abgasrückführrate, Saugrohrdrosselklappenstellung, Ladedruck, Raildruck eines Kraftstoffeinspritzsystems (14), Ansteuerbeginn von Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung und Ansteuerdauer der nicht zur Lambdaregelung beeinflussten Einspritzung zumindest annähernd konstant gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) die Betriebsparameter der vorausgegangenen Aufheizphase (TH) zumindest anfänglich übernommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) ein Motordrehmoment des Dieselmotors (10) bezüglich eines vor der alternierenden Abgasbeaufschlagung abgegebenen Motordrehmomentes durch Anpassung der Abgasrückführrate zumindest weitgehend konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Motordrehmomentes während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) durch Vergleich einer mittleren Kraftstoffmenge der während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) zur Lambdaregelung beeinflussten Einspritzung gegenüber der vor der alternierenden Abgasbeaufschlagung eingespritzten Kraftstoffmenge dieser Einspritzung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) das mittlere Abgaslambda 0,97 bis 1,03, insbesondere 0,99 bis 1,01, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) das fette Abgaslambda ≥ 0,90, insbesondere 0,95, beträgt und das magere Abgaslambda ≤ 1,10, insbesondere 1,05, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelung bei einer Geschwindigkeit eines von dem Dieselmotor (10) angetriebenen Fahrzeuges zwischen 50 und 160 km/h, insbesondere zwischen 70 und 140 km/h, insbesondere zwischen 90 und 100 km/h, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschwefelungsgrad des NO_X-Speicherkatalysators (34) anhand eines dem NO_X-Speicherkatalysator (34) nachgeschalteten NO_X-Sensors (38) oder in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Dieselmotors (10) rechnerisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgaslambda über eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung (36), insbesondere einer Lambdasonde, insbesondere einer Breitband-Lambdasonde, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatortemperatur des NO_X-Speicherkatalysators (34) anhand einer stromauf und/oder stromab des NO_X-Speicherkatalysators (34) mit einem Temperatursensor (40, 42) gemessenen Abgastemperatur ermittelt wird und/oder rechnerisch modelliert wird.
Vorrichtung zur Entschwefelung eines einem Dieselmotor (10) nachgeschalteten NO_X-Speicherkatalysators (34), wobei der NO_X-Speicherkatalysator (34) während einer Aufheizphase (TH) zumindest annähernd auf eine Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird und in einer anschließenden Wobble-Phase (TW) alternierend mit einem fetten Abgaslambda mit λ < 1 und einem mageren Abgaslambda mit λ > 1 bei einem vorgebbaren mittleren Abgaslambda beaufschlagt wird, gekennzeichnet durch Mittel, die eingerichtet sind, eine Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase (TH) des NO_X-Speicherkatalysators (34) durch Beeinflussung einer Abgasrückführrate einer dem Dieselmotor zugeordneten Abgasrückführungseinrichtung (22) als Stellgröße der Regelung durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ferner eingerichtet sind, eine Regelung des Abgaslambdas während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) durch Beeinflussung einer eingespritzten Kraftstoffmenge mindestens einer Einspritzung eines Arbeitsspiels mindestens eines Zylinders (12) des Dieselmotors (10) als Stellgröße der Regelung durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Algorithmus (44) in digitaler Form zur Durchführung der Regelung des Abgaslambdas während der Aufheizphase (TH) des NO_X-Speicherkatalysators (34) und/oder während der alternierenden Abgasbeaufschlagung (TW) des NO_X-Speicherkatalysators (34) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus (44) in einer Steuereinheit, insbesondere in einem Motorsteuergerät (28), integriert ist.