DE10240833B4 - Verfahren zum Verringern von Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verringern von Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine, bei dem schädliche Abgase (CO, NC, NOx) in einem Katalysator (3) konvertiert werden und im Anschluss an eine Schubphase von einem Betrieb ohne Kraftstoffzufuhr zu einem Brennraum in einen Betrieb mit Kraftstoffzufuhr übergegangen und dabei zum Ausräumen von Sauerstoff aus dem Katalysator (3) die Brennkraftmaschine zunächst mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch in einer Ausräumphase (A) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausräumphase (A) von einer anfänglichen Ausräumphase (A1) mit fetterem Gemisch in eine nachträgliche Ausräumphase (A2) mit weniger fettem Gemisch übergegangen wird und aus letzterer beim Beenden der Ausräumphase (A) in einen Normalbetrieb übergegangen wird, wobei der λ-Wert während der anfänglichen (A1) und/oder der nachträglichen Ausräumphase (A2) in Abhängigkeit von der akkumulierten Menge der zugeführten Kraftstoffmasse eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern von Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine, bei dem schädliche Abgase in einem Katalysator konvertiert werden und im Anschluss an eine Schubphase von einem Betrieb ohne Kraftstoffzufuhr zu einem Brennraum in einen Betrieb mit Kraftstoffzufuhr übergegangen und dabei zum Ausräumen von Sauerstoff aus dem Katalysator die Brennkraftmaschine zunächst mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch in einer Ausräumphase betrieben wird.
  • Stand der Technik
  • Ein Verfahren dieser Art ist in der DE 42 36 922 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird der in den Sauerstoff-Speicherräumen des Katalysators bei unterbundener Kraftstoffzufuhr während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine durch die geförderte Luft eingefüllte Sauerstoff mit Beginn des anschließenden Betriebs mit Kraftstoffzufuhr (Normalbetrieb) zunächst mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben, um die übermäßige Sauerstoffansammlung aus dem Katalysator auszuräumen und die Schadstoffemission durch Konvertierung von HC, CO und NOx auf ein Minimum zu reduzieren. Wie 2 zeigt, wird das Minimum der Schadstoffkonzentration im emittierten Abgas hinter dem Katalysator bei einer Gemischzusammensetzung eines λ-Wertes von etwa 1 erreicht. Unterhalb eines λ-Wertes von 1, d. h. bei fettem Gemisch, ist die Konzentration der Abgase NC und CO zunehmend hoch, während oberhalb eines λ-Wertes von 1, d. h. bei relativ hohem Sauerstoffanteil, der Anteil des Abgases NOx schnell ansteigt. Gemäß der DE 42 36 922 A1 wird zum Ausräumen des Sauerstoffs solange fettes Gemisch eingebracht, bis die akkumulierte Menge des Fettgemisches eine vorgegebene Schwelle überschreitet und/oder eine stromabwärts des Katalysators gelegene Lambdasonde fettes Gemisch detektiert, wie die 3 und 4 zeigen.
  • Wie aus 3 ersichtlich, nimmt in der Schubphase S der λ-Wert im Abgaskanal erheblich zu. Entsprechend zeigt sich ein Durchbruch der Spannung uSH der Lambdasonde hinter dem Katalysator. Zum Ausräumen wird im Anschluss an die Schubphase S mit Beginn des Normalbetriebs in der Ausräumphase A das Gemisch auf einen λ-Wert unter 1 angefettet, und mit dem Ende der Ausräumphase steigt die Spannung uSH der Lambdasonde hinter dem Katalysator wieder auf einen entsprechenden Wert an, wenn der Sauerstoffüberschuss in dem Katalysator aufgebraucht ist. Sobald die Lambdasonde hinter dem Katalysator-Fettgemisch detektiert, kann zwar der λ-Wert auf 1 zurückgenommen werden, jedoch ist die gesamte Strecke zwischen Einspritzventil und hinterer Sonde noch mit dem fetten Gemisch befüllt. Dadurch entstehen im unmittelbar nachfolgenden Betrieb Emissionen von HC- und CO-Abgasen.
  • In der DE 101 09 331 C1 ist ein Verfahren zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration eines Drei-Wege-Katalysatorsystems mit Vor- und Hauptkatalysator sowie einem zwischen den beiden Katalysatoren angeordneten Sauerstoffsensor gezeigt, mit dem sich die Sauerstoffkonzentration im Vor- und Hauptkatalysator beim Übergang von einem mageren Betrieb zu einem stöchiometrischen Betrieb neu einstellen lässt. Hierzu werden beide Katalysatoren mit einem fetten Gemisch solange beaufschlagt, bis die gewünschten Sauerstoffkonzentrationen erreicht sind. Hierbei werden das Messsignal des Sauerstoffsensors und das Messsignal eines Luftmassenmessers dazu benutzt, die vom Hauptkatalysator an das Abgas abgegebene Sauerstoffmenge zu berechnen, um den fetten Betrieb bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwerts zu beenden.
  • Die DE 100 59 791 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung eines Vorkatalysators, dem ein Hauptkatalysator nachgeschaltet ist. Dabei ist vorgesehen, in wiederkehrenden Abständen in den Vorkatalysator eingelagerten Schwefel zumindest teilweise in einer Form auszutreiben, die unter vorliegenden Betriebsbedingungen den Hauptkatalysator zu mindestens 25% passiert. Vorzugsweise wird der Schwefel überwiegend in Form von Schwefelwasserstoff ausgetrieben, während der Hauptkatalysator weitgehend sauerstofffrei ist, so dass eine Verschwefelung des Hauptkatalysators verlangsamt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, mit dem die Abgasemissionen weiter verringert werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass während der Ausräumphase von einer anfänglichen Ausräumphase mit fetterem Gemisch in eine nachträgliche Ausräumphase mit weniger fettem Gemisch übergegangen wird und aus letzterer beim Beenden der Ausräumphase in einen Normalbetrieb übergegangen wird, wobei der λ-Wert während der anfänglichen und/oder der nachträglichen Ausräumphase in Abhängigkeit von der akkumulierten Menge der zugeführten Kraftstoffmasse bzw. des Fettgemisches eingestellt wird.
  • Durch die anfängliche Ausräumphase mit fetterem Gemisch wird der in den Sauerstoffspeichern des Katalysators angesammelte Sauerstoff relativ schnell ausgeräumt. Durch das weniger fette Gemisch in der nachträglichen Ausräumphase wird die Gemischanfettung in der Strecke zwischen der Gemischbildung im Ansaugrohr und der hinteren Sonde auf einen Wert in die Nähe des optimalen λ-Wertes von 1 gebracht, so dass weiterhin noch Sauerstoff aus den Speicherräumen des Katalysators ausgeräumt wird, die Gemischzusammensetzung in der Strecke zwischen der Gemischbildung und der hinteren Lambdasonde jedoch bereits nahe dem Optimum liegt, wenn die Gemischzusammensetzung in dem auf die Ausräumphase folgenden weiteren Betrieb auf den für eine minimale Abgasemission optimalen Wert von λ = 1 geregelt wird.
  • Eine wesentliche Verringerung der Abgasemission wird erreicht, wenn vorgesehen ist, dass der Lambda-Wert der Anfettung in der nachträglichen Ausräumphase um mindestens ein Drittel der Differenz zwischen der Anfettung bei Normalbetrieb und der Anfettung in der anfänglichen Ausräumphase über letzterem liegt.
  • Eine vorteilhafte Auslegung des Verfahrens besteht darin, dass der λ-Wert der Anfettung in der anfänglichen Ausräumphase zwischen 0,85 und 0,95 und der λ-Wert der Anfettung in der nachträglichen Ausräumphase zwischen 0,95 und 0,99 liegt, während im Normalbetrieb der λ-Wert bei 1,0 gehalten wird.
  • Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass der λ-Wert während der anfänglichen und/oder der nachträglichen Ausräumphase in Abhängigkeit von dem Zeitintegral des Produktes aus dem Luftmassenstrom m' und der Abweichung des λ-Wertes von dem Wert 1 gemäß ∫(1 - λ)·m'dt eingestellt wird, oder dass der λ-Wert während der anfänglichen und/oder der nachträglichen Ausräumphase unmittelbar in Abhängigkeit von der Zeit gewählt wird.
  • Eine weitere Optimierung zum Verringern der Abgasemission besteht darin, dass zumindest die anfängliche Ausräumphase mit zunehmendem Alter des Katalysators in bestimmten Zeitabständen oder in Abhängigkeit von Diagnosewerten verkürzt wird.
  • Für die Ausräumvorgänge und Verringerung der Abgasemission sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass die nachträgliche Ausräumphase solange aufrecht erhalten wird, bis eine stromaufwärts hinter dem Katalysator liegende Lambdasonde fettes Gemisch unter λ ≈ 1 detektiert.
  • Die Dauer der nachträglichen Ausräumphase beträgt z. B. 1/4 bis 3/4 der Dauer der gesamten Ausräumphase.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verringern der Schadstoffemission,
  • 2 eine schematische Darstellung zur Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration von der Gemischzusammensetzung,
  • 3 eine schematische Darstellung des Verlaufes der Gemischzusammensetzung während eines Schubbetriebs und einer anschließenden Sauerstoff-Ausräumphase nach dem Stand der Technik,
  • 4 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufs einer Lambdasonde hinter einem Katalysator nach dem Stand der Technik,
  • 5 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Gemischzusammensetzung gemäß der Erfindung und
  • 6 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufs einer Lamdasonde hinter dem Katalysator entsprechend der Gemischzusammensetzung nach 5.
  • Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Regeln einer Gemischzusammensetzung mit der Möglichkeit, eine Kraftstoffzufuhr während eines Schubbetriebs einer Brennkraftmaschine 1, wie er z. B. bei einer Bergabfahrt vorgenommen werden kann. Der gezeigte Ausschnitt des Regelkreises zeigt auf der Eingangsseite der Brennkraftmaschine 1 ein Ansaugrohr 7 mit einer Einspritzeinrichtung 6 und am Ausgang der Brennkraftmaschine 1 einen Abgaskanal 8 mit einer vor einem Katalysator 3 angeordneten Lambdasonde 4 und einer hinter dem Katalysator 3 angeordneten Lambdasonde 5. Signale der Lambdasonden 4 und 5 werden einer in einem Rückkopplungszweig liegenden elektronischen Steuereinheit 2 zugeführt, die die Signale verrechnet und in die Ansteuerung der Einspritzeinrichtung 6 einbezieht, um eine optimale Gemischzusammensetzung einzuregeln.
  • 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Abgaskonzentration der Abgase hinter dem Katalysator HC, CO einerseits und NOx andererseits in Abhängigkeit von der durch die λ-Werte ausgedrückten Gemischzusammensetzung. Bei der Gemischzusammensetzung λ = 1 ist die Abgaskonzentration (bei Benzinmotoren) bekanntermaßen am geringsten. Bei λ-Werten oberhalb von 1 nehmen die NOx-Abgase stark zu, während unterhalb von λ = 1 die HC- und CO-Abgasanteile wesentlich zunehmen.
  • Wie die 3 und 4 zeigen, steigt während einer Schubphase S im Schubbetrieb der Sauerstoffanteil infolge der angesaugten Luft in den Speicherräumen des Katalysators 3 an, wodurch dann in dem anschließenden Normalbetrieb bei Kraftstoffzufuhr der NOx-Schadstoffanteil stark zunehmen würde. Um den Sauerstoff aus den Speicherräumen des Katalysators 3 möglichst schnell zu beseitigen, wird an die Schubphase S eine Ausräumphase A mit einer fetten Gemischzusammensetzung angeschlossen, wie in der eingangs genannten DE 42 36 922 A1 näher beschrieben. Die Dauer der Ausräumphase wird z. B. durch das Zeitintegral des Produktes aus dem auf die Zeiteinheit bezogenen Luftmassenstrom und der Abweichung der Gemischzusammensetzung λ vom Wert 1 gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausräumphase A auch solange beibehalten werden, bis die stromabwärts hinter dem Katalysator 3 angeordnete Lambdasonde 5 fettes Gemisch detektiert. In 4 ist der Spannungsverlauf uSH der Lambdasonde 5 hinter dem Katalysator dargestellt. Demnach bricht in der Schubphase S die Spannung uSH durch und bleibt solange auf niedrigem Niveau, bis fettes Gemisch festgestellt wird.
  • Vorliegend wird entsprechend den 5 und 6, die ebenfalls die Gemischzusammensetzung λ und die Spannung uSH an der Lambdasonde 5 hinter dem Katalysator 3 zeigen, in der an die Schubphase S anschließenden Ausräumphase A1 die Gemischzusammensetzung in einer anfänglichen Ausräumphase A1 zunächst bei relativ fettem Gemisch eingestellt – gesteuert oder geregelt – und in einer nachfolgenden Ausräumphase A2 dann weniger fett in Richtung einer Gemischzusammensetzung entsprechend einem λ-Wert von 1 angenähert. Auf diese Weise wird bereits vor Wiederaufnahme der Regelung auf den Optimalwert λ = 1 die Strecke zwischen der Gemischbildung, insbesondere dem Einspritzventil, und der hinteren Lambdasonde 5 mit weniger fettem Gemisch befüllt, so dass im anschließenden Betrieb im Anschluss an die Ausräumphase A die Gemischzusammensetzung λ bereits relativ nahe bei dem optimalen λ-Wert liegt und sichergestellt ist, dass die NC- und CO-Abgasanteile bei der Abgasemission ebenso wie die bei fetterem Gemisch ohnehin niedrigen Abgasanteile von NOx äußerst niedrig sind. In der nachträglichen Ausräumphase A2 werden aber gleichwohl die Sauerstoffanteile in den Speicherräumen des Katalysators 3 effizient ausgeräumt.
  • Da mit zunehmendem Alter ZA des Katalysators 3 die Sauerstoff-Speicherräume abnehmen, kann die Ausräumphase, insbesondere die anfängliche Ausräumphase A1, entsprechend 5 verkürzt werden, wobei sich nach 6 auch der Spannungsverlauf uSH über der Zeit t in der Weise ändert, dass bei einem alten Katalysator aK das niedrige Spannungsniveau kürzer ist als bei neuem Katalysator nK, da das fette Gemisch infolge der kleineren Sauerstoff-Speicherräume sich an der Lambdasonde 5 hinter dem Katalysator 3 eher bemerkbar macht.
  • Die Dauer der anfänglichen Ausräumphase A1 und der nachträglichen Ausräumphase A2 sowie die Gesamtdauer der Ausräumphase A kann nach empirischen Algorithmen in Abhängigkeit von der Zeit oder von dem Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Abweichung der Gemischzusammensetzung λ von dem λ-Wert 1 durch Berechnen der akkumulierten Menge des Fettgemisches (zeitliches Integral über (1 – λ)·Luftmenge ml) gesteuert oder geregelt werden und solange aufrecht erhalten werden, bis diese Menge eine Schwelle überschreitet. Zudem kann die nachträgliche Ausräumphase A2 solange aufrecht erhalten werden, bis die Lambdasonde 5 hinter dem Katalysator fettes Gemisch detektiert.
  • Für die anfängliche Ausräumphase A1 liegt die Gemischzusammensetzung λ z. B. in einem Bereich zwischen 0,88 und 0,92, während in der nachträglichen Ausräumphase A2 die Gemischzusammensetzung λ in einem Bereich zwischen 0,96 und 0,99 eingestellt wird. Der Übergang zwischen den λ-Werten der anfänglichen Ausräumphase A1, und der nachträglichen Ausräumphase A2 kann durch entsprechende Steuerung oder Regelung fließend eingestellt werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Verringern von Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine, bei dem schädliche Abgase (CO, NC, NOx) in einem Katalysator (3) konvertiert werden und im Anschluss an eine Schubphase von einem Betrieb ohne Kraftstoffzufuhr zu einem Brennraum in einen Betrieb mit Kraftstoffzufuhr übergegangen und dabei zum Ausräumen von Sauerstoff aus dem Katalysator (3) die Brennkraftmaschine zunächst mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch in einer Ausräumphase (A) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausräumphase (A) von einer anfänglichen Ausräumphase (A1) mit fetterem Gemisch in eine nachträgliche Ausräumphase (A2) mit weniger fettem Gemisch übergegangen wird und aus letzterer beim Beenden der Ausräumphase (A) in einen Normalbetrieb übergegangen wird, wobei der λ-Wert während der anfänglichen (A1) und/oder der nachträglichen Ausräumphase (A2) in Abhängigkeit von der akkumulierten Menge der zugeführten Kraftstoffmasse eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Wert der Anfettung in der nachträglichen Ausräumphase (A2) um mindestens ein Drittel der Differenz zwischen der Anfettung bei Normalbetrieb und der Anfettung in der anfänglichen Ausräumphase (A1) über letzterem liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Wert der Anfettung in der anfänglichen Ausräumphase (A1) zwischen 0,85 und 0,95 und der λ-Wert der Anfettung in der nachträglichen Ausräumphase (A2) zwischen 0,95 und 0,99 liegt, während im Normalbetrieb der λ-Wert bei 1,0 gehalten wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Wert während der anfänglichen (A1) und/oder der nachträglichen Ausräumphase (A2) in Abhängigkeit von dem Zeitintegral des Produktes aus dem Luftmassenstrom m' und der Abweichung des λ-Wertes von dem Wert 1 gemäß ∫(1 – λ)·m'dt eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die anfängliche Ausräumphase (A1) mit zunehmendem Alter des Katalysators (3) in bestimmten Zeitabständen oder in Abhängigkeit von Diagnosewerten verkürzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträgliche Ausräumphse (A2) solange aufrecht erhalten wird, bis eine stromaufwärts hinter dem Katalysator (3) liegende Lambdasonde (5) fettes Gemisch unter λ ≈ 1 detektiert.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der nachträglichen Ausräumphase (A2) ein Viertel bis Dreiviertel der gesamten Ausräumphase (A) beträgt.
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