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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung
mindestens eines in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine
angeordneten Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators.
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Bekannte
zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme umfassen häufig einen
motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und einen in
einem Abgasweg weiter stromab angeordneten, größeren Hauptkatalysator. Abhängig von einem
Motortyp können
die Katalysatorkomponenten dabei als Oxidationskatalysatoren zur
Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid
CO ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung
von Stickoxiden NOx oder als 3-Wege-Katalysatoren, welche
die genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig
fördern.
Im Falle magerlauffähiger
Verbrennungskraftmaschinen kann der Hauptkatalysator zusätzlich mit
einer NOx-Speicherkomponente ausgestattet
sein, der in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine
mit einem sauerstoffreichen Luft-Kraftstoft-Gemisch
mit λ > 1 beaufschlagt wird,
einen Überschuss
an Stickoxiden NOx einspeichert, um diese
in fetten Betriebsintervallen wieder freizusetzen und zu reduzieren.
Derartige Katalysatoren werden auch als NOx-Speicherkatalysatoren
bezeichnet.
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Ein
in der Abgasreinigung bekanntes Problem stellt in Kraftstoffen enthaltener
Schwefel dar, der im Verbrennungsprozess nahezu vollständig zu Schwefeldioxid
SO2 verbrannt wird und sich in unterschiedlichen
Formen an den verschiedenen Komponenten des Katalysatorsystems einlagert.
Dieses Problem betrifft besonders NOxSpeicherkomponenten
von NOx-Speicherkatalysatoren, die SO2 bei magerem Verbrennungsluftverhältnis mit
einem nahezu 100%igen Einlagerungswirkungsgrad vorrangig in Form
von Sulfat SO4 2– speichern.
Die Folge ist eine schleichende Abnahme der NOxSpeicherfähigkeit des
Speicherkatalysators (Schwefelvergiftung), welche die Entwicklung
verschiedener Entschwefelungsverfahren für NOx-Speicherkatalysatoren
notwendig gemacht hat. Auch bei Verwendung so genannten schwefelfreien
Kraftstoffs findet eine – wenn auch
verlangsamte – Verschwefelung
der Katalysatoren statt, da auch dieser Kraftstoff noch Schwefelgehalte
von bis zu 10 ppm aufweist und zudem auch Schwefelanteile aus dem
verwendeten Schmieröl
zu einer gewissen Verschwefelung führen.
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Zur
Entschwefelung wird der Katalysator grundsätzlich bei Entschwefelungstemperaturen
des Katalysators von mindestens 600 bis 650 °C mit einer zumindest zeitweise
fetten Abgasatmosphäre
beaufschlagt, um das eingespeicherte Sulfat zu desorbieren und hauptsächlich zu
SO2 zu reduzieren. Wird das Fahrzeug im
Teil- oder Hochlastgebiet bei höheren
Drehzahlen und Motorlasten, beispielsweise auf Landstraßen oder
Autobahnen, betrieben, können sich
die genannten Entschwefelungsparameter, insbesondere die Entschwefelungstemperatur,
spontan einstellen, wodurch der Schwefel im normalen Fahrbetrieb
wieder ausgetragen wird (passive Entschwefelung). Wird das Fahrzeug
dagegen über
längere Strecken
im Schwachlastgebiet betrieben, liegen die Temperaturen im Katalysator
in der Regel unterhalb der Entschwefelungstemperatur, weshalb hier
eine aktiv eingeleitete Entschwefelung erforderlich werden kann.
In diesem Fall sind zum Erreichen ausreichend hoher Katalysatortemperaturen
spezielle Katalysatorheizmaßnahmen
erforderlich, wie Zündwinkelspätverstellung,
Mehrfacheinspritzung bei Direkteinspritzern oder Lambdasplit (bankselektive
Lambdavertrimmung). Nach Erreichen der Entschwefelungstemperatur
müssen
die Heizmaßnahmen
teilweise aufrechterhalten werden, um die Katalysatortemperatur
auf dem erforderlichen Niveau zu halten.
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Um
während
der Entschwefelung eine unerwünschte
Bildung von Schwefelwasserstoff H
2S zu unterdrücken, beschreiben
die
DE 198 27 195 A und die
DE 198 49 082 A eine
alternierende Beaufschlagung des Katalysators in Magerintervallen
mit einem überstöchiometrischen
Abgas mit einer Lambdamagervorgabe größer eins und in Fettintervallen
mit einem unterstöchiometrischen
Abgas mit einer Lambdafettvorgabe kleiner eins. Darüber hinaus
ist bekannt, die Umschaltung zwischen den Mager- und Fettintervallen
geregelt durchzuführen,
wobei die Umschaltung in das Magerintervall erfolgt, sobald stromab
des Katalysators ein fettes Abgaslambda gemessen wird, und die Umschaltung
in das Fettintervall bei Messung eines mageren Lambdawertes.
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Sowohl
die Heizmaßnahmen
als auch die fette Katalysatorbeaufschlagung sind jedoch mit einem
Kraftstoffmehrverbrauch verbunden, weshalb effektivere Verfahren
angestrebt werden, sowohl um Katalysatoren möglichst schnell aufzuheizen
und die Katalysatortemperatur zu halten als auch um die Entschwefelung
zu beschleunigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Entschwefelungsverfahren
unter alternierender Abgasbeaufschlagung des Katalysators dahingehend
weiterzuentwickeln, dass ein zur Warmhaltung des Katalysators bei
der Entschwefelungstemperatur während
der Entschwefelung erforderlicher Kraftstoffverbrauch verringert
wird. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Vorrichtung mit
den in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 11 genannten Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das für die
alternierende Abgasbeaufschlagung des Katalysators angeforderte
magere und fette Gesamtlambda jeweils durch eine gegenläufige Lambdavertrimmung einzelner
Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, das heißt einem Lambdasplit, erzeugt
wird. Dabei wird mindestens eine erste Zylindergruppe, die mindestens
einen Zylinder umfasst, mit einem gegenüber dem angeforderten Abgasgesamtlambda
magereren Luft-Kraftstoff-Gemisch und mindestens eine zweite Zylindergruppe,
die ebenfalls zumindest einen Zylinder umfasst, mit einem gegenüber dem
angeforderten Abgasgesamtlambda fetteren Luft-Kraftstoff-Gemisch
betrieben. Ein die mindestens eine erste Zylindergruppe verlassender
Abgasteilstrom und ein die mindestens eine zweite Zylindergruppe verlassender
Abgasteilstrom werden stromauf des mindestens einen zu entschwefelnden
Katalysators zusammengeführt.
Durch Betreiben der einzelnen Zylinder beziehungsweise Zylindergruppen
mit unterschiedlichen Lambdawerten, insbesondere derart, dass die
erste Zylindergruppe bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben
wird, während
die zweite Zylindergruppe in einem fetten Betriebsmodus gefahren
wird, werden getrennte Abgasteilströme erzeugt, die einerseits
einen hohen Reduktionsmittelsanteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
HC, Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff N2 aufweisen und
andererseits einen hohen Oxidationsmittelanteil an Sauerstoff O2 und Stickoxiden NOx.
Durch die örtliche
Trennung der Reduktions- und der Oxidationsmittelanteile kommt es
an einem dem zu entschwefelnden Katalysator eventuell vorgeschalteten
Vorkatalysator, insbesondere einem 3-Wege-Katalysator, zu keinem
nennenswerten katalytischen Umsatz. Die katalytische Umsetzung findet
vielmehr erst im zusammengeführten
Gesamtabgas am zu entschwefelnden Katalysator statt, so dass es
hier aufgrund der Exothermie der katalytischen Reaktionen zu einer
Wärmefreisetzung
und Aufheizung des Katalysators kommt. Diese Wärme deckt zumindest einen Teil des
zur Warmhaltung des Katalysators auf der Entschwefelungstemperatur
erforderlichen Energiebedarfs ab, so dass weitere temperaturerhaltende
und damit kraftstoffzehrende Maßnahmen
weitgehend entbehrlich sind. Insgesamt kann das erfindungsgemäße Verfahren
somit kraftstoffsparend durchgeführt werden.
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Es
sind unterschiedliche Verfahrensführungen zur erfindungsgemäßen Durchführung der
Entschwefelung möglich.
Gemäß einer
ersten Variante wird während
der Entschwefelung zumindest eine der Zylindergruppen mit einem
zumindest annähernd konstanten
Luft-Kraftstoft-Gemisch
und zumindest eine andere der Zylindergruppen mit einem alternierenden
Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben. Die entsprechenden Einzellambdawerte
der einzelnen Zylindergruppen sind dabei so zu wählen, dass die gemischten Abgasteilströme die geforderten
Abgasgesamtlambdas für
die alternierende Mager-Fett-Beaufschlagung
des Katalysators ergeben. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der ersten Variante wird die mindestens eine erste Zylindergruppe
konstant mit einem mageren Einzellambda und die mindestens eine
zweite Zylindergruppe alternierend mit einem ersten, fetten Einzellambda
und mit einem zweiten Einzellambda, das fett, stöchiometrisch oder mager sein
kann, insbesondere aber fett ist, betrieben. Alternativ kann die
mindestens eine zweite Zylindergruppe konstant mit einem fetten
Einzellambda und die mindestens eine erste Zylindergruppe alternierend
mit einem ersten, mageren, stöchiometrischen oder
fetten, insbesondere aber mageren Einzellambda und einem zweiten,
mageren Einzellambda betrieben werden.
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Gemäß einer
zweiten Verfahrensvariante wird sowohl die mindestens eine erste
Zylindergruppe als auch die mindestens eine zweite Zylindergruppe
alternierend mit jeweils zwei unterschiedlichen Einzellambdas betrieben.
Dabei wird die erste Zylindergruppe mit einem ersten, vorzugsweise
mageren Einzellambda und einem zweiten, mageren Einzellambda betrieben
und die mindestens eine zweite Zylindergruppe alternierend mit einem
ersten, fetten Einzellambda und einem zweiten, vorzugsweise ebenfalls
fetten Einzellambda. Demnach wird jede Zylindergruppe vorzugsweise
ausschließlich
im mageren beziehungsweise im fetten Bereich alternierend betrieben.
Gemäß dieser
Verfahrensvariante erfolgt eine Umschaltung der einzelnen Zylinder
aller Zylindergruppen zwischen den jeweils zugeordneten Einzellambdas
zumindest annähernd
zeitgleich und auch gleichgerichtet, das heißt gleichsinnig in Richtung
des jeweils höheren
Einzellambdawertes beziehungsweise des jeweils niedrigeren Einzellambdawertes.
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Auch
gemäß einer
dritten Verfahrensvariante werden alle Zylindergruppen in einem
alternierenden Betriebsmodus betrieben. Abweichend von der zweiten
Variante wird hier jedoch jede Zylindergruppe jeweils zwischen mageren
und fetten Einzellambdas hin- und hergeschaltet. Um hier die gewünschten
Abgasgesamtlambdas vor dem zu entschwefelnden Katalysator zu erreichen,
ist zwingend erforderlich, dass eine Umschaltung der mindestens
einen ersten und der mindestens einen zweiten Zylindergruppe zwischen
den jeweils zugeordneten fetten und mageren Einzellambdas zumindest
annähernd
zeitgleich und in einander entgegengesetzter Richtung erfolgt, das heißt, dass
ein Umschalten der ersten Zylindergruppe in Richtung mager zeitgleich
mit einer Umschaltung der zweiten Zylindergruppe in Richtung fett
erfolgt. Da gemäß dieser
Variante jede der Zylindergruppen abwechselnd überstöchiometrisch und unterstöchiometrisch
betrieben wird, sollte in diesem Fall die Umschaltung der einzelnen
Zylinder zwischen den Einzellambdas erst erfolgen, nachdem gegebenenfalls
die dem zu entschwefelnden Katalysator vorgeschalteten Vorkatalysatoren
vollständig
von überstöchiometrischem
beziehungsweise unterstöchiometrischem
Abgas durchströmt
sind. Auf diese Weise lässt
sich eine unerwünschte
Aufheizung der Vorkatalysatoren begrenzen.
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Grundsätzlich kann
die Länge
der Mager- und Fettintervalle fest vorgegeben werden. Es ist jedoch
besonders vorteilhaft vorgesehen, die Umschaltung der mindestens
einen ersten und/oder der mindestens einen zweiten Zylindergruppe
zwischen den Einzelzylinderlambdas dann durchzuführen, sobald stromab des mindestens
einen zu entschwefelnden Katalysators ein entsprechender Lambdasprung oder
ein Erreichen einer vorgegebenen Lambdaschwelle registriert wird.
Beispielsweise erfolgt eine Umschaltung von fett nach mager, wenn
mittels einer sauerstoffsensitiven Messeinrichtung stromab des zu entschwefelnden
Katalysators der Lambdasprung des Abgases von fett nach mager gemessen
wird beziehungsweise wenn erstmalig λ ≤ 1 registriert wird. Auf diese
Weise lassen sich unerwünschte
Schadstoffdurchbrüche
während
der Entschwefelung wirkungsvoll unterdrücken. Zudem kann so der Bildung von
giftigen und geruchsbelästigenden
Intermediaten des Schwefels, wie H2S oder
COS entgegengewirkt werden. Die Umschaltung von mager nach fett
kann ebenfalls anhand des Lambdasignals stromab des NOx-Speicherkatalysators
gesteuert werden.
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Der
erfindungsgemäß betriebene
Entschwefelungsaustrag kann besonders vorteilhaft mit einer vorgeschalteten
Aufheizphase des Katalysators kombiniert werden, bei der ebenfalls
eine gegenläufige
Lambdavertrimmung einzelner Zylinder dergestalt durchgeführt wird,
dass die mindestens eine erste Zylindergruppe mit einem überstöchiometrischen Lambdawert
mit λ > 1 und die mindestens
eine zweite Zylindergruppe mit einem unterstöchiometrischen Lambdawert mit λ < 1 betrieben wird.
Dieses chemische Aufheizverfahren, bei dem der Katalysator aufgrund
des Schadstoffeintrags und seiner exothermen Konvertierung erwärmt wird,
kann gegebenenfalls mit thermischen Aufheizverfahren, insbesondere Zündwinkelspätverstellung
und/oder Mehrfacheinspritzung, bei welcher innerhalb eines Arbeitsspiels eines
Zylinders eine mehrfache Kraftstoffeinspritzung erfolgt, kombiniert
werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer vorteilhaften
Aufheizphase ist in der älteren
Patentanmeldung
DE 103 10 024.5 beschrieben.
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Wie
bereits beschrieben, kann – bei
geeigneten Einzellambdas – bereits
durch die zylinderselektive Lambdavertrimmung der Zylinder eine
ausreichende Wärmefreisetzung
im zu entschwefelnden Katalysator erzielt werden, um diesen auf
der erforderlichen Entschwefelungstemperatur zu halten. Reicht die
durch den Lambdasplit erzeugte Wärmefreisetzung
am Katalysator nicht zur Temperaturerhaltung aus, kann während der alternierenden
Abgasbeaufschlagung eine zusätzliche
Heizmaßnahme,
insbesondere eine Zündwinkelspätverstellung, durchgeführt werden.
Diese kann in der Regel jedoch geringer ausfallen als bei Entschwefelungsverfahren ohne
gegenläufige
Zylindervertrimmung. Die Zündwinkelspätverstellung
kann alternativ oder zusätzlich auch
so erfolgen, dass sie der Drehmomentstabilisierung bei gleichzeitiger
Erhöhung
der Zylinderfüllung dient.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine
angeordneten Katalysators umfasst Mittel zur Steuerung der Entschwefelung derart,
dass nach Erreichen einer Entschwefelungstemperatur des Katalysators
dieser alternierend mit einem überstöchiometrischen
Abgas bei einem mageren Abgasgesamtlambda λM Σ > 1 und mit einem unterstöchiometrischen
Abgas bei einem fetten Abgasgesamtlambda λF Σ < 1 beaufschlagt
wird, wobei ein aktuell angefordertes mageres und fettes Abgasgesamtlambda λM Σ und λM Σ jeweils
durch eine gegenläufige
Lambdavertrimmung einzelner Zylinder der Verbrennungskraftmaschine
erzeugt wird, indem mindestens eine erste Zylindergruppe, umfassend zumindest
einen Zylinder, mit einem gegenüber
dem aktuell angeforderten Abgasgesamtlambda magereren und mindestens
eine zweite Zylindergruppe, umfassend zumindest einen Zylinder mit
einem gegenüber
dem aktuell angeforderten Abgasgesamtlambda fetteren Luft-Kraftstoff-Gemisch
betrieben wird und das Abgas der mindestens einen ersten der mindestens
einen zweiten Zylindergruppe stromauf des mindestens einen zu entschwefelnden
Katalysators zusammengeführt
wird. Diese Mittel können
insbesondere einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Entschwefelung
in der beschriebenen Weise umfassen, der in einer Motorsteuerung
hinterlegt sein kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasanlage
gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung;
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2 Temperaturverläufe von
Vorkatalysator und NOx-Speicherkatalysator
sowie Lambda- und Zündwinkelverläufe während einer
Entschwefelung gemäß Stand
der Technik;
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3 Temperaturverläufe von
Vor- und NOxSpeicherkatalysator sowie Lambda-und Zündwinkelverläufe während einer
Entschwefelung gemäß einer ersten
vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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4 Temperaturverläufe von
Vor- und NOx-Speicherkatalysator sowie Lambda-und Zündwinkelverläufe während einer
Entschwefelung gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und
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5 Temperaturverläufe von
Vor- und NOx-Speicherkatalysator sowie Lambda-und Zündwinkelverläufe während einer
Entschwefelung gemäß einer
dritten vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der Verbrennungskraftmaschine 10 in 1 handelt
es sich um einen magerlauffähigen
Ottomotor, der vorzugsweise mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung
ausgestattet ist und dadurch schichtladefähig und zylinderselektiv steuerbar
ist. Der Motor 10 umfasst beispielsweise vier Zylinder 12, 14, 16, 18.
Ein die Verbrennungskraftmaschine 10 verlassendes Abgas
wird in einer abschnittsweise getrennt verlaufenden, insgesamt mit 20 bezeichneten
Abgasanlage nachbehandelt. Insbesondere werden in einem ersten Abschnitt
der Abgasanlage 20 die Abgase der Zylinder 12 und 14 in
einer Abgasleitung 22 und die Abgase der Zylinder 16 und 18 in
einer getrennten Abgasleitung 24 geführt. Beide Abgasteilströme werden
an einer Verbindungsstelle 26 in einen gemeinsamen Abgaskanal 28 zusammengeführt.
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Die
zusammengefassten Zylinder 12 und 14 sowie die
zusammengefassten Zylinder 16 und 18 werden nachfolgend
als erste Zylindergruppe beziehungsweise zweite Zylindergruppe bezeichnet.
Abhängig
von einer Motorbauart, insbesondere von einer Anzahl der Zylinder
und einer Anzahl der Zylinderbänke,
können
auch andere Aufteilungen in Zylindergruppen vorgenommen werden.
Insbesondere können
auch mehr als zwei Zylindergruppen mit in eigenen Abgasteilleitungen
geführten
Abgasteilströmen
vorhanden sein, beispielsweise vier Gruppen bei vier Zylinderbänken, oder
Zylindergruppen mit unterschiedlicher Zylinderzahl.
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Jede
der getrennten Abgasleitungen 22, 24 weist einen
motornah angeordneten Vorkatalysator 30, 32 auf.
Die Vorkatalysatoren 30 und 32 sind insbesondere
3-Wege-Katalysatoren,
die im stöchiometrischen
Abgas bei λ =
1 eine annähernd
vollständige Konvertierung
der Abgasbestandteile HC, CO und NOx bewirken.
Stromabwärts
der Verbindungsstelle 26 ist in dem gemeinsamen Abgaskanal 28,
insbesondere an einer motorfernen Unterbodenposition des Fahrzeuges,
ein NOx-Speicherkatalysator 34 angeordnet.
Unter einem NOxSpeicherkatalysator 34 wird
zur Abgrenzung von einem 3-Wege-Katalysator hier eine Vorrichtung
verstanden, die im Frischzustand (ungebraucht, aber nach Konditionierung
von 4 Stunden bei 650 ±30 °C mittlerer
Katalysatortemperatur und λ =
1 ±0,03
mit höchstens
1,5 % O2 im zuströmenden Gas mit Raumgeschwindigkeit
20.000 ±5.000
h–1)
bei 350 ±20 °C mittlerer
Katalysatortemperatur – unmittelbar
nach einer Regenerationsphase von mindestens 60 Sekunden mit λ < 0,9 – bei einer
Raumgeschwindigkeit von 40.000 ±20.000 h–1 bei λ = 2,2 ±0,2, einer
HC-Eingangskonzentration
unter 100 ppm HC3 und einer NOx-Eingangskonzentration von
250-500 ppm nach
Einlagerung einer NO2-Masse von 500 mg/l
Katalysatorvolumen einen NOx-Speicherwirkungsgrad
von mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, vorzugsweise
mindestens 95 %, aufweist.
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Infolge
schwefelhaltigen Kraftstoffes wird der NOx-Speicherkatalysator 34 zunehmend
durch in Form von Sulfaten eingelagertem SOx verschwefelt, wodurch
seine NOx Speicherkapazität zunehmend sinkt.
Daher ist von Zeit zu Zeit eine Entschwefelung des NOxSpeicherkatalysators 34 erforderlich,
wofür Katalysatortemperaturen
von mindestens 620 °C, vorzugsweise
von mindestens 650 °C,
erforderlich sind. Werden diese Temperaturen im Fahrbetrieb über lange
Strecken nicht erreicht, sind gezielte Heizmaßnahmen zur Erhöhung der
Katalysatortemperatur mit anschließender Beaufschlagung des Katalysators 34 mit
einer zumindest zeitweise fetten Abgasatmosphäre unumgänglich.
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Neben
dem Katalysatorsystem 30, 32, 34 beherbergt
die Abgasanlage 20 üblicherweise
verschiedene, im Einzelnen nicht gezeigte Gas- und/oder Temperatursensoren
zur Regelung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine 10.
Dargestellt sind hier lediglich Lambdasonden 36 und 38,
die motornah jeweils stromauf der Vorkatalysatoren 30 beziehungsweise 32 angeordnet
sind und der Lambdaregeiung der Verbrennungskraftmaschine 10 dienen,
das heißt
der Einstellung eines zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches
gemäß einer
Lambdavorgabe. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 34 ist eine
weitere sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 40 installiert,
die beispielsweise ein NOx-Sensor sein kann,
welcher mit einer Lambdamessfunktion ausgestattet ist, oder ebenfalls
eine Lambdasonde. Die Gassensoren 36, 38 und 40 übermitteln
von einem Sauerstoffanteil des Abgases abhängige Signale an eine Motorsteuerung 42,
in welcher die Signale digitalisiert und weiterverarbeitet werden.
Insbesondere ordnet die Motorsteuerung 42 den Sensorsignalen anhand
von abgespeicherten Kennlinien einen Sauerstoffanteil des Abgases
zu.
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Die
Motorsteuerung 42 erhält
außerdem über im Einzelnen
nicht dargestellte Sensoren und dergleichen Informationen über verschiedene
Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 und
des nicht dargestellten Fahrzeuges. Insbesondere gehen Parameter,
wie Motordrehzahl und Motorlast, in die Motorsteuerung 42 ein.
In Abhängigkeit von
diesen Parametern steuert die Motorsteuerung 42 den Betriebszustand
der Verbrennungskraftmaschine 10. Beispielsweise steuert
sie in Abhängigkeit von
der Motorlast einen der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luftmassenstrom,
Kraftstoffmenge, Zündwinkel,
Ventilöffnungszeiten
und dergleichen, wobei die Motorsteuerung 42 auf abgespeicherte
Kennfelder und Steuerungsalgorithmen zugreift.
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Die
Motorsteuerung 42 umfasst insbesondere einen gespeicherten
Algorithmus zur Durchführung
eines Verfahrens zur Entschwefelung des NOxSpeicherkatalysators 34,
welches anhand der folgenden Figuren näher erläutert ist.
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2 zeigt
Verläufe
verschiedener Mess- und Kenngrößen der
Verbrennungskraftmaschine
10 beziehungsweise der Abgasanlage
20 gemäß einem aus
dem Stand der Technik bekannten Entschwefelungsverfahren. Dabei
ist insbesondere die Aufheizung des NO
x-Speicherkatalysators
34 aus
der älteren
deutschen Patentanmeldung
DE
103 10 024.5 bekannt.
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In
der 2 kennzeichnet die Kurve 100 den Verlauf
der Temperatur TVK der Vorkatalysatoren 30, 32.
Da beide Vorkatalysatoren 30, 32 sich im Wesentlichen
gleich verhalten, ist nur ein Temperaturverlauf 100 dargestellt.
Darunter zeigt Kurve 102 den Verlauf der Katalysatortemperatur
THK des NOx Speicherkatalysators 34.
Die Kurven 104 und 106 stellen den Verlauf der
motorisch eingestellten Einzellambdas der ersten beziehungsweise
zweiten Zylindergruppe dar, das heißt das Abgaslambda in den Abgasteilleitungen 22 beziehungsweise 24 stromauf
der Vorkatalysatoren 30 beziehungsweise 32. Darunter zeigt
Kurve 108 den Verlauf des Abgasgesamtlambdas nach Vermischen
der Abgasteilströme
stromauf des NOx-Speicherkatalysators 34.
Schließlich
ist mit Kurve 110 der Zündzeitpunkt α in Bezug
zu dem oberen Totpunkt OT der Zylinder 12 bis 18 während der Entschwefelung
dargestellt.
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Nach
Erkennung einer Entschwefelungsnotwendigkeit beginnt zum Zeitpunkt
t1 zunächst
eine Aufheizphase zur Erwärmung
des NOx-Speicherkatalysators 34 auf
eine Temperatur, die mindestens einer Entschwefelungstemperatur
TDeSu entspricht. Hierbei werden die Zylinder 12, 14 der
ersten Zylindergruppe überstöchiometrisch
bei einem Verbrennungslambda > 1
(Graph 104) und die Zylinder 16, 18 der
zweiten Zylindergruppe unterstöchiometrisch
bei λ < 1 (Graph 106)
betrieben. Dabei werden die Einzellambdawerfe der beiden Abgasteilströme so geregelt,
dass sich nach ihrer Vermischung das gewünschte Abgasgesamtlambda, insbesondere
ein Lambdawert im Bereich von 0,96 bis 1,04, vorzugsweise von 0,98
bis 1,02 und besonders bevorzugt von 0,995 bis 1,005, einstellt.
Aufgrund der nicht stöchiometrischen
Zusammensetzung beider Abgasteilströme findet an beiden Vorkatalysatoren 30, 32 keine
nennenswerte Konvertierungsreaktion statt und infolge der ausbleibenden
Exothermie zunächst praktisch
keinerlei Aufheizung der Vorkatalysatoren 30, 32 (Graph 100).
Im Falle der unterstöchiometrisch
beaufschlagten Zylinder 16, 18 (Graph 106)
begrenzt die nur geringe O2-Konzentration
des Abgasteilstroms die Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
HC, Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2.
Andererseits fehlen genau diese brennbaren Abgasbestandteile beziehungsweise
liegen in nur vergleichsweise geringer Konzentration seitens der überstöchiometrisch
betriebenen Zylinder 12, 14 (Graph 104)
vor. In keinem Fall kommt es zu einem nennenswerten katalytischen
Umsatz an den Vorkatalysatoren 30, 32, so dass
ihre Temperaturen durch diese chemische Heizmaßnahme der Lambdavertrimmung
praktisch unbeeinflusst bleiben und weiterhin deutlich unterhalb
der zulässigen
Maximaltemperatur Tmax liegen (Graph 100).
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Andererseits
wird durch die Vermischung der Abgasteilströme an der Verbindungsstelle 26 vor dem
Hauptkatalysator 34 ein Abgas mit hohem chemischen Energiegehalt
bereitgestellt. Bei der nun am NOx-Speicherkatalysator 34 stattfindenden
Konvertierungsreaktion der Reduktionsmittel HC, CO und H2 mit den Oxidationsmitteln O2 und
NOx kommt es zur Freisetzung einer starken
Reaktionsenthalpie und einer schnellen Aufheizung des Speicherkatalysators 34,
der sehr schnell seine Mindestentschwefelungstemperatur TDeSu erreicht (Graph 102). Während der Aufheizung
bis zum Erreichen der Mindestentschwefelungstemperatur TDeSu wird das Abgasgesamtlambda stromauf
des NOx-Speicherkatalysators 34 vorteilhafterweise
leicht überstöchiometrisch
(λ > 1) gehalten, um eine
vorzeitige und unerwünschte
Desorption von H2S zu unterdrücken (vergleiche
Abgasgesamtlambda 108). Die Höhe der chemisch gebundenen Energie,
das heißt
des chemischen Energieeintrags, und damit auch der Exothermie im
Hauptkatalysator 34 lässt
sich durch die Differenz der Lambdawerte beider Bänke beeinflussen.
Da durch den Lambdasplit die Vorkatalysatoren 30, 32 und
die Abgasrohre 22, 24, 28 nicht aufgeheizt
werden müssen,
kann im Vergleich zu einer reinen Zündwinkelspätverstellung eine erheblich
schnellere Erwärmung
des Speicherkatalysators 34 erzielt werden.
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Gleichzeitig
mit Beginn der zylinderselektiven Lambdavertrimmung zum Zeitpunkt
t1 setzt eine kontinuierliche Verschiebung
des Zündwinkels α ein, der
beginnend von einem Zündwinkel
vor OT beispielsweise linear bis zu einem sehr späten Zündwinkel
nach OT verschoben wird (Graph 110). Infolge der Spätzündung kommt
es zu einer Wirkungsgradminderung der Verbrennung und zu einem Anstieg der
Abgastemperatur, die zunächst
zu einer Erwärmung
der Vorkatalysatoren 30, 32 (Graph 100)
sowie der Abgasleitungen 22, 24 und 28 führt. Im
Falle einer Anwendung der Zündwinkelspätverstellung
als einzige Heizmaßnahme,
das heißt
ohne Lambdasplit der einzelnen Zylinder, würde die Aufheizung des NOx Speicherkatalysators 34 aufgrund
der thermischen Trägheit
der Abgasrohre sowie der Wärmeverluste über die
Abgaslaufstrecke erst mit einer erheblichen Zeitverzögerung gegenüber dem
Vorkatalysator stattfinden.
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Sobald
der Hauptkatalysator 34 die Mindestentschwefelungstemperatur
TDeSu erreicht hat, erfolgt der eigentliche
Schwefelaustrag aus dem Speicherkatalysator 34, wofür zum Zeitpunkt
t2 ein alternierender Mager-Fett-Betrieb
der Verbrennungskraftmaschine 10 erfolgt. Dafür werden
gemäß des in 2 dargestellten
Standes der Technik alle Zylinder 12 bis 18 ohne
Vertrimmung mit einheitlichen Lambdavorgaben betrieben. Wie dargestellt,
werden sowohl die Zylinder 12, 14 der ersten Zylindergruppe als
auch die Zylinder 16, 18 der zweiten Zylindergruppe
wechselweise mit einem mageren Einzellambda λM und
einem fetten Einzellambda λF betrieben (Graph 104, 106).
Infolge der übereinstimmenden Einzellambdas
der Abgasteilströme
in den Abgasleitungen 22, 24 ergeben sich nach
Vermischen der Abgasteilströme
stromauf des Hauptkatalysators 34 alternierend ein fettes
Abgasgesamtlambda λF Σ und ein mageres Abgasgesamtlambda λM Σ (Graph 108).
Das Abgasgesamtlambda λM Σ der Magerphasen entspricht
den mageren Einzellambdas λM und das Abgasgesamtlambda λF Σ der
Fettphasen entspricht den fetten Einzellambdas λF.
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Während der
Entschwefelungsphase wird gemäß 2 der
sehr späte
Zündwinkel
beibehalten, um die gesamte Abgasanlage 20 inklusive den NOx-Speicherkatalysator 34 auf dem
erforderlichen Temperaturniveau zu halten. Da der durch die Spätzündung hervorgerufene
Wirkungsgradverlust in der Regel durch eine erhöhte Zylinderfüllung kompensiert
werden muss, um keine Drehmomentverluste zu bewirken, ist das Verfahren
mit einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch verbunden.
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Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, eine zusätzliche
Wärmefreisetzung
im zu entschwefelnden Katalysator zu bewirken, indem auch während der
Entschwefelungsphase, in welcher der zu entschwefelnde Katalysator
mit alternierenden Mager-Fett-Zyklen beaufschlagt wird, eine zylinderselektive
Vertrimmung (Lambdasplit) durchgeführt wird. Vorteil der Lambdavertrimmung
der Zylinder ist, dass der Wärmeeintrag
am zu entschwefelnden Katalysator selbst stattfindet und keinerlei
Wärmeverluste über die
Abgasanlage 20, insbesondere die Vorkatalysatoren 30, 32,
verursacht werden. Dabei erfordert der Lambdasplit praktisch keinerlei
Verbrauchsnachteile gegenüber
dem Betrieb aller Zylinder bei übereinstimmenden
Lambdawerten. Beispiele für
das erfindungsgemäße Verfahren
sind in den 3 bis 5 dargestellt,
wobei für übereinstimmende
Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 2 gewählt wurden.
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Gemäß der in
den 3 bis 5 dargestellten Vorgehensweise
erfolgt die Aufheizphase des NOx Speicherkatalysators 34 im
Wesentlichen wie in 2 beschrieben. Es wird also
zunächst
mit Beginn der Aufheizphase zum Zeitpunkt t, eine Lambdavertrimmung
der Zylinder 12 bis 18 durchgeführt, wobei
zunächst
eine relativ große
Lambdadifferenz zwischen den Zylindern 12, 14 der
ersten Zylindergruppe und den Zylindern 16, 18 der
zweiten Zylindergruppe eingestellt wird. Die Lambdadifferenz wird
im Verlauf der Aufheizphase stetig zurückgenommen und damit der chemische
Energieeintrag in den NOx-Speicherkatalysator 34 zurückgefahren (Graph 104 und 106).
Gleichzeitig erfolgt eine stetige Spätverstellung des Zündwinkels λ von einem
Zeitpunkt vor OT zu einem Zeitpunkt nach OT (Graph 110).
Infolge der Zündwinkelspätverstellung
erfolgt ein zunehmender thermischer Energieeintrag in das gesamte
Abgassystem durch das heiße
Abgas, wobei auch die Vorkatalysatoren 30, 32 und
die Abgasleitungen 22, 24, 28 erwärmt werden.
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Im
Unterschied zu der in 2 dargestellten Vorgehensweise
wird im Laufe der Aufheizphase der Lambdasplit nicht vollständig zurückgenommen,
sondern auch nach Einsetzen der eigentlichen Entschwefelung zum
Zeitpunkt t2 beibehalten. Gemäß dem in 3 dargestellten
Beispiel wird während
der Entschwefelung die erste Zylindergruppe mit einem zumindest
annähernd
konstanten Luft-Kraftstoff-Gemisch, insbesondere bei einem mageren
Einzellambda λM, betrieben, wobei das magere Einzellambda λM größer als
das angefordert Abgasgesamtlambda λM Σ ist
(Graph 104). Gleichzeitig wird die zweite Zylindergruppe 16, 18 mit
einem alternierenden Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben und insbesondere
abwechselnd mit einem ersten fetten Einzellambda λF1,
und einem zweiten etwas weniger fetten Einzellambda λF2 betrieben.
Um das angeforderte fette Abgasgesamtlambda λF Σ nach
Mischung der Abgasteilströme
zu erhalten, muss λF1, kleiner und damit fetter als das angeforderte
Abgasgesamtlambda λF Σ sein. Im Ergebnis entsprechen
die Lagen der Abgasgesamtlambdas λF Σ und λM Σ (Graph 108)
dem in 2 gezeigten Verlauf ohne Lambdasplit. Im Unterschied zum
Stand der Technik gewährleistet
die Lambdavertrimmung aber eine gleichbleibend hohe Katalysatortemperatur
THK des NOx-Speicherkatalysators 34 (Graph 102).
Gemäß Graph 110 ist
nur eine vergleichsweise geringe Zündwinkelspätverstellung notwendig, um
die für
die Entschwefelung erforderlichen Katalysatortemperaturen aufrechtzuerhalten.
Infolgedessen ist eine vergleichsweise geringe Erwärmung der
Vorkatalysatoren 30, 32 zu beobachten (Graph 100).
Es ergibt sich somit einerseits der Vorteil eines geringeren Kraftstoffverbrauches
gegenüber
dem Stand der Technik sowie einer geringeren thermischen Belastung
der Vorkatalysatoren 30, 32 und damit einer geringeren
Alterung derselben.
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In
Abweichung zu der in 3 dargestellten Vorgehensweise
ist es ebenso denkbar, eine erste Zylindergruppe mit einem konstanten
fetten Einzellambda λF, das kleiner als das geforderte Abgasgesamtlambda λF Σ ist,
zu betreiben und gleichzeitig die andere Zylindergruppe alternierend
im mageren Bereich mit einem ersten mageren Einzellambda λM1, und
einem zweiten mageren Einzellambda λM2 zu
betreiben, wobei λM2 größer als λM1 und
auch größer als das
angeforderte magere Abgasgesamtlambda λM Σ ist.
Diese Ausführungsvariante
ist vorliegend nicht dargestellt.
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Gemäß dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel
werden beide Zylindergruppen alternierend betrieben. Dabei wird
die erste Zylindergruppe 12, 14 ausschließlich im
Magerbereich und die zweite Zylindergruppe 16, 18 ausschließlich im
Fettbereich betrieben. Insbesondere werden die Zylinder 12, 14 zwischen
einem ersten mageren Einzellambda λM1 und
einem zweiten mageren Einzellambda λM2 betrieben,
wobei λM1 < λM2 (Graph 104).
Die Zylinder 16, 18 der zweiten Zylindergruppe
hingegen oszillieren zwischen einem ersten fetten Einzellambda λF1 und
einem zweiten fetten Einzellambda λF2,
wobei λF1 < λF2 ist
(Graph 106). Um die gewünschten
Abgasgesamtlambdas herzustellen, ist erforderlich, dass das Einzellambda λF1,
kleiner, also fetter, als das fette Gesamtlambda λF Σ und
das Einzellambda λM2 größer, also
magerer, als das magere Gesamtlambda λM Σ ist. Es
erfolgt eine im Wesentlichen zeitgleiche und gleichgerichtete Umschaltung
beider Zylindergruppen zwischen ihren Einzellambdas, das heißt, beide Zylindergruppen
werden zeitgleich in Richtung mager beziehungsweise in Richtung
fett geschaltet.
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Die
Umschaltung von einem Einzellambda in ein anderes Einzellambda erfolgt
vorzugsweise, sobald mittels der sauerstoffsensitiven Messeinrichtung 40 stromab
des Speicherkatalysators 34 der entsprechende Lambdasprung
nach einem motorischen Lambdawechsel detektiert wird. Wenn beispielsweise
die Zylinder 12 bis 18 bei ihren jeweiligen niedrigen
Einzellambdas betrieben werden, die ein unterstöchiometrisches Gesamtlambda λF Σ darstellen,
erfolgt die Umstellung in Richtung mager, das heißt die Beendigung
des Fettintervalls, sobald die Messeinrichtung 40 ein unterstöchiometrisches
Lambda misst. Umgekehrt erfolgt die Umschaltung in Richtung fett,
sobald die Messeinrichtung 40 ein mageres Abgas misst.
Diese lambdageregelte Umschaltung kann in allen Ausführungsvarianten
der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
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Der
Betrieb beider Zylindergruppen mit wechselnden Lambdas hat den Vorteil
einer besseren Durchmischung der beiden Abgasteilströme vor dem
NOx-Speicherkatalysator 34. Somit
kann gewährleistet
werden, dass Emissionsdurchbrüche
infolge einer inhomogenen Verteilung der verschiedenen Abgasbestandteile
in der Abgasanlage 20 verhindert werden können. Dabei
werden beide Zylindergruppen mit dem gleichen Offset, das heißt mit dem
gleichen Abstand zu λ =
1,0, sowie mit übereinstimmender
Lambdaamplitude gefahren. Die Lambdaamplitude, also die Differenz
zwischen den beiden Einzellambdavorgaben einer Zylindergruppe, kann deutlich
geringer gewählt
werden gegenüber
dem Betrieb nur einer Zylindergruppe im alternierenden Modus.
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Eine
weitere Ausführungsvariante,
bei der beide Zylindergruppen in einem alternierenden Betrieb gefahren
werden, zeigt 5. Hierbei werden beide Zylindergruppen
abwechselnd überstöchiometrisch
beziehungsweise unterstöchiometrisch
betrieben. Die erste Zylindergruppe mit den Zylindern 12, 14 wird
dabei mit einer großen
Amplitude alternierend mit einem ersten fetten Einzellambda λF1,
das kleiner als das fette Gesamtlambda λF Σ ist,
und mit einem zweiten mageren Einzellambda λM2,
das größer als
das magere Gesamtlambda λM Σ ist, betrieben (Graph 104).
Gleichzeitig wird die zweite Zylindergruppe mit den Zylindern 16, 18 mit
einer geringeren Amplitude alternierend mit einem ersten mageren Einzellambda λM1 und
mit einem zweiten fetten Einzellambda λF2 betrieben,
wobei λM1 < λM2 und λF1 < λF2 ist
(Graph 106). Die Mager-Fett-Umschaltungen der Zylindergruppen
erfolgt zeitgleich jedoch in einander entgegengesetzter Richtung.
Wird demnach die erste Zylindergruppe in Richtung fett umgeschaltet,
erfolgt. zeitgleich eine Umschaltung der zweiten Zylindergruppe
in Richtung mager und umgekehrt.
-
Da
gemäß dieser
Verfahrensführung
beide Vorkatalysatoren 30 und 32 alternierend
mit einem über-
und einem unterstöchiometrischen
Abgas beaufschlagt werden, besteht die Gefahr ihrer unerwünschten
Aufheizung durch den chemischen Energieeintrag. Die Aufheizung der
Vorkatalysatoren 30, 32 kann aber stark begrenzt
werden, wenn die einzelnen Zylindergruppen erst zu einem Zeitpunkt
umgeschaltet werden, nachdem die Vorkatalysatoren 30, 32 komplett
von stöchiometrischem
beziehungsweise unterstöchiometrischem
Abgas durchströmt
sind. Diese Voraussetzung ist durch die oben beschriebene lambdageregelte
Umschaltung mittels der sauerstoffsensitiven Messeinrichtung 40 gewährleistet.
-
- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12–18
- Zylinder
- 20
- Abgasanlage
- 22,
24
- Abgasleitung
- 26
- Verbindungsstelle
- 28
- Abgaskanal
- 30,
32
- Vorkatalysator
- 34
- NOx-Speicherkatalysator
- 36,
38
- Lambdasonden
- 40
- sauerstoffempfindliche
Messeinrichtung
- 42
- Motorsteuerung
- 100
- Temperaturverlauf
der Vorkatalysatoren
- 102
- Temperaturverlauf
des NOx-Speicherkatalysators
- 104
- Lambdaverlauf
der ersten Zylindergruppe
- 106
- Lambdaverlauf
der zweiten Zylindergruppe
- 108
- Abgasgesamtlambda
- 110
- Zündwinkelverlauf
- α
- Zündwinkel
- λF
- fettes
Einzellambda
- λM
- mageres
Einzellambda
- λF Σ
- fettes
Abgasgesamtlambda
- λM Σ
- mageres
Abgasgesamtlambda
- OT
- oberer
Totpunkt
- t1
- Beginn
Heizmaßnahme(n)
- t2
- Beginn
Entschwefelung
- TVK
- Temperatur
Vorkatalysator
- THK
- Temperatur
Hauptkatalysator/NOx-Speicherkatalysator
- TDeSu
- Mindestentschwefelungstemperatur
- Tmax
- maximal
zulässige
Katalysatortemperatur