DE10154041A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung einer Schadstoffendemission - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung einer Schadstoffendemission

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung einer Schadstoffendemission eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem dieser nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem Katalysator (14, 16) sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit einer Alterung des mindestens einen Katalysators (14, 16) eine untere Temperaturschwelle (T¶Min¶) für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) und/oder des Abgases bestimmt wird, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität (A¶Min¶) des Katalysators (14, 16) vorliegt, und bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (T¶Min¶) oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (T¶Min¶) für länger als eine vorgebbare Zeitspanne (t¶Max¶) mindestens eine Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur Reduzierung einer Schadstoffendemission nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 beziehungsweise 17 und 22.
  • Um eine Verminderung von Schadstoffendemissionen von vorzugsweise einem Fahrzeugantrieb dienenden Verbrennungskraftmaschinen vorzunehmen, sind Verfahren zur Abgasnachbehandlung bekannt, wobei ein von der Verbrennungskraftmaschine erzeugtes Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet wird, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases vornimmt. So genannte Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NOx) des Abgases unterstützen. Ferner sind 3-Wege-Katalysatoren in der Lage, die Konvertierung dieser drei Komponenten (HC, CO, NOx) gleichzeitig zu katalysieren. Dabei kann ein quantitativer 3-wege-katalytischer Umsatz jedoch nur bei einem streng stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei λ = 1 erfolgen. In einem verbrauchsgünstigen Magerbetrieb, bei dem die Verbrennungskraftmaschine mit Sauerstoffüberschuss, das heißt mit λ > 1, gefahren wird, ist eine zumindest weitgehende 3- wege-katalytische Umsetzung von NOx hingegen nicht möglich. Zur Abhilfe werden NOx- Speicherkatalysatoren eingesetzt, die in mageren Betriebsphasen NOx in Form von Nitrat speichern und in zwischengeschalteten fetten Regenerationsphasen bei λ < 1 wieder freisetzen und reduzieren.
  • Ein gemeinsames Problem praktisch aller Katalysatoren, insbesondere auch von NOx- Speicherkatalysatoren, stellt die starke Temperaturabhängigkeit der Katalysatoraktivität dar. Insbesondere benötigt jeder Katalysator eine gewisse Mindesttemperatur, unterhalb derer praktisch keine Konvertierung und/oder adsorbierende Speicherung von Schadstoffen stattfindet. Charakteristische Kenngröße ist die so genannte Anspring- oder Lightoff- Temperatur, bei der der Katalysator einen Schadstoffumsatz von 50% leistet. Um nach einem Motorstart das Katalysatorsystem auf seine Arbeitstemperatur zu erwärmen, ist bekannt, in einer so genannten Warmlaufphase Maßnahmen zur Steigerung der Katalysatortemperatur durchzuführen. Beispielsweise wird bei Ottomotoren durch Verschlechterung eines Wirkungsgrades des Motors oder durch fetten Betrieb in Verbindung mit Sekundärluftzufuhr die Abgastemperatur und/oder ein chemischer Energiegehalt des Abgases erhöht und somit ein schnelles Überschreiten der Anspringtemperatur wenigstens eines Vorkatalysators erreicht. Nach Beendigung der Warmlaufphase werden üblicherweise keine temperatursteigernden Maßnahmen ergriffen, um die Schadstoffkonvertierung zu verbessern.
  • Problematisch sind Schwachlastbetriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Leerlaufphasen, bei denen bei allen Brennverfahren, besonders aber bei Dieselmotoren und direkteinspritzenden schichtladefähigen Ottomotoren, sehr niedrige Abgastemperaturen auftreten. Längeres Verharren in diesem Betriebsbereich führt zu einer Auskühlung des Katalysatorsystems. Dies ist im Leerlauf und Schwachlastbetrieb nur ein geringes Problem, da üblicherweise hier die Schadstoffmassenströme und -konzentrationen klein sind und zudem hohe Verweilzeiten im Katalysator vorliegen, so dass selbst bei den niedrigen Temperaturen zumindest noch eine gewisse Schadstoffumsetzung sichergestellt ist. In einer nachfolgenden Beschleunigungsphase jedoch heizt das Katalysatorsystem infolge seiner thermischen Trägheit nicht schnell genug in seinen Arbeitstemperaturbereich auf. Bei den nunmehr wesentlich höheren Schadstoff- und Abgasmassenströmen können infolgedessen erhebliche Schadstoffdurchbrüche resultieren. Dieses Problem verstärkt sich noch mit zunehmender Betriebsdauer des Katalysatorsystems, da mit zunehmender Alterung der Katalysatoren eine Verschiebung der Arbeitstemperaturfenster in Richtung höherer Temperaturen stattfindet.
  • Aus der DE 44 26 788 A1 ist bekannt, eine verminderte NOx-Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators zu kompensieren, indem nach dem Warmlauf eine NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine durch Erhöhung einer Abgasrückführrate reduziert wird. Während des Warmlaufs wird gemäß diesem Dokument einer Katalysatordesaktivierung durch Verlängerung eines Fremdheizbetriebes und/oder durch Verlängerung einer Sekundärluftzufuhr Rechnung getragen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das in allen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Schadstoffkonvertierung sicherstellt. Insbesondere sollen auch bei gealterten Katalysatoren Schadstoffdurchbrüche wirksam vermieden werden. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Vorrichtungen nach den Ansprüchen 17 und 22 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in Abhängigkeit einer Alterung des mindestens einen Katalysators eine untere Temperaturschwelle für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators und/oder des den mindestens einen Katalysators beaufschlagenden Abgases bestimmt wird, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität des Katalysators vorliegt, und bei Unterschreitung der Temperaturschwelle oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle für länger als eine vorgebbare Zeitspanne mindestens eine Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur durchgeführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird somit sichergestellt, dass die vorgebbare Mindestaktivität wenigstens eines Katalysators des Katalysatorsystems nicht unterschritten wird. Somit wird während jeder Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere auch nach Beendigung einer nach einem Motorstart anschließenden Warmlaufphase, ein Durchbruch von Schadstoffen infolge einer Katalysatorauskühlung wirksam vermieden. Darüber hinaus gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren eine kontinuierliche Anpassung der Temperatursteuerung an einen vorliegenden Alterungszustand des Katalysators, indem die untere, nicht zu unterschreitende Temperaturschwelle laufend entsprechend der aktuellen Katalysatoralterung neu festgelegt wird. Wenn eine Anspringtemperatur des Katalysators sich infolge seiner Alterung in Richtung höherer Temperaturen verschiebt, wird die Temperaturschwelle entsprechend verschoben.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Überwachung der Katalysatortemperatur und die Durchführung der temperatursteigernden Maßnahme auf Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine beschränkt werden, in denen besonders niedrige Abgastemperaturen vorliegen. Dies sind insbesondere Niedriglastphasen, etwa bei Motordrehzahlen unterhalb von 2000 min-1 und einem effektiven Mitteldruck (pme) von weniger als 1 bar, insbesondere unterhalb von 1000 min-1 bei weniger als 0,7 bar, oder auch Leerlaufphasen. Auf diese Weise wird insbesondere in temperaturkritischen Betriebssituationen das Katalysatorsystem auf eine Mindesttemperatur geregelt, welche bei den hohen Schadstoffmassenströmen der nachfolgenden Teil- oder Volllastphasen eine ausreichende Konvertierungsleistung des Katalysatorsystems sicherstellt.
  • Die Temperaturschwelle wird vorzugsweise derart festgelegt, dass eine Konvertierungsrate von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 50% (dies entspricht der Anspring- oder Lightoff-Temperatur des mindestens einen Katalysators), gewährleistet wird. Bei sehr hohen Schadstoffrohemissionen der Verbrennungskraftmaschine oder bei besonders hohen Anforderungen an die Schadstoffkonvertierungsleistung kann die vorgebbare Mindestaktivität beziehungsweise die dieser entsprechende Temperaturschwelle auch höher liegen. Die Temperaturschwelle sollte vorzugsweise jedoch unterhalb einer Temperatur liegen, bei deren Überschreitung keine nennenswerte Aktivitätssteigerung zu erreichen ist, insbesondere sollte die geforderte Mindestaktivität eine Konvertierungsrate von 98% nicht überschreiten. Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird im Falle mehrerer Katalysatoren des Abgasnachbehandlungssystems für jeden Katalysator eine einer vorgebbaren Mindestaktivität dieses Katalysators entsprechende Temperaturschwelle bestimmt.
  • Zur Überwachung kann die aktuelle Katalysatortemperatur entweder mittels entsprechend angeordneter Temperatursensoren direkt gemessen werden oder in Abhängigkeit einer aktuellen Abgastemperatur bestimmt werden. Die Abgastemperatur ihrerseits kann wiederum mittels im Abgaskanal angeordneter Temperatursonden gemessen werden oder in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Fahrzeuges modelliert werden. Hierfür können insbesondere eine Motorlast, eine Motordrehzahl und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit herangezogen werden. Wird die Katalysatortemperatur über den Umweg der Abgastemperatur ermittelt, kann es sinnvoll sein, statt der Mindesttemperatur des Katalysators eine dieser entsprechende Temperaturschwelle für die Abgastemperatur vorzugeben und diese erfindungsgemäß zu überwachen. Für jede vorgegebene Temperaturschwelle kann zudem eine eigene Zeitspanne vorgegeben werden, für die die Temperaturschwelle maximal unterschritten werden darf, ehe eine Maßnahme zur Steigerung der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur eingeleitet wird. So kann beispielsweise für eine vor einem Vorkatalysator ermittelte Abgastemperatur eine Unterschreitung der Temperaturschwelle im Leerlauf für maximal 5 bis 25 s zugelassen werden, da infolge einer thermischen Trägheit der nachgeschalteten Katalysatoren diese nur mit einer erheblichen Zeitverzögerung auskühlen. Ferner ist denkbar, als Bedingung für die Einleitung einer temperatursteigernden Maßnahme die Unterschreitung der entsprechenden Temperaturschwelle an mehreren relevanten Stellen in der Abgasanlage vorzugeben.
  • Als temperatursteigernde Maßnahmen finden vorzugsweise motorische Maßnahmen Anwendung, die entweder zu einer Steigerung der Abgastemperatur und/oder zu einer Erhöhung eines Schadstoffanteils des Abgases führen. Gemäß der zweiten Alternative bewirkt dann eine bei der oxidativen Schadstoffkonvertierung am Katalysator freiwerdende Reaktionswärme die gewünschte Katalysatorerwärmung.
  • Die infrage kommenden temperatursteigernden Maßnahmen hängen von der Art der Verbrennungskraftmaschine ab. Im Falle fremdgezündeter Verbrennungskraftmaschinen (Ottomotoren) kann die temperatursteigernde Maßnahme insbesondere eine Verschiebung eines Zündwinkels in Richtung "spät" (Spätzündung) umfassen und/oder eine Veränderung einer Abgasrückführrate und/oder eine Veränderung von Ventilsteuerzeiten von Ein- und/oder Auslassventilen und/oder eine Verstellung einer im Einlasskanal angeordneten Ladungsbewegungsklappe und/oder eine Verstellung einer in einer Luftansaugleitung angeordneten Drosselklappe. Verfügt die fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine über eine Kraftstoffdirekteinspritzung, kommt als temperatursteigernde Maßnahme zusätzlich eine Veränderung eines Einspritzzeitpunktes infrage, eine Splittung einer Einspritzmenge in mehrere während eines Arbeitszyklus eingespritzte Kraftstoffanteile, eine Absenkung eines Lambdawertes in einem Schichtladebetrieb ("Anfettung"), eine Unterdrückung des Schichtladebetriebs zugunsten eines mageren oder stöchiometrischen Homogenbetriebs und/oder eine Unterdrückung des mageren Homogenbetriebs zugunsten des stöchiometrischen Homogenbetriebs. Handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine auf der anderen Seite um eine (selbstzündende) Dieselbrennkraftmaschine, wird vorzugsweise eine Verschiebung eines Einspritzzeitpunktes, eine Veränderung der Abgasrückführrate, eine Drosselung der Ansaugluft und/oder eine Änderung der Ventilsteuerzeiten der Ein- und Auslassventile zur Anhebung der Katalysator- beziehungsweise Abgastemperatur durchgeführt.
  • Die Intensität der temperatursteigernden Maßnahme in Bezug auf ihre Heizwirkung wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Abweichung der ermittelten Katalysator- und/oder Abgastemperatur von der/den vorgegebenen Temperaturschwellen geregelt. Dies ist bei stufenlos oder engstufig beeinflussbaren Maßnahmen, wie zum Beispiel der Verstellung des Zündzeitpunktes oder der Abgasrückführrate, durch entsprechende Regelung problemlos möglich. Bei Maßnahmen hingegen, die in der Wahl zweier Schaltzustände bestehen, beispielsweise der Betriebsartenunterdrückung bei direkteinspritzenden Ottomotoren, erfolgt eine Intensitätsregelung der temperatursteigernden Maßnahme durch entsprechende Regelung der Dauer und Frequenz der in Intervallen zu- und abgeschalteten Maßnahme. Dies führt beispielsweise im Magerbetrieb zu einem Hin- und Herschalten zwischen Schichtbetrieb (mit üblicherweise niedrigen Abgastemperaturen) und Homogenbetrieb (mit wesentlich höheren Abgastemperaturen). Um ein ständiges Hin- und Herschalten zu unterdrücken, kann hier ferner vorgesehen sein, bei solchen Zwei-Zustandsmaßnahmen eine Mindestverweildauer für jeden Schaltzustand vorzugeben, beispielsweise mindestens 5 bis 60 s, insbesondere mindestens 10 bis 15 s.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Verfahrensschritte durchführbar sind:
    • a) Bestimmung einer Alterung des mindestens einen Katalysators;
    • b) Bestimmung einer unteren Temperaturschwelle in Abhängigkeit der Alterung für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators und/oder des diesen beaufschlagenden Abgases, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität des Katalysators vorliegt und
    • c) bei Unterschreitung der Temperaturschwelle oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle für länger als eine vorgebbare Zeitspanne Durchführung mindestens einer Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur.
  • Diese Mittel umfassen vorzugsweise eine Steuereinheit, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt ist. Diese Steuereinheit beziehungsweise der Algorithmus kann besonders bevorzugt in ein Motorsteuergerät integriert sein.
  • Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich nach einer vorteilhaften Ausgestaltung um einen direkteinspritzenden fremdgezündeten Motor (Ottomotor), der vorzugsweise schichtladefähig ist. Ebenso kann die Erfindung aber auch zur Nachbehanlung von Abgasen von Dieselmotoren Verwendung finden.
  • Im Falle einer direkteinspritzenden schichtladefähigen fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine ist ferner gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass ein Edelmetallgehalt des mindestens einen Katalysators, insbesondere wenigstens eines Vorkatalysators, vorzugsweise aller eingesetzter Katalysatoren, höchstens 3,59 g/dm3 Katalysatorvolumen (100 g/ft3), vorzugsweise höchstens 2,87 g/dm3 (80 g/ft3), beträgt. Bekannte Katalysatorsysteme von direkteinspritzenden schichtladefähigen Ottomotoren weisen erheblich höhere Edelmetallgehalte auf, nämlich mindestens 3,95 g/dm3 (110 g/ft3), typischerweise mindestens 4,67 g/dm3 (130 g/ft3), um im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) mit thermisch ungeschädigten und schwefelfreien Katalysatoren und einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von mindestens 250 s eine HC-Emission von unter 0,07 g/km und eine NOx-Emission von unter 0,05 g/km einzuhalten. (Dabei wird hier ein Katalysator als schwefelfrei bezeichnet, der eine eingespeicherte Schwefelmasse unterhalb von 0,2 g/dm3Katalysatorvolumen aufweist.) Diese hohen Edelmetallbeschickungen gemäß Stand der Technik wirken dem alterungsbedingten Anstieg der Lightoff-Temperatur entgegen. Durch das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei gealterten Abgasreinigungssystemen eine Eingrenzung des Arbeitstemperaturfensters auf den hochwirksamen Arbeitsbereich erzielt werden. So wurde beim Einsatz eines Katalysatorsystems mit einem erfindungsgemäß edelmetallreduzierten Vorkatalysator, der einer künstlichen Ofenalterung bei 1100°C über 4 Stunden in einer Atmosphäre mit 2% O2 und 10% H2O unterzogen wurde, und unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im NEFZ eine HC-Emission von 0,1 g/km und eine NOx-Emission von 0,08 g/km nicht überschritten. Durch die Absenkung des Edelmetallgehaltes in Kombination mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Einhaltung gesetzlicher Abgasgrenzwerte somit auf kostengünstigere Weise realisierbar.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem Abgasnachbehandlungssystem;
  • Fig. 2 Verlauf einer Katalysatoraktivität in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur und von einer Katalysatoralterung und
  • Fig. 3 ein Fließdiagramm eines Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführung.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich bevorzugt um einen mit einer nicht dargestellten Kraftstoffdirekteinspritzung ausgestatteten Ottomotor, der im Niedrig- und Teilllastbereich zu einem mageren Schichtladebetrieb befähigt ist. In dem verbrauchsgünstigen mageren Schichtladebetrieb wird - im Gegensatz zu einem Homogenbetrieb - eine zündfähige Kraftstoffwolke lediglich im Bereich einer Zündkerze erzeugt, während im übrigen Brennraum annähernd reine Luft vorliegt. Die Erzeugung und Stabilisierung der Kraftstoffwolke wird durch einen späten Einspritzzeitpunkt bewirkt und kann ferner durch bekannte bauliche Maßnahmen, etwa einer in einem Lufteinlasskanal angeordneten Ladungsbewegungsklappe und/oder einer muldenartigen Ausgestaltung eines Kolbenbodens, unterstützt werden.
  • Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes Abgas wird durch einen Abgaskanal 12 geleitet, in dem ein Katalysatorsystem angeordnet ist, welches einen Vorkatalysator 14, vorzugsweise einen 3-Wege-Katalysator, und einen NOx-Speicherkatalysator 16 als Hauptkatalysator umfasst. Der Vorkatalysator 14 sowie der NOx-Speicherkatalysator 16 weisen einen Edelmetallgehalt von weniger als 2,87 g/dm3 Katalysatorvolumen (80 g/ft3) auf. Im Abgaskanal 12 sind ferner verschiedene Sensoren angeordnet, die eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere im Sinne einer Einhaltung vorgebbarer Katalysatortemperaturen und -aktivitäten, ermöglichen.
  • Insbesondere erfolgt eine Regelung eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches auf eine Lambdasollvorgabe durch eine stromauf des Katalysatorsystems 14, 16 angeordnete Lambdasonde 18 (Lambdaregelung). Ferner wird eine NOx-Endemission (NOx-Durchbruch) mit Hilfe eines stromab des Speicherkatalysators 16 angeordneten NOx-Sensors 20 überwacht. Schließlich erfasst ein in Nähe (stromauf oder stromab) des NOx-Speicherkatalysators 16 angeordneter Temperatursensor 22 eine Abgastemperatur, aus welcher eine Katalysatortemperatur des Speicherkatalysators 16 abgeleitet werden kann. Alternativ kann die Katalysatortemperatur auch in Abhängigkeit geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, etwa einer Motordrehzahl n, einer Motorlast L, und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit v, berechnet werden.
  • Alle Sensorsignale λ, T, NOx sowie die Betriebsparameter n, L, v der Verbrennungskraftmaschine 10 finden Eingang in ein Motorsteuergerät 24, das in Abhängigkeit dieser Daten die Verbrennungskraftmaschine 10 steuert. Das Motorsteuergerät 24 umfasst eine Steuereinheit 26, in der ein Algorithmus hinterlegt ist, welcher eine Alterung des Katalysatorsystems, insbesondere des NOx-Speicherkatalysators 16, bestimmt; in Abhängigkeit der Alterung eine einzuhaltende Temperaturschwelle für die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 festlegt und bei Unterschreitung dieser Temperaturschwelle mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme durchführt.
  • Ein typischer Verlauf einer Katalysatoraktivität AKat in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur TKat eines neuen Katalysators ist mit dem mit Bezugszeichen 28 bezeichneten Graphen in Fig. 2 (durchgezogene Linie) dargestellt. Die Katalysatoraktivität AKat zeigt einen sigmoidalen Verlauf. Bei niedrigen Katalysatortemperaturen TKat findet praktisch keine Schadstoffkonvertierung statt. Die Katalysatoraktivität AKat steigt in einem gewissen Temperaturbereich - dieser ist katalysatorspezifisch - steil an und nähert sich schließlich einem Plateau, bei dem die Katalysatoraktivität AKat des Zwischenkatalysators annähernd einer 100%igen Konvertierungsrate entspricht.
  • Mit Graph 30 ist der entsprechende Aktivitätsverlauf eines gealterten Katalysators dargestellt (gestrichelte Linie). Zu erkennen ist eine deutliche Verschiebung des Aktivitätsverlaufs in Richtung höherer Temperaturen gegenüber dem frischen Katalysator (Graph 28). So liegt eine Temperatur TMin', bei der eine Konvertierungsrate von 50% beobachtet wird, deutlich oberhalb der entsprechenden Temperatur TMin des neuen Katalysators. Ferner erreicht der gealterte Katalysator nicht mehr die maximale Katalysatoraktivität AKat des neuen Katalysators.
  • Der horizontale Balken 32 der Fig. 2 zeigt einen typischen Temperaturbereich eines konventionellen Ottomotors mit externer Gemischbildung. Derartige Ottomotoren arbeiten mit relativ hohen Abgastemperaturen, so dass nach Warmlauf des Motors und des Katalysatorsystems auch in Niedriglastbereichen der Katalysator praktisch immer seine maximale Aktivität AKat aufweist. Aus diesem Grund kann bei konventionellen Ottomotoren eine verhältnismäßig starke Katalysatoralterung toleriert werden, ohne dass es zu nennenswerten Schadstoffdurchbrüchen kommt (vergleiche Graphen 28 und 30).
  • Kritischer hingegen ist der Fall direkteinspritzender Ottomotoren, die durch niedrigere Abgastemperaturen gekennzeichnet sind. Der Balken 34 stellt den entsprechend bei niedrigeren Temperaturen einsetzenden typischen Temperaturbereich eines direkteinspritzenden Ottomotors dar. Bei den in Niedriglastphasen, insbesondere in Leerlaufphasen, vorliegenden Katalysatortemperaturen TKat des direkteinspritzenden Ottomotors befindet sich der frische Katalysator gerade an der unteren Temperaturgrenze seines maximalen Temperaturbereichs (Graph 28). Folglich wird bei einem gealterten Katalysator (Graph 30) bei der gleichen Temperatur bereits ein dramatischer Einbruch der Katalysatoraktivität AKat beobachtet. Kühlt der Katalysator des direkteinspritzenden Ottomotors im Leerlauf auf die untere Temperaturgrenze des Temperaturbereichs 34 aus, kann der Katalysator nicht mehr seine maximale Konvertierungsleistung einhalten. Wenn in einer nachfolgenden Teil- oder Volllastphase des Motors dann wieder hohe Abgas- und Schadstoffmassenströme vorliegen, kann ein hoher Anteil der Schadstoffe den noch nicht wieder aufgeheizten Katalysator unkonvertiert passieren. Dieses Problem überkommt das erfindungsgemäße Verfahren, indem es eine in Abhängigkeit der Alterung einzuhaltende Mindesttemperatur vorgibt und ihre Einhaltung während des gesamten Betriebes der Verbrennungskraftmaschine überwacht.
  • Ein bevorzugter Ablauf des durch die Steuereinheit 26 gesteuerten Verfahrensablaufs ist in Fig. 3 dargestellt. Der Einfachheit halber wird gemäß dem hier dargestellten beispielhaften Verfahrensablauf lediglich die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 aus Fig. 1 kontrolliert. Denkbar und auch sinnvoll kann aber auch eine Temperaturüberwachung aller Katalysatoren 14 und 16 beziehungsweise eine Überwachung der Abgastemperaturen stromauf und/oder stromab der Katalysatoren 14, 16 vorgesehen sein.
  • Das Verfahren beginnt in Schritt S100, wo die Katalysatoralterung AGE des NOx- Speicherkatalysators 16 bestimmt wird. Dies kann durch unterschiedlichste Verfahren geschehen. Die Katalysatoralterung AGE kann beispielsweise durch die in der DE 26 43 739 A1 beschriebene Temperaturmethode erfasst werden. Dabei wird eine mit der katalytischen Aktivität einhergehende Temperaturerhöhung mit einer für einen frischen (neuen) Katalysator zu erwartenden Soll-Temperaturerhöhung verglichen. Diese Methode erfordert eine möglichst exakte Temperaturmessung stromauf und stromab des zu betrachtenden Katalysators. Ferner kann die Katalysatoralterung AGE durch Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC für "oxygen storage capacity") ermittelt werden, wie beschrieben in der DE 43 38 917 A1. Dieses Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass mit zunehmender Katalysatorschädigung eine Abnahme der OSC einhergeht. Weiterhin kann die Alterung AGE durch direkte Bestimmung der Katalysatoraktivität AKat bestimmt werden, wofür eine Messung des Schadstoffdurchbruchs stromab des relevanten Katalysators erforderlich ist. Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird stromab des NOx- Speicherkatalysators 16 die NOx-Konzentration mit Hilfe des NOx-Sensors 20 gemessen und mit einer von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierten NOx-Rohemission verglichen. Die Bestimmung der NOx-Rohemission erfolgt hierbei vorzugsweise durch Modellierung, wobei in der Steuereinheit 26 gespeicherte drehzahl- und lastabhängige Kennfelder Einsatz finden. Alternativ kann die Konvertierungsaktivität des Speicherkatalysators 16 auch durch Auswertung einer mit einer nachgeschalteten Lambdasonde geregelten NOx-Regenerationsdauer erfolgen. Die Ermittlung der Katalysatoraktivität erfolgt dann durch Vergleich des Speicher- und Regenerationsverhaltens mit dem Verhalten eines thermisch ungeschädigten und schwefelfreien Katalysators. Daneben können auch rein empirische Verfahren zur Alterungsbestimmung Anwendung finden, die etwa anhand der Gesamtbetriebsdauer des Katalysators und/oder seiner Temperaturhistorie seine Alterung AGE ableiten.
  • Im Anschluss an die Alterungsbestimmung erfolgt in Schritt S102 eine Bestimmung einer unteren Temperaturschwelle, der Mindesttemperatur TMin, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität AMin des Katalysators 16 gemäß der bestimmten Katalysatoralterung AGE vorliegt. Beispielsweise kann die Temperaturschwelle TMin der Lightoff-Temperatur des Speicherkatalysators 16 entsprechen, bei der dieser eine Konvertierungsrate von 50% aufweist (vergleiche Fig. 2). Handelt es sich bei dem betrachteten Katalysator um einen frischen Katalysator gemäß Graph 28 in Fig. 2, wird die Mindesttemperatur TMin bei entsprechend niedrigen Temperaturen liegen. Wurde in Schritt S100 hingegen ein beispielsweise dem Graphen 30 entsprechendes Aktivitätsprofil eines gealterten Katalysators ermittelt, wird in Schritt S102 die Temperaturschwelle auf die höhere Mindesttemperatur TMin' festgelegt, wenn die Mindestaktivität AMin von 50% eingehalten werden soll.
  • Anschließend erfolgt in Schritt S104 eine Abfrage, ob sich die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem vorgegebenen Schwachlastbetrieb, der beispielsweise durch eine Motordrehzahl n < 2000 min-1 und einem effektiven Mitteldruck pme < 1 bar gekennzeichnet ist, befindet. Alternativ kann auch das Vorliegen einer Leerlaufphase die hier abzufragende Bedingung sein. Wird die Abfrage S104 verneint, endet das Verfahren und geht zum Ausgangsschritt S100 zurück. In diesem Fall wird von ausreichenden Abgas- und Katalysatortemperaturen ausgegangen.
  • Wird andererseits die Abfrage S104 bejaht, das heißt die Verbrennungskraftmaschine 10 befindet sich in einer Schwachlast- oder Leerlaufphase, geht das Verfahren zu Schritt S106 über, wo mit Hilfe des Temperatursensors 22 die Abgastemperatur TAbgas stromauf des NOx- Speicherkatalysators 16 ermittelt und in die Steuereinheit 26 eingelesen wird. Im anschließenden Schritt S108 erfolgt eine Berechnung der aktuellen Katalysatortemperatur TKat des Speicherkatalysators 16 in Abhängigkeit der vorhergehend ermittelten Abgastemperatur TAbgas. Hierfür können geeignete Kennfelder oder empirische Korrelationsmodelle verwendet werden. Derartige Verfahren sind bekannt und sollen hier nicht näher erläutert werden.
  • In der in Schritt S110 anschließenden Abfrage wird ermittelt, ob die aktuelle Katalysatortemperatur TKat die in Schritt S102 vorgegebene Temperaturschwelle TMin unterschreitet. Wenn TKat größer oder gleich der Temperaturschwelle TMin ist, liegt eine ausreichende Konvertierungsleistung des NOx-Speicherkatalysators 16 vor und das Verfahren wird abgebrochen und geht zu Schritt S100 zurück.
  • Wird hingegen in der Abfrage in S110 ein kritisches Auskühlen des Speicherkatalysators 16 erkannt, startet ein Zeitzähler und das Verfahren geht zu Schritt S112 über, wo überprüft wird, ob die Zeitspanne Δt, während der der Katalysator 16 die Temperaturschwelle TMin unterschritten hat, eine vorgegebene maximale Zeitspanne tMax erreicht oder überschritten hat. Beispielsweise kann tMax auf 5 s festgelegt werden. Weist der Speicherkatalysator 16 erst für weniger als 5 s eine Katalysatortemperatur TKat unterhalb der Temperaturschwelle TMin auf, geht das Verfahren zu Schritt S104 zurück, wo erneut eine Lastabfrage und nachfolgend eine Bestimmung der Abgastemperatur TAbgas und der Katalysatortemperatur TKat erfolgt. Unterschreitet die aktuelle Katalysatortemperatur TKat weiterhin die Temperaturschwelle TMin, zählt der Zeitzähler die Zeitspanne Δt weiter hoch.
  • Sobald die Katalysatortemperatur TKat die kritische Temperatur TMin für länger als die vorgegebene Zeitspanne tMax überschreitet, die Abfrage in Schritt S112 also bejaht wird, geht das Verfahren zu Schritt S114 über. Hier wird die Intensität einer durchzuführenden temperatursteigernden Maßnahme HEAT in Abhängigkeit von der Abweichung ΔT der aktuellen Katalysatortemperatur TKat von der Temperaturschwelle TMin festgelegt. Im vorliegenden Beispiel, in dem die Verbrennungskraftmaschine 10 ein direkteinspritzender Ottomotor ist, wird etwa der magere Schichtladebetrieb zugunsten eines mageren oder stöchiometrischen Homogenbetriebes unterdrückt. Dafür wird der in der Niedriglast- oder Leerlaufphase üblicherweise vorliegende magere Schichtladebetrieb, der durch niedrige Abgastemperaturen gekennzeichnet ist, von mageren oder stöchiometrischen Homogenintervallen mit höheren Abgastemperaturen unterbrochen. Dabei wird die Intensität der Heizwirkung durch entsprechende Festlegung der Dauer der Homogenintervalle sowie ihrer Frequenz geregelt. Weitere temperatursteigernde Maßnahmen können an dieser Stelle vorgesehen sein. Handelt es sich hierbei um eine stufenlos oder engstufig beeinflussbare Maßnahme, so wird die Heizintensität in Schritt S114 durch entsprechende Steuervorgabe eingestellt. Beispielsweise kann eine Abgasrückführrate auf eine in S114 zu bestimmende geringere Abgasrückführrate eingestellt werden, um die Abgas- und Katalysatortemperatur zu erhöhen.
  • Schließlich erfolgt in Schritt S116 die Durchführung der temperatursteigernden Maßnahme mit der in S114 ermittelten Intensität. Anschließend geht das Verfahren zu Schritt S100 zurück, wo erneut die Katalysatorleistung AGE bestimmt wird. Selbstverständlich muss die Alterungsbestimmung abweichend von der dargestellten Vorgehensweise nicht in jedem Verfahrenszyklus erfolgen. Vielmehr können auch größere Zeitintervalle vorgesehen sein, so dass im Anschluss an Schritt S116 das Verfahren zu der Abfrage S104 übergehen kann. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Verbrennungskraftmaschine
    12 Abgaskanal
    14 Vorkatalysator
    16 Hauptkatalysator/NOx-Speicherkatalysator
    18 Lambdasonde
    20 NOx-Sensor
    22 Temperatursensor
    24 Motorsteuergerät
    26 Steuereinheit
    28 Katalysatoraktivität neuer Katalysator
    30 Katalysatoraktivität gealterter Katalysator
    32 Temperaturbereich konventioneller Ottomotor
    34 Temperaturbereich direkteinspritzender Ottomotor
    AKat Katalysatoraktivität
    AMin Mindestaktivität
    TMin untere Temperaturschwelle
    S100 Bestimmung Katalysatoralterung AGE
    S102 Bestimmung Temperaturschwelle TMin
    S104 Abfrage: Betriebsphase?
    S106 Einlesen Abgastemperatur TAbgas
    S108 Berechnung Katalysatortemperatur TKat
    S110 Abfrage: Einhaltung Temperaturschwelle TMin?
    S112 Abfrage: Zeitspanne?
    S114 Ermittlung temperatursteigernde Maßnahme/n HEAT
    S116 Durchführung temperatursteigernde Maßnahme/n HEAT

Claims (24)

1. Verfahren zur Reduzierung einer Schadstoffendemission eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem dieser nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem Katalysator (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Alterung des mindestens einen Katalysators (14, 16) eine untere Temperaturschwelle (TMin) für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) und/oder des diesen beaufschlagenden Abgases bestimmt wird, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität (AMin) des Katalysators (14, 16) vorliegt, und bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) für länger als eine vorgebbare Zeitspanne (tMax) mindestens eine Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme nach Beendigung einer nach einem Motorstart anschließenden Warmlaufphase durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme in einer Niedriglastphase, insbesondere in einer Leerlaufphase, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme bei einer Motordrehzahl (n) von höchstens 2000 min-1 bei einem effektiven Mitteldruck (pme) von höchstens 1 bar, insbesondere bei einer Motordrehzahl von höchstens 1000 min-1 bei einem effektiven Mitteldruck (pme) von höchstens 0,7 bar durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Mindestaktivität (AMin) des mindestens einen Katalysators (14, 16) einer Konvertierungsrate von mindestens 30% bis höchstens 98%, insbesondere von mindestens 50%, entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Katalysator (14, 16) des Abgasnachbehandlungssystems eine einer vorgebbaren Mindestaktivität (AMin) entsprechende Temperaturschwelle (TMin) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Temperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) gemessen oder in Abhängigkeit einer aktuellen Abgastemperatur ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur gemessen oder in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere einer Motorlast (L), der Motordrehzahl (n) und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v), modelliert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme eine motorische Maßnahme zur Steigerung der Abgastemperatur und/oder zur Erhöhung eines Schadstoffanteils oxidierbarer Komponenten des Abgases ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (10) die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme eine Verschiebung eines Zündwinkels in Richtung "spät", eine Veränderung einer Abgasrückführrate, eine Veränderung von Ventilsteuerzeiten von Ein- und/oder Auslassventilen, eine Verstellung einer Ladungsbewegungsklappe und/oder eine Verstellung einer Drosselklappe umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (10) mit Direkteinspritzung die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme ferner eine Veränderung eines Einspritzzeitpunktes, eine Splittung einer Einspritzmenge, eine Absenkung eines Lambdawertes in einem Schichtladebetrieb, eine Unterdrückung des Schichtladebetriebs zugunsten eines mageren oder stöchiometrischen Homogenbetriebs und/oder eine Unterdrückung des mageren Homogenbetriebs zugunsten des stöchiometrischen Homogenbetriebs umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dieselbrennkraftmaschine (10) die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme eine Verschiebung eines Einspritzzeitpunktes, eine Veränderung einer Abgasrückführrate, eine Drosselung der Ansaugluft und/oder eine Veränderung von Ventilsteuerzeiten von Ein- und/oder Auslassventilen umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der mindestens einen temperatursteigernden Maßnahme hinsichtlich einer Heizwirkung der Maßnahme in Abhängigkeit von einer Abweichung (ΔT) der ermittelten Katalysatortemperatur (TKat) von der Temperaturschwelle (TMin) geregelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine temperatursteigernde Maßnahme in Intervallen zu- und abgeschaltet wird und ihre Intensität durch Intervalldauer und Frequenz der Zuschaltung geregelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalldauer 5 bis 60 s, insbesondere 10 bis 15 s, beträgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung des mindestens einen Katalysators (14, 16) durch Messung einer Temperaturerhöhung des Katalysators (14, 16) und Vergleich mit einer zu erwartenden Soll-Temperaturerhöhung, durch Bestimmung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators (14, 16), durch Messung einer Konzentration zumindest einer Abgaskomponente stromab des Katalysators (14, 16) und/oder dergleichen bestimmt wird.
17. Vorrichtung zur Reduzierung einer Schadstoffendemission eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem dieser nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem Katalysator (14, 16), gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Verfahrensschritte durchführbar sind:
a) Bestimmung einer Alterung des mindestens einen Katalysators (14, 16);
b) Bestimmung einer unteren Temperaturschwelle (TMin) in Abhängigkeit der Alterung für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) und/oder des diesen beaufschlagenden Abgases, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität (AMin) des Katalysators (14, 16) vorliegt und
c) bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) für länger als eine vorgebbare Zeitspanne (tMax) Durchführung mindestens einer Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (26) umfassen, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) und/oder der Algorithmus in ein Motorsteuergerät (24) integriert ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) ein fremdgezündeter Motor, insbesondere ein schichtladefähiger fremdgezündeter Motor, ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Dieselmotor ist.
22. Vorrichtung zur Reduzierung einer Schadstoffendemission eines Abgases einer direkteinspritzenden schichtladefähigen fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem dieser nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem Katalysator (14, 16), gekennzeichnet durch einen Edelmetallgehalt des mindestens einen Katalysators (14, 16) von höchstens 3,59 g/dm3 Katalysatorvolumen (100 g/ft3) sowie durch Mittel, mit denen die Verfahrensschritte durchführbar sind:
a) Bestimmung einer Alterung des mindestens einen Katalysators (14, 16);
b) Bestimmung einer unteren Temperaturschwelle (TMin) in Abhängigkeit der Alterung für eine Temperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) und/oder des diesen beaufschlagenden Abgases, bei der eine vorgebbare Mindestaktivität (AMin) des Katalysators (14, 16) vorliegt,
c) bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) oder bei Unterschreitung der Temperaturschwelle (TMin) für länger als eine vorgebbare Zeitspanne (tMax) Durchführung mindestens einer Maßnahme zur Steigerung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Edelmetallgehalt des mindestens einen Katalysators (14, 16) von beträgt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallgehalt mindestens eines ersten Vorkatalysators (14), insbesondere aller Katalysatoren (14, 16), höchstens 3,59 g/dm3 Katalysatorvolumen (100 g/ft3), insbesondere höchstens 2,87 g/dm3 (80 g/ft3), beträgt.
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