EP2358985A1 - Verfahren zum betreiben eines dieselmotors mit einer einen stickoxid-speicherkatalysator aufweisenden abgasreinigungsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines dieselmotors mit einer einen stickoxid-speicherkatalysator aufweisenden abgasreinigungsanlage

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EP2358985A1
EP2358985A1 EP09743851A EP09743851A EP2358985A1 EP 2358985 A1 EP2358985 A1 EP 2358985A1 EP 09743851 A EP09743851 A EP 09743851A EP 09743851 A EP09743851 A EP 09743851A EP 2358985 A1 EP2358985 A1 EP 2358985A1
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EP
European Patent Office
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operating mode
lambda
value
lambda value
nitrogen oxide
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09743851A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Lenz
Bernd Lindemann
Ullrich Merten
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/402—Multiple injections
    • F02D41/405—Multiple injections with post injections

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a diesel engine with a nitrogen oxide storage catalytic converter having exhaust gas purification system according to the preamble of claim 1 and a diesel engine with a control device for carrying out the method.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a diesel engine with a nitrogen oxide storage catalytic converter having emission control system, which allows a reliable and reproducible adjustment of the lambda value, especially in carrying out a regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter. It is another object of the invention to provide a diesel engine with a Specify nitrogen oxide storage catalytic converter having exhaust gas purification system, which allows the apparatus to perform a simple regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter in a simple manner.
  • the inventive method works with a diesel engine, in whose single or multiple combustion chambers a lambda value exhibiting air-fuel mixture is at least partially burned and thereby produced exhaust gas is fed to the nitrogen oxide storage catalyst.
  • a diesel engine in whose single or multiple combustion chambers a lambda value exhibiting air-fuel mixture is at least partially burned and thereby produced exhaust gas is fed to the nitrogen oxide storage catalyst.
  • an operation with a second operating mode is set for a regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter for the diesel engine, in which the air Fuel mixture has a second lambda value of less than one.
  • an operating mode transition phase is entered in which the diesel engine is operated in a third mode of operation in which the air-fuel mixture is set to a third lambda value lower than in the first mode of operation and slightly above one .
  • a diesel engine controlled in relation to the lambda value of the air-fuel mixture is detected such that an exhaust lambda value is detected by means of a lambda sensor arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalyst in the exhaust gas purification system and used as control variable for the regulated setting of a predefinable desired value for the lambda sensor third lambda value is used.
  • the setpoint value for the third lambda value in the operating mode transition phase provided according to the invention is typically in a range from 1.01 to 1.10, preferably 1.02 to 1.10, and more preferably at about 1. 03, and thus relatively close to that the actual regeneration set second lambda value of about 0.95.
  • the operating mode transition phase carried out in accordance with the invention thus serves to stably set engine operating parameters required for rich engine operation, but with weak engine operation still occurring.
  • the subsequent transition to the second operating mode requires only slight changes of one or more engine operating variables and can thus be simplified.
  • the operating mode transition phase is maintained with a lambda value only slightly above one, only as long as it is necessary to set stable conditions. Typically, this time is in the low single-digit second range.
  • the operation of the diesel engine is switched from the third operating mode to the second operating mode.
  • the lambda-controlled engine operation provided according to the invention in the weakly lean operating mode transition phase in the third operating mode, a particularly reliable and accurate adjustment of the engine operation is made possible.
  • the knowledge is exploited that in the operating mode transition phase of the lambda control used, arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter lambda sensor provides the lambda value of the burned in diesel engine air-fuel mixture very accurately corresponding measured value, since in the previous first operating mode also a lean air Fuel mixture was set. Since the first operating mode was set for a long time, typically in the range from 10 seconds to several minutes, effects of the nitrogen oxide storage catalytic converter influencing the exhaust gas lambda value have subsided.
  • an exhaust gas purification element having on an inert, preferably executed in honeycomb body support a catalytic coating with the ability to store nitric oxides.
  • the corresponding storage component may be an alkali or alkaline earth compound such as barium carbonate. This removes oxidizing exhaust gas with a lambda value of greater than one nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx) to form solid barium nitrate or barium sulfate. Due to the associated material exhaustion regenerations of the nitrogen oxide storage catalyst are necessary from time to time, in which stored NOx or SOx are removed again and the storage capacity is restored. A regeneration happens in that for a certain time reducing exhaust gas is supplied.
  • nitrates or sulfates can decompose to release the corresponding oxides.
  • Re-released NOx are from the present in the exhaust reducing agents (H 2 , CO and HC) at the on the nitrogen oxide storage Catalyst existing catalytically active coating component to harmless nitrogen (N 2 ) and reduced to ammonia (NH 3 ).
  • a lambda value is understood as meaning the stoichiometric ratio of the content of the oxygen and the content of fuel or of reducing constituents in the air-fuel mixture or the exhaust gas supplied to the engine.
  • a lambda value of greater than one there is a lean air-fuel mixture or exhaust gas with an excess of oxygen
  • a lambda value of less than one there is a rich air-fuel mixture or exhaust gas with an excess of reducing agents.
  • air and fuel are supplied to the combustion chambers of the multi-cylinder diesel engine, which is preferably four-stroke, on separate paths and combusted in the combustion chambers to release mechanical work.
  • the combustion can be more or less complete depending on the combustion process.
  • the proposed exhaust gas purification system may have further filter-active and / or catalytically active components in addition to the nitrogen oxide storage catalyst.
  • the emission control system has sensors for detecting exhaust gas parameters such as temperature and composition.
  • the lambda value of the combustion exhaust gas is equal to that of the air-fuel mixture immediately after discharge from the combustion chamber or combustion chambers.
  • an exhaust gas purification component in particular by conversion, storage and / or release of exhaust gas constituents, a change in the lambda value may occur.
  • a change in the lambda value may be provided by the supply of air or fuel from the engine external sources to the exhaust. If necessary for the sake of clarity, the following is explicitly spoken of an exhaust lambda value.
  • the lambda value of the air-fuel mixture supplied to the combustion chambers of the engine is also referred to below as engine lambda value.
  • a change in the lambda value of the exhaust gas supplied to the nitrogen oxide storage catalyst is exclusively or almost exclusively brought about by a change in the engine lambda value.
  • the nitrogen oxide storage catalytic converter typically has a storage effect with respect to oxygen and / or reducing agents, in particular when the engine lambda value changes from greater than one to less than one (or vice versa), then deviations from the engine lambda value occur temporarily downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter Exhaust lambda values before.
  • a so-called lambda sensor is provided, which can be designed in a familiar to the expert form, such as a binary or continuous lambda probe or as a NOx sensor with lambda sensitivity.
  • a closed loop in which especially during operation of the diesel engine in the third operating mode by means of the lambda sensor downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter, exhaust lambda values are sampled continuously or sampled in a short sequence, and fed back as a control variable.
  • a comparison is made with a predefinable desired value and a controller of the control loop adjusts the engine lambda value in such a way that the deviation of the lambda value detected by the lambda sensor from the desired value for the third lambda value becomes at least approximately zero.
  • the controller can be designed in any known to those skilled execution, such as a PI or PID controller.
  • the controller may be hardware and / or software implemented.
  • an unregulated operation of the diesel engine takes place in the second operating mode with respect to the lambda value of the air-fuel ratio, an unregulated operation of the diesel engine.
  • This takes into account the fact that, during the actual regeneration of the nitrogen oxide storage catalyst during the second operating mode, this reducing agent used in the exhaust gas is used for NOx or SOx reduction and thus removed from the exhaust gas. For this reason, an exhaust gas lambda value is detected by the downstream arranged lambda sensor, which does not coincide with the engine lambda value at least as long as a noticeable consumption of the reducing exhaust gas components takes place.
  • the exhaust lambda value remains approximately at the stoichiometric value of one as long as the removal of, in particular, stored nitrogen oxides is not yet complete, even though the set engine lambda value is lower.
  • the exhaust lambda value measured downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter is not used in this case as a controlled variable for setting the engine lambda value.
  • a desired value is specified for the second lambda value, and in the second and in the third operating mode, a precontrol is performed the lambda value of the air-fuel mixture influencing engine operating variable as a manipulated variable such that by the pilot control of the second and third lambda value their respective intended target value at least approximately reach.
  • a plurality of engine operating variables are adjusted in a pilot-controlled manner, wherein the pilot control values are preferably kept retrievable in a memory.
  • the pilot-set engine operating variables do not necessarily have to be effective as manipulated variables in the control sense for the lambda control performed in the third operating mode.
  • the retrieved and adjusted precontrol values are preferably assigned to the respective operating point of the diesel engine with regard to load and rotational speed.
  • essential engine operating variables determining fuel combustion in the combustion chamber be set to values as required for rich operation in the second operating mode.
  • the combustion process is already set in the operation mode transition phase according to the requirements for the at least partial combustion of a rich air-fuel mixture in the subsequent second operating mode.
  • the transition to the second mode of operation accordingly requires only minor changes and thus can be done reliably and accurately.
  • the precontrol is designed as an adaptive feedforward control such that an adaptively variable correction value influencing the manipulated variable is provided.
  • the correction value can be embodied as a multiplication value or as an additive to the manipulated variable for setting the second and / or the third lambda value.
  • the correction value is thus designed as an adaptively variable reference value, which is adapted on the basis of detected control deviations if necessary so that the precontrol can compensate the control deviation.
  • the possibly newly learned correction value in the case of a transition from a lambda-controlled operation in the third operating mode of the operating Mode transition phase is taken on the immediately following engine operation in the second operating mode with pure pilot operation.
  • the comparatively small lambda change from approximately 1. 03 to 0.95 can be carried out very precisely.
  • a direct jump, dispensing with the operating mode transition phase according to the invention, running from the typically comparatively high first lambda value to the rich second lambda value would be unreliable and imprecise.
  • a pilot injection of a total injection quantity of fuel injected into the combustion chamber of the diesel engine in a working cycle is carried out in such a way that the diesel engine is supplied with at least partial combustion of the air-fuel mixture in accordance with an air mass measuring device Air mass flow of the second and third lambda value their respective intended target value at least approximately reach.
  • the air mass flow determined by the air mass measuring device is used as a controlled variable for the controlled setting of a predefinable air mass flow setpoint.
  • a separate control loop is provided for controlling the air mass flow.
  • the air mass measuring device typically delivers a highly accurate measured value for the actual air mass flow, so that the engine lambda value can also be set very precisely with the correspondingly set total injection quantity.
  • the total injection quantity comprises a main injection quantity injected in a main injection and a post-injection quantity injected in a post-injection following the main injection.
  • the main injection amount is preferably injected into the combustion chamber in a crank angle range of about 10 degrees before top dead center to about 10 degrees after top dead center, while the post injection quantity is preferably in a crank angle range of about 15 degrees to about 45 degrees after top dead center in the power stroke in FIG the combustion chamber is injected. Due to the post-injection, an enrichment or enrichment of the air-fuel mixture that has little or no influence on the power output or torque output of the diesel engine is effectively enabled.
  • a pilot injection upstream of the main injection is preferably provided in the compression stroke. Especially preferred two pilot injections are carried out at short intervals.
  • the corresponding pilot injection quantity is preferably injected in a crank angle range of 25 degrees to 15 degrees before top dead center.
  • the post-injection quantity is used as a manipulated variable for setting the nominal values for the second and / or third lambda value.
  • the post-injection quantity is used as a manipulated variable for setting the nominal values for the second and / or third lambda value.
  • a deviation from the exhaust gas lambda value resulting from the precontrol and the setpoint value for the third lambda value is determined and, if necessary, the adaptively variable correction value is modified such that the deviation assumes an at least approximately negligible extent.
  • a learning or an adaptation of the correction value thus takes place during the operating mode transition phase during operation of the diesel engine in the third operating mode, wherein a respectively newly learned correction value is written to a readable memory and is read out again at the next setting of the third operating mode.
  • Preference is given to predetermined release conditions, such as a falling below a predefinable maximum load and / or a maximum value for speed fluctuations and an absence of a push operation, provided for the implementation of an adaptation.
  • the adaptation or learning of the correction value is not carried out or aborted.
  • the third lambda value is adjusted unregulated, but piloted on the basis of the since then valid correction value.
  • the assumption of a newly learned correction value is preferably omitted if the deviation from the correction value valid since then falls below a specifiable minimum dimension or exceeds a predefinable maximum.
  • a motor operating map which has characteristic map regions of predeterminable size, to each of which a correction value is assigned.
  • the engine operating map is preferably a load Speed map.
  • a reliable regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter with an accurate lambda value setting in at least the predominant part of the engine operating map is made possible in particular by the fact that in a further embodiment of the method the pilot control for setting the second and / or the third lambda value in a given engine operation Map range falls back to a correction value, which was associated with this map area in connection with a previous regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter.
  • a division of the engine operating map into 10 to 20 identically sized map areas.
  • it may also be provided a finer or coarser map grid. Particularly in the case of a coarse rasterization, it is preferable to perform an interpolation between adjacently stored correction values and to use the interpolation value.
  • At least one of the engine operating variables exhaust gas recirculation rate and intake air throttle rate are set as in the third operating mode set immediately before.
  • further engine operating parameters such as injection timing and injection quantity of main and / or pilot injection are adopted unchanged.
  • the exhaust lambda value detected by means of the lambda sensor arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter is monitored for falling below a predeterminable limit value during execution of a nitrate regeneration to remove stored nitrogen oxide from the nitrogen oxide storage catalytic converter in the second operating mode Falling below the predetermined limit, the operation of the diesel engine is switched back to the first operating mode.
  • the lambda sensor arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter thus serves for the end detection of the nitrate regeneration, the lambda value preferably being selected in the range from 1.00 to 0.98 as the authoritative limit value. This can be avoided or at least minimized with sufficient certainty unwanted break through of reducing exhaust gas components such as carbon monoxide or hydrocarbon.
  • a sulfate regeneration for the removal of stored sulfur oxide from the nitrogen oxide storage catalyst in the second operating mode of the by means of the downstream of the nitrogen oxide Storage catalytic converter arranged lambda sensor detected exhaust lambda value monitored for falling below a predetermined limit and switched to below the predetermined limit under at least approximately maintaining the second lambda value of an unregulated with respect to the lambda value of the air-fuel mixture operation of the diesel engine to a regulated operation.
  • nitrogen oxides are typically bound significantly more than is stored nitrogen oxides are required in comparison to the nitrate-regeneration in a sulphate regeneration both higher temperatures of more than 550 0 C as well as a prolonged rich operation.
  • the second mode of operation is therefore preferably maintained unchanged for a sulfate regeneration over a period of 10 seconds to 30 seconds.
  • the consumption of reducing exhaust gas components in the nitrogen oxide storage catalytic converter has dropped sharply and the exhaust gas lambda value detected by the lambda sensor is at least approximately equal to the engine lambda value.
  • lambda-controlled operation of the diesel engine can therefore be carried out again using the measured value supplied by the lambda sensor. This improves the accuracy of setting the rich exhaust lambda value required for efficient sulfate regeneration.
  • a diesel engine with a nitrogen oxide storage catalytic converter having emission control system and with a control device for carrying out the method according to the invention wherein the downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter arranged in the exhaust gas purification system lambda sensor is the only one for setting the lambda value of in the lambda sensor provided in the exhaust system is at least partially burned air-fuel mixture the combustion chamber of the diesel engine. Since a lambda adjustment is made possible solely by means of the lambda sensor arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter in the exhaust gas purification system, a further lambda sensor, in particular arranged upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter, is unnecessary. Thus, a considerable cost saving can be achieved.
  • a particle filter is arranged in the exhaust gas purification system between the nitrogen oxide storage catalytic converter and the lambda sensor.
  • the lambda sensor is disposed downstream of the particulate filter, which additionally allows control or monitoring of a particulate filter regeneration by Rußabbrand. moreover the risk of carbon fouling of the lambda sensor is avoided and thus improves the reliability and accuracy of Lambda tard.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an advantageous embodiment of a
  • Fig. 2 is a diagram for the time course of the lambda value ⁇ M for in the
  • Fig. 3 is a diagram for the time course of the lambda value ⁇ M for in the
  • Fig. 1 shows schematically an advantageous embodiment of a system of internal combustion engine 1 and exhaust gas purification system 2 for a motor vehicle, not shown, for carrying out the method according to the invention.
  • the internal combustion engine 1 is preferably embodied as a direct-injection lean-running engine, in particular as an air-compressing internal combustion engine according to the reciprocating piston principle, hereinafter referred to simply as a diesel engine.
  • An associated not shown fuel injection system is preferably designed as a so-called common rail system with adjustable rail pressure or fuel injection pressure or in the form of an injection system according to the pump-nozzle or pump-line-nozzle principle.
  • the cylinders of the internal combustion engine are each associated with a combustion chamber with one or two intake and exhaust valves, a glow plug and a fuel injector and one or more inlet channels for the combustion air, which is not shown in detail.
  • the fuel injectors are capable of performing multiple injections.
  • the diesel engine 1 receives its combustion air via an air supply line 3, in which an unillustrated air mass meter is arranged.
  • the air mass meter is preferably designed as a so-called hot-film air mass meter or as a hot-wire air mass meter. Air density fluctuations can be detected by this and compensated for when adjusting the air mass flow.
  • an adjustable throttle element also not shown, the air mass flow supplied to the diesel engine 1 can be throttled to an adjustable level.
  • the combustion air is compressed by means of an exhaust gas turbocharger 15 and fed to a charge air cooler 16 for cooling.
  • the exhaust gas turbocharger is preferably designed as a so-called VTG loader or as a wastegate loader with adjustable boost pressure.
  • Exhaust gas generated in the combustion chambers of the cylinders of the diesel engine 1 is discharged via an exhaust pipe 4.
  • the combustion air can be added via an exhaust gas recirculation line 13 exhaust gas and thus returned to the diesel engine 1.
  • the proportion of recirculated exhaust gas (EGR rate) can be adjusted via an EGR valve 14.
  • the recirculated exhaust gas to the diesel engine 1 is cooled by means of an EGR cooler, not shown, wherein for the EGR cooler an optionally adjustable bypass may be provided.
  • the combustion air can be optionally mixed with cooled or hot exhaust gas.
  • Non-recirculated exhaust gas is supplied via the exhaust gas turbocharger 15 of the exhaust gas purification system 2.
  • different values for the essential engine operating parameters such as, for example, air mass flow, injection time quantity, pressure and time point of a plurality of fuel injections, EGR rate, charge air pressure and thus different combustion processes can be displayed.
  • the diesel engine 1 can be operated with an air-fuel mixture with varying lambda values, hereinafter referred to as engine lambda value ⁇ M.
  • Engine lambda values ⁇ M greater than one correspond to a lean and engine lambda values ⁇ M less than one rich air-fuel mixture or operation of the diesel engine 1.
  • a preferred embodiment of the exhaust gas cleaning system 2 associated with the diesel engine 1 comprises an oxidation catalytic converter 5, a nitrogen oxide storage catalytic converter 6, a particle filter 7 and an SCR catalytic converter 8 in this sequence called Wallflow filter on SiC- Cordiererit- or Aluminiumtitanatbasis used.
  • the particle filter 7 can also be designed as a sintered metal filter or as a filter unit with an open filter structure.
  • the arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 SCR catalyst 8 has the property of being able to storing under reducing conditions NH 3 and is-stored in oxidizing conditions and ev. Fed NH 3 as a reactant in a selective catalytic reduction reaction to form nitrogen for chemical reduction of NOx use to be able to.
  • the latter property is used in particular to neutralize NOx supplied to the SCR catalyst 8.
  • the SCR catalytic converter 8 receives NOx in the arrangement according to FIG. 1, for example by increasing NOx slippage as a result of the decreasing NOx absorption capacity of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 during lean operation of the diesel engine 1 in the course of the NOx storage.
  • Catalyst 8 is preferably formed as a full catalyst based on V 2 O 5 -WO 3 or zeolite or as a coated catalyst with noble metal-containing coating. Particularly preferred is an embodiment as a supported catalyst with a copper or iron-containing zeolite coating.
  • the catalysts 5, 7, 8 are preferably designed as honeycomb monoliths which are crossed by catalytically coated channels through which the supplied waste gas can flow.
  • a fuel addition unit may be provided, via which, for example, fuel can be supplied as fuel to the exhaust gas. This allows due to exothermic oxidation of the exhaust demand supplied fuel targeted heating of the exhaust gas.
  • the fuel adding unit is activated primarily in the context of active regeneration of the particulate filter 7 by thermal soot burnup or for heating a downstream exhaust gas purifying component. However, it is preferable to dispense with the fuel adding unit and make an enrichment of the exhaust gas with oxidizable constituents by engine operation by a rich air-fuel mixture operation. Below is assumed from the latter variant.
  • various temperature and exhaust gas sensors are provided for detecting exhaust gas and component temperatures as well as concentrations of important exhaust gas constituents.
  • a temperature sensor 10, 11 is arranged in the exhaust gas purification system 2.
  • On the output side of the SCR catalyst 8 is a sensitive to NOx and / or NH 3 gas sensor 12 provided.
  • a lambda sensor 9 for detecting the exhaust gas lambda value ⁇ A present there is arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6, a lambda sensor 9 for detecting the exhaust gas lambda value ⁇ A present there is arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6.
  • the measured value for the exhaust gas lambda value, determined via the lambda sensor 9, downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter is referred to below as the exhaust gas lambda value ⁇ A m.
  • the lambda sensor 9 can be arranged on the output side of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6, but also on the output side of the particle filter 7, ie between the particle filter 7 and the SCR catalytic converter 8.
  • the lambda sensor 9 is the only lambda sensor of the emission control system 2 which is used to set the lambda value of the air-fuel mixture at least partially combusted in the diesel engine 1.
  • an electronic engine control unit 17 For setting or detecting the engine operation, an electronic engine control unit 17 is provided.
  • the engine control unit 17 receives information about relevant engine operating variables, such as, for example, Speed, engine load, temperatures, pressures from the respective sensors or probes and on the other hand, control signals as adjustment variables to actuators such. to the EGR valve 14, the exhaust gas turbocharger 15 or the throttle element in the air supply line 3 output.
  • relevant engine operating variables such as, for example, Speed, engine load, temperatures, pressures from the respective sensors or probes
  • control signals as adjustment variables to actuators such. to the EGR valve 14, the exhaust gas turbocharger 15 or the throttle element in the air supply line 3 output.
  • the engine control unit 17 is able to control the fuel injectors to perform multiple injections and optionally adjust the fuel injection pressure as needed.
  • the engine control unit 17 is arranged to perform control and regulating operations, with which engine operating variables are adjusted or controlled.
  • the engine control unit 17 can resort to stored maps or calculation or control or control routines. Subsystems provided
  • a second control unit 18 is provided for the detection and adjustment of operating and state variables of the exhaust gas aftertreatment device 2.
  • the engine control unit 17 and the second control unit 18 are by means of a bidirectional Data line 19 connected to each other. In this way, a mutual exchange of data available to a particular control device is made possible. It is understood that the control units 17, 18 can also be combined in a single integral measured value acquisition and control unit.
  • the nitrogen oxide storage catalyst 6 has the ability to store NOx and SOx present in the exhaust gas under oxidizing conditions, mainly by chemical bonding as nitrate or sulfate to the coating material. In the usual mode of operation of the diesel engine 1 with excess air, hereinafter referred to as the first mode of operation, this is thus generally the case. While the storage of NOx is desirable because of the desired nitrogen oxide removal per se, the incorporation of the SOx is disadvantageous because they block storage spaces for NOx. In order to maintain the NO x removal function of the nitrogen oxide storage catalytic converter, recurrent regenerations are required in which the stored NO x or SO x are removed again.
  • nitrate regeneration the removal of SOx in a so-called sulfate regeneration.
  • sulfate regeneration is required at much shorter intervals than sulphate regeneration.
  • nitrate regenerations are carried out at intervals of 30 seconds to a few minutes, while sulfate regenerations are preferably carried out in terms of specific driving distances after covering approximately 1000 km. In both cases it is necessary, at least temporarily, to provide a reducing exhaust gas, ie an exhaust gas with an exhaust lambda value ⁇ A of less than one.
  • the diesel engine 1 is supplied with a rich air-fuel mixture and operated in an operating mode with an engine lambda value XM of less than one.
  • This mode of operation will be referred to as a second mode of operation hereinafter.
  • NOx stored in a nitrate regeneration is released again and converted for the most part into N 2 and NH 3 .
  • sulfur stored as sulfate is reduced to volatile sulfur compounds such as SO 2 or H 2 S.
  • the first operating mode is set in the normal lean operation of the diesel engine 1 anyway.
  • storage catalytic converter 6 with reducing exhaust gas with an exhaust gas lambda value ⁇ A of less than one requires special measures, in particular with regard to a reliable and precise adjustment of the engine lambda value ⁇ M , which will be explained in more detail below.
  • a preferred time profile of the engine lambda value ⁇ M and the exhaust gas lambda value ⁇ Am detected by the lambda sensor 9 arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 are shown schematically in the various operating modes of the diesel engine 1.
  • the course of the engine lambda value ⁇ M is represented by the solid line, the exhaust lambda value ⁇ Am detected by means of the lambda sensor 9 by the dotted line. It is assumed that upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 no components influencing the exhaust gas lambda value are arranged in the exhaust gas purification system 2 and therefore the exhaust gas supplied to the nitrogen oxide storage catalytic converter has an exhaust gas lambda value ⁇ A corresponding to the engine lambda value ⁇ M.
  • the first operating mode in FIG. 2 is initially set.
  • the period of time with the first operating mode active is indicated in FIG. 2 by the reference symbol I.
  • the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 is supplied with a lean exhaust gas having a high oxygen content.
  • the diesel engine 1 is operated here in relation to the engine lambda value ⁇ M unregulated.
  • the engine operating variables such as EGR rate, boost pressure, rail pressure, injection parameters of pre-injection and main injection, etc. are set according to the required power and the operating point in the load-speed map map-controlled.
  • Most of the NOx emitted by the diesel engine 1 and contained in the exhaust gas are stored in the catalyst material of the nitrogen oxide storage catalyst 6, preferably in the form of nitrates, and thus removed from the exhaust gas. Slippage of NOx passing through the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 is at least partially rendered harmless by reduction in the downstream SCR catalytic converter 8. If, with increasing saturation of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6, a nitrogen oxide slip increased to unacceptable levels, for example, sensor-based or model-based, or if a predefinable nitrogen oxide saturation threshold value is reached, nitrate regeneration is initiated, if predetermined release conditions are met.
  • the time span with active third operating mode is indicated in FIG. 2 by the reference symbol IM.
  • the conversion preferably takes place almost abruptly, at least very rapidly with a steep gradient. To change from the first operating mode to the third operating mode, the following measures are taken in detail.
  • the air mass flow supplied to the diesel engine 1 is throttled to a nominal value specified in the map.
  • an independent control loop in the engine control unit 17 is implemented such that the signal supplied by the air mass meter for the air mass flow is used as a control variable and a manipulated variable generated by the corresponding controller acts on the throttle element in the air supply line 3.
  • essential engine operating parameters such as EGR rate, boost pressure, rail pressure, injection parameters of pre-injection and main injection, center of gravity of combustion, etc. are set to the values intended for rich engine operation.
  • a post-fuel injection is activated.
  • the engine operating parameters mentioned are set to values which are likewise provided in the subsequent operating phase in the second operating mode.
  • the period of time with active second operating mode is indicated in Fig. 2 by indicating the reference symbol Il.
  • the exhaust lambda value ⁇ Am delivered by the lambda sensor 9 therefore corresponds, apart from a slight time delay and a certain degree of slippage the lambda transition, as shown quite accurately the upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 existing exhaust lambda value ⁇ A and thus the engine lambda value ⁇ M. This is inventively exploited to the effect that is transferred from an unregulated engine operation to a regulated in relation to the engine lambda ⁇ M operation of the diesel engine 1.
  • the control in active third operating mode is preferably designed as an adaptive pilot control, which will be explained in more detail below.
  • the measurement signal provided by the lambda sensor 9 is converted by the second control unit 18 into a lambda value (exhaust lambda value ⁇ Am ) in accordance with a stored characteristic curve and transmitted to the engine control unit 17.
  • a lambda controller implemented in the engine control unit 17 the exhaust lambda value ⁇ Am measured in this way is used as the controlled variable and compared with the desired value of the engine lambda value ⁇ M which is decisive for the third operating mode.
  • a manipulated variable is output which acts on the fuel injectors and determines the total injection quantity.
  • a correction value influencing this is provided, which is read from a read-write memory.
  • the total injection quantity serving as a manipulated variable results from a component output by the lambda controller and a component determined by the correction value, which component can be linked to the controller component in an additive or multiplicative manner.
  • a multicompanying link is preferred.
  • ascertained deviations between the measured exhaust lambda value ⁇ A m and the desired value for the engine lambda value ⁇ M relevant in the third operating mode are optionally taken into account by a change in the correction value such that the deviations become at least approximately zero due to the changed correction value .
  • the value provided by the air mass meter for the air mass flow is evaluated.
  • the total injection amount is adjusted so that, on the basis of the value for the air mass flow, the nominal value of the engine lambda value ⁇ M is calculated, the total injection quantity being determined by the correspondingly determined correction value.
  • the old correction value is then replaced by the possibly changed newly learned correction value, ie overwritten in memory.
  • the controller therefore only needs additional correct occurring disturbances.
  • the controller interventions are therefore correspondingly low.
  • An override of the correction value can be omitted if the changes are small or strong changes in engine operation, for example, due to a load requests requested by the driver occur.
  • the third operating mode is terminated at time t1 and the engine operation is switched to the second operating mode.
  • the transients of the third mode of operation are typically decayed after a short time, such as one to three seconds, and therefore, in the third mode of operation, engine operation may be referred to as an operational mode transient phase interposed between the first mode of operation and the second mode of operation.
  • a rich engine lambda value ⁇ M of about 0.95 is set for the diesel engine 1 and the diesel engine 1 is changed over to an operation uncontrolled with respect to the engine lambda value ⁇ M.
  • the controller output is frozen to the value present at the end of the preceding third operating mode and the total injection quantity is increased, ie the corresponding precontrol value is increased.
  • the air mass flow value provided by the air mass meter is preferably again evaluated and the total injection quantity is set so that, on the basis of the value for the air mass flow, the nominal value of the reduced new engine lambda value ⁇ M is calculated.
  • the actual nitrate regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 takes place.
  • the NOx stored in the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 is reduced to N 2 and NH 3 .
  • Released NH 3 is fed to the subsequent SCR catalyst 8 and stored there.
  • the exhaust gas downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 initially has no reducing components and the lambda sensor 9 first measures an exhaust lambda value ⁇ Am of 1.0.
  • the second operating mode and thus the nitrate regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 is terminated at time t2 and the conditions of the first operating mode are set again when the exhaust gas lambda value ⁇ Am detected by means of the lambda sensor 9 falls below a predefinable limit value.
  • the method for the adaptive precontrol of the engine lambda values ⁇ M in the second and in the third operating mode is preferably refined in such a way that the correction values learned in the third operating mode are assigned to a map area of the load-rotating field characteristic map in which the current operating point of the diesel engine 1 is located.
  • the load rotary field map is divided into characteristic areas of predetermined or predefinable size. A fine screening of the load-rotating field characteristic improves the accuracy of the precontrol, but increases with increasing detail of the effort. A division into 10 to 40 map areas is preferred.
  • a lead time-related lead of the measurement signal of the air mass meter with respect to the measurement signal of the lambda probe 9 can be compensated.
  • a model can be provided which simulates the time differences between the measurement signal of the air mass meter, the injection time of the respective total injection quantity or Nacheinspritzmenge and the time of the associated resulting Lambda nals engine model to dynamically correct the pilot control of the total injection quantity or Nacheinspritzmenge.
  • a sulfate regeneration of the nitrogen oxide storage catalyst 6 is carried out when it is determined that an unacceptably high amount of sulfur oxides is stored. This can be done, for example, model-based or based on the amount of fuel consumed and the fuel sulfur content. Sulfate regeneration is performed in a manner similar to nitrate regeneration.
  • the main difference is a temperature of the exhaust gas or of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6 which has been increased to approximately 650 ° C., and a preferably set enrichment to engine lambda values ⁇ of approximately 0.8 to 0.9
  • the duration of the enrichment is compared
  • a further difference consists in that, preferably at elevated temperature, a successive change of operating phases takes place with a rich and a lean engine lambda value ⁇ M. This enables a decomposition of the comparatively stable sulphates Sulfur regeneration in conjunction with a thermal particle filter regeneration by Rußabbrand performed. This reduces the frequency of heating processes and thus the fuel consumption is reduced.
  • the elevated temperature is achieved by adjusting an early post-injection post-injection and / or late post-injection non-co-incineration. Due to the early post-injection in a crank angle range From about 10 degrees to about 40 degrees after top dead center in the power stroke, the outlet temperature of the exhaust gas can be increased immediately. Due to the late post-injection in a crank angle range from about 45 degrees to about 120 degrees after top dead center in the power stroke enrichment of the exhaust gas with unburned components, which burn by oxidation with residual oxygen contained in the exhaust gas in the oxidation catalyst 5 and / or in the nitrogen oxide storage catalyst 6 , whereby a Abgasaufloomung or Katalysator Miltonloomung is effected.
  • a changeover from the first operating mode to the third operating mode is carried out analogously to the procedure explained above in connection with a nitrate regeneration.
  • an adaptation of the correction value takes place in the set third operating mode of the operating mode transition phase.
  • different sets of correction values may be provided for performing nitrate regeneration and for performing sulfate regeneration.
  • Analogous to nitrate regeneration has in a sulfate regeneration after setting a rich engine lambda value ⁇ M in the second mode of operation, the exhaust gas downstream of the nitrogen oxide storage 6 initially no reducing components and the lambda sensor 9 is first an exhaust lambda value ⁇ Am of 1 , 0 measured. If stored NOx and SOx are largely reduced, reducing agents contained in the rich exhaust gas increasingly break through and the exhaust lambda value ⁇ Am decreases and approaches the engine lambda value ⁇ M present upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter 6.
  • the diesel engine 1 is operated in a pre-controlled operating mode with respect to the rich engine lambda value ⁇ M unregulated.
  • the diesel engine 1 is operated in an operating mode regulated with respect to the rich engine lambda value ⁇ M , the pre-control values for the engine operating parameters being taken from the first subsection IIa or the third operating mode.
  • the measures to achieve an increased exhaust gas or catalyst temperature are terminated and transferred to the normal operation of the diesel engine 1 with recurrent nitrate regeneration.
  • the lambda control in the second subsection IIb of the operation in the second operating mode it is preferably provided to adapt the stored characteristic curve of the lambda sensor 9 with respect to a cross-sensitivity to H 2 .
  • This takes into account the fact that, as a result of side reactions such as, for example, a water gas shift reaction, the measurement signal of the lambda sensor 9 can be falsified during prolonged rich operation. In this way, a regulation of a wrong engine lambda value ⁇ M is reliably avoided.

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Abstract

Bei dem Verfahren wird ein einen Lambdawert aufweisendes Luft-Kraftstoffgemisch in einem Brennraum des Dieselmotors (1) verbrannt und dabei entstandenes Abgas dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) zugeführt. Ausgehend von einem Betrieb des Dieselmotors (1) mit einem ersten Betriebsmodus, bei welchem das Luft-Kraftstoffgemisch einen ersten Lambdawert von größer als eins aufweist, wird für eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (6) für den Dieselmotor (1) ein Betrieb mit einem zweiten Betriebsmodus eingestellt, bei welchem das Luft-Kraftstoffgemisch einen zweiten Lambdawert von kleiner als eins aufweist. Unmittelbar vor dem Einstellen des zweiten Betriebsmodus wird eine Übergangsphase eingeschoben, in welcher der Dieselmotor (1) in einem dritten Betriebsmodus betrieben wird, bei welchem für das Luft-Kraftstoffgemisch ein dritter Lambdawert eingestellt wird, der niedriger als im ersten Betriebsmodus ist und geringfügig über eins liegt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im dritten Betriebsmodus ein in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches geregelter Betrieb des Dieselmotors (1) derart erfolgt, dass mittels eines stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator (6) in der Abgasreinigungsanlage (2) angeordneten Lambdasensors (9) ein Abgas-Lambdawert erfasst und als Regelgrösse zur geregelten Einstellung eines vorhebbaren Sollwerts für den dritten Lambdawert verwendet wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Dieselmotor mit einer Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 103 49 876 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage bekannt. In dem Verfahren wird im Zusammenhang mit einer Nitrat- Regeneration ausgehend von einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch unmittelbar vor Einstellung eines fetten Luft-Kraftstoffgemisches mit einem unterhalb von eins liegenden Lambdawert eine Betriebsmodus-Übergangsphase eingeschoben, bei welcher ein geringfügig über eins liegender Lambdawert eingestellt wird. Dadurch wird die Bildung von Ammoniak verbessert, die in der nachfolgenden Betriebsphase mit fettem Luft- Kraftstoffgemisch bei der Reduktion von im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxiden angestrebt wird. Der gebildete Ammoniak wird zur weiteren Erhöhung der Stickoxidverminderung in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator verwendet. Zur effizienten Erzielung eines guten Regenerationsergebnisses ist insbesondere in der Fett- Betriebsphase, in welcher die eigentliche Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysa- tors abläuft, eine zuverlässige und reproduzierbare Einstellung des Lambdawerts erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage anzugeben, welches eine zuverlässige und reproduzierbare Einstellung des Lambdawerts insbesondere bei der Durchführung einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, einen Dieselmotor mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage anzugeben, welcher auf apparativ einfache Weise die effiziente Durchführung einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Dieselmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einem Dieselmotor, in dessen einzelnem oder mehreren Brennräumen ein einen Lambdawert aufweisendes Luft-Kraftstoffgemisch wenigstens teilweise verbrannt wird und dabei entstandenes Abgas dem Stickoxid- Speicherkatalysator zugeführt wird. Ausgehend von einem Betrieb des Dieselmotors mit einem ersten Betriebsmodus, bei welchem das Luft-Kraftstoffgemisch einen ersten Lambdawert von größer als eins aufweist, wird für eine Regeneration des Stickoxid- Speicherkatalysators für den Dieselmotor ein Betrieb mit einem zweiten Betriebsmodus eingestellt, bei welchem das Luft-Kraftstoffgemisch einen zweiten Lambdawert von kleiner als eins aufweist. Unmittelbar vor dem Einstellen des zweiten Betriebsmodus wird eine Betriebsmodus-Übergangsphase eingeschoben, in welcher der Dieselmotor in einem dritten Betriebsmodus betrieben wird, bei welchem für das Luft-Kraftstoffgemisch ein dritter Lambdawert eingestellt wird, der niedriger als im ersten Betriebsmodus ist und geringfügig über eins liegt. Erfindungsgemäß erfolgt im dritten Betriebsmodus ein in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches geregelter Betrieb des Dieselmotors derart, dass mittels eines stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator in der Abgasreinigungsanlage angeordneten Lambdasensors ein Abgas-Lambdawert erfasst und als Regelgröße zur geregelten Einstellung eines vorgebbaren Sollwerts für den dritten Lambdawert verwendet wird.
Der Sollwert für den dritten Lambdawert in der erfindungsgemäß vorgesehenen Betriebsmodus-Übergangsphase liegt typischerweise in einem Bereich von 1 ,01 bis 1 ,10, vorzugsweise 1 ,02 bis 1 ,06 und besonders bevorzugt bei etwa 1 ,03 und damit relativ nahe an dem bei der eigentlichen Regeneration eingestellten zweiten Lambdawert von etwa 0,95. Damit ist in der Betriebsmodus-Übergangsphase eine Einstellung von den Betrieb des Dieselmotors bestimmenden Motorbetriebsgrößen auf Werte möglich, wie sie zumindest annähernd auch in der unmittelbar nachfolgenden Betriebsphase im zweiten Betriebsmodus für einen mit fettem Luft-Kraftstoffverhältnis betriebenen Dieselmotor benötigt werden. Die erfindungsgemäß durchgeführte Betriebsmodus-Übergangsphase dient somit einer stabilen Einstellung von für fetten Motorbetrieb erforderlichen Motorbetriebsparametern, wobei jedoch noch ein schwach magerer Motorbetrieb stattfindet. Somit ist auf vorteilhafte Weise eine Annäherung an die prinzipbedingt bei einem Dieselmotor schwierig einzustellenden Bedingungen für einen fetten Motorbetrieb ermöglicht. Der nachfolgende Übergang in den zweiten Betriebsmodus erfordert lediglich geringe Veränderungen eines oder mehrerer Motorbetriebsgrößen und kann somit vereinfacht dargestellt werden. Vorzugsweise wird die Betriebsmodus-Übergangsphase mit einem nur geringfügig oberhalb von eins liegenden Lambdawert nur solange aufrechterhalten, als es zur Einstellung stabiler Bedingungen erforderlich ist. Typischerweise liegt diese Zeitspanne im niedrigen einstelligen Sekundenbereich. Vorzugsweise wird nach etwa zwei bis fünf Sekunden der Betrieb des Dieselmotors vom dritten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet.
Insbesondere ist aufgrund des in der schwach mageren Betriebsmodus-Übergangsphase im dritten Betriebsmodus erfindungsgemäß vorgesehenen lambdageregelten Motorbetriebs eine besonders zuverlässige und genaue Einstellung des Motorbetriebs ermöglicht. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass in der Betriebsmodus-Übergangsphase der zur Lambdaregelung herangezogene, stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordnete Lambdasensor einen den Lambdawert des im Dieselmotor verbrannten Luft- Kraftstoffgemisches sehr genau entsprechenden Messwert liefert, da im vorhergehenden ersten Betriebsmodus ebenfalls ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch eingestellt war. Da der erste Betriebsmodus über längere Zeit, typischerweise im Bereich von 10 Sekunden bis mehrere Minuten, eingestellt war, sind den Abgas-Lambdawert beeinflussende Effekte des Stickoxid-Speicherkatalysators abgeklungen.
Im Sinne der Erfindung ist als Stickoxid-Speicherkatalysator ein Abgasreinigungselement zu verstehen, welches auf einem inerten, vorzugsweise in Wabenkörperbauform ausgeführten Träger eine katalytische Beschichtung mit der Fähigkeit zur Einspeicherung von Stickoxiden aufweist. Die entsprechende Speicherkomponente kann eine Alkali- oder eine Erdalkaliverbindung wie beispielsweise Barium-Carbonat sein. Diese entzieht oxidierend wirkendem Abgas mit einem Lambdawert von größer als eins Stickoxide (NOx) sowie Schwefeloxide (SOx) unter Bildung von festem Barium-Nitrat bzw. Barium-Sulfat. Aufgrund der damit verbundenen Materialerschöpfung werden von Zeit zu Zeit Regenerationen des Stickoxid-Speicherkatalysators notwendig, in denen gespeicherte NOx bzw. SOx wieder entfernt werden und die Speicherfähigkeit wieder hergestellt wird. Eine Regeneration geschieht dadurch, dass für eine gewisse Zeit reduzierend wirkendes Abgas zugeführt wird. Dabei können sich Nitrate bzw. Sulfate unter Freisetzung der entsprechenden Oxide zersetzen. Wieder freigesetzte NOx werden von den im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln (H2, CO und HC) an der auf dem Stickoxid-Speicher- katalysator vorhandenen katalytisch wirksamen Beschichtungskomponente zu unschädlichem Stickstoff (N2) sowie zu Ammoniak (NH3) reduziert.
Unter einem Lambdawert wird hier wie üblich das Stöchiometrie-Verhältnis aus dem Gehalt des Sauerstoffs und dem Gehalt an Kraftstoff bzw. an reduzierenden Bestandteilen in dem dem Motor zugeführten Luft-Kraftstoffgemisch bzw. im Abgas verstanden. Bei einem Lambdawert von größer als eins liegt ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch bzw. Abgas mit einem Überschuss an Sauerstoff vor, während bei einem Lambdawert von kleiner als eins ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch bzw. Abgas mit einem Überschuss an Reduktionsmitteln vorliegt.
Typischerweise werden Luft und Kraftstoff den Brennräumen des vorzugsweise nach dem 4-Takt-Verfahren arbeitenden, mehrzylindrig ausgeführten Dieselmotors auf getrennten Wegen zugeführt und verbrennen in den Brennräumen unter Abgabe von mechanischer Arbeit. Die Verbrennung kann je nach Brennverfahren mehr oder weniger vollständig verlaufen. Zur Entfernung von Schadstoffen aus dem Abgas kann die vorgesehene Abgasreinigungsanlage neben dem Stickoxid-Speicherkatalysator weitere filterwirksame und/oder katalytisch wirksame Komponenten aufweisen. Ferner weist die Abgasreinigungsanlage Sensoren zur Erfassung von Abgas-Kenngrößen wie Temperatur und Zusammensetzung auf.
Der Lambdawert des Verbrennungsabgases ist unmittelbar nach Ausstoß aus dem Brennraum oder den Brennräumen gleich dem des Luft-Kraftstoffgemisches. Durch Einwirkung einer Abgasreinigungskomponente, insbesondere durch Umwandlung, Speicherung und/oder Freisetzung von Abgasbestandteilen, kann jedoch eine Veränderung des Lambdawertes auftreten. Weiterhin kann eine Veränderung des Lambdawertes durch Zufuhr von Luft oder Brennstoff aus motorexternen Quellen zum Abgas vorgesehen sein. Falls der Klarheit halber erforderlich, wird nachfolgend explizit von einem Abgas- Lambdawert gesprochen. Der Lambdawert des den Brennräumen des Motors zugeführten Luft-Kraftstoffgemisches wird, wo der Klarheit dienlich, nachfolgend auch als Motor-Lambdawert bezeichnet. Obschon nicht zwangsläufig darauf beschränkt, wird nachfolgend davon ausgegangen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Veränderung des Lambdawertes von dem Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführtem Abgas ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch eine Veränderung des Motor- Lambdawertes herbeigeführt wird. Da der Stickoxid-Speicherkatalysator typischerweise eine Speicherwirkung in Bezug auf Sauerstoff und/oder Reduktionsmitteln aufweist, liegen insbesondere bei einem Wechsel des Motor-Lambdawerts von größer als eins nach kleiner als eins (oder umgekehrt) vorübergehend stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators vom Motor-Lambdawert abweichende Abgas-Lambdawerte vor. Zu deren Erfassung ist ein so genannter Lambdasensor vorgesehen, der in einer für den Fachmann geläufigen Form, etwa als binäre oder kontinuierliche Lambdasonde oder auch als NOx-Sensor mit Lambda- Sensitivität ausgebildet sein kann.
Gemäß der Erfindung ist ein geschlossener Regelkreis vorgesehen, in welchem speziell bei einem Betrieb des Dieselmotors im dritten Betriebsmodus mittels des Lambdasensors stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator Abgas-Lambdawerte laufend oder in kurzer Folge abgetastet erfasst, und als Regelgröße zurückgekoppelt werden. Im Regelkreis erfolgt ein Vergleich mit einem vorgebbaren Sollwert und ein Regler des Regelkreises regelt den Motor-Lambdawert derart ein, dass die Abweichung des vom Lambdasensor erfassten Lambdawertes vom Sollwert für den dritten Lambdawert wenigstens annähernd Null wird. Der Regler kann in jeder dem Fachmann geläufigen Ausführung, wie beispielsweise einem PI oder PID-Regler gestaltet sein. Der Regler kann hardware- und/oder software-implemetiert ausgeführt sein.
In Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt im zweiten Betriebsmodus in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein ungeregelter Betrieb des Dieselmotors. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass während der eigentlichen Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators während des zweiten Betriebsmodus von diesem im Abgas enthaltene reduzierende Bestandteile zur NOx- oder SOx-Reduktion verwendet und damit aus dem Abgas entfernt werden. Aus diesem Grund wird von dem stromab angeordneten Lambdasensor ein Abgas-Lambdawert erfasst, der zumindest solange nicht mit dem Motor-Lambdawert übereinstimmt, wie ein merklicher Verbrauch der reduzierenden Abgasbestandteile erfolgt. Als Folge hiervon verharrt der Abgas- Lambdawert annähernd bei dem stöchiometrischen Wert von eins solange die Entfernung insbesondere gespeicherter Stickoxide noch nicht vollständig ist, obwohl der eingestellte Motor-Lambdawert niedriger ist. Der stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator gemessene Abgas-Lambdawert wird in diesem Fall nicht als Regelgröße zur Einstellung des Motor-Lambdawerts herangezogen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird für den zweiten Lambdawert ein Sollwert vorgegeben und im zweiten und im dritten Betriebsmodus erfolgt eine Vorsteuerung einer den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches beeinflussenden Motorbetriebsgröße als Stellgröße derart, dass durch die Vorsteuerung der zweite und der dritte Lambdawert ihren jeweils vorgesehenen Sollwert wenigstens annähernd erreichen.
Vorzugsweise werden im zweiten und im dritten Betriebsmodus eine Mehrzahl von Motorbetriebsgrößen vorgesteuert eingestellt, wobei die Vorsteuerwerte bevorzugt in einem Speicher abrufbar vorgehalten sind. Die vorgesteuert eingestellten Motorbetriebsgrößen müssen dabei nicht notwendigerweise alle als Stellgrößen im regelungstechnischen Sinn für die im dritten Betriebsmodus durchgeführte Lambdaregelung wirksam sein.
Die abgerufenen und eingestellten Vorsteuerwerte sind bevorzugt dem jeweiligen Betriebspunkt des Dieselmotors in Bezug auf Last und Drehzahl zugeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, bereits im dritten Betriebsmodus mit schwach magerem Luft-Kraftstoffverhältnis wesentliche, die Kraftstoffverbrennung in dem Brennraum bestimmende Motorbetriebsgrößen auf Werte einzustellen, wie sie für den Fettbetrieb im zweiten Betriebsmodus erforderlich sind. Auf diese Weise wird das Brennverfahren bereits in der Betriebsmodus-Übergangsphase entsprechend den Erfordernissen für die wenigstens teilweise Verbrennung eines fetten Luft-Kraftstoffgemisches im nachfolgenden zweiten Betriebsmodus eingestellt. Der Übergang in den zweiten Betriebsmodus erfordert demgemäß lediglich geringfügige Änderungen und kann somit zuverlässig und präzise erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Vorsteuerung als adaptive Vorsteuerung derart ausgelegt, dass ein adaptiv veränderbarer, die Stellgröße beeinflussender Korrekturwert vorgesehen ist. Der Korrekturwert kann als multiplikativ oder additiv auf die Stellgröße zur Einstellung des zweiten und/oder des dritten Lambdawerts einwirkender Korrekturwert ausgebildet sein. Der Korrekturwert ist somit als adaptiv veränderbarer Lemwert ausgebildet, der anhand festgestellter Regelabweichungen bei Bedarf so ange- passt wird, dass die Vorsteuerung die Regelabweichung ausgleichen kann. Infolge der adaptiv ausgeführten Vorsteuerung können insbesondere zeitlich gering veränderliche Störgrößen effektiv ausgeglichen werden, da ein Reglereingriff zum Ausgleich der Störgrößen minimiert und damit ein Ausregeln sehr rasch und mit geringsten Einschwingvorgängen erfolgen kann.
Es ist vorgesehen, dass der gegebenenfalls zuvor neu gelernte Korrekturwert bei einem Übergang von einem lambdageregelten Betrieb im dritten Betriebsmodus der Betriebs- modus-Übergangsphase auf den unmittelbar nachfolgenden Motorbetrieb im zweiten Betriebsmodus mit reinem Vorsteuerbetrieb übernommen wird. Infolge der adaptiven Vorsteuerung kann die vergleichsweise kleine Lambdaänderung von etwa 1 ,03 auf 0,95 sehr präzise vollzogen werden. Hingegen wäre ein direkter Sprung unter Verzicht auf die erfindungsgemäß ausgeführte Betriebsmodus-Übergangsphase vom typischerweise vergleichsweise hohen ersten Lambdawert auf den fetten zweiten Lambdawert ungleich störungsanfälliger und ungenauer.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird im zweiten und im dritten Betriebsmodus eine Vorsteuerung einer Gesamteinspritzmenge von in einem Arbeitszyklus in den Brennraum des Dieselmotors einzuspritzendem Kraftstoff derart vorgenommen, dass nach Maßgabe eines von einer Luftmassenmesseinrichtung ermittelten, zur wenigstens teilweisen Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches dem Dieselmotor zugeführten Luftmassenstroms der zweite und der dritte Lambdawert ihren jeweils vorgesehenen Sollwert wenigstens annähernd erreichen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der von der Luftmassenmesseinrichtung ermittelte Luftmassenstrom als Regelgröße zur geregelten Einstellung eines vorgebbaren Luftmassenstrom-Sollwerts herangezogen wird. Vorzugsweise ist zur Regelung des Luftmassenstroms ein separater Regelkreis vorgesehen. Auf diese Weise werden die Einstellungen von Luftmassenstrom und Gesamteinspritzmenge als die das Luft-Kraftstoffverhältnis bestimmenden Größen regelungstechnisch entkoppelt. Von der Luftmassenmesseinrichtung wird ein typischerweise hochgenauer Messwert für den tatsächlichen Luftmassenstrom geliefert, so dass mit der entsprechend eingestellten Gesamteinspritzmenge der Motor-Lambdawert ebenfalls sehr präzise eingestellt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Gesamteinspritzmenge eine in einer Haupteinspritzung eingespritzte Hauptspritzmenge und eine in einer auf die Haupteinspritzung folgenden Nacheinspritzung eingespritzte Nacheinspritzmenge. Die Haupteinspritzmenge wird vorzugsweise in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 10 Grad vor dem oberen Totpunkt bis etwa 10 Grad nach dem oberen Totpunkt in den Brennraum gespritzt, während die Nacheinspritzmenge bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 15 Grad bis etwa 45 Grad nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt in den Brennraum gespritzt wird. Durch die Nacheinspritzung ist auf wirksame Weise eine die Leistungsabgabe bzw. Drehmomentabgabe des Dieselmotors wenig oder gar nicht beeinflussende Anreicherung bzw. Anfettung des Luft-Kraftstoffgemisches ermöglicht. Bevorzugt ist zur Verbesserung des Brennverlaufs eine der Haupteinspritzung zeitlich vorgelagerte Voreinspritzung im Verdichtungstakt vorgesehen. Besonders bevorzugt werden zwei Voreinspritzungen in kurzem Abstand durchgeführt. Die entsprechenden Voreinspritzmenge wird bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich von 25 Grad bis 15 Grad vor dem oberen Totpunkt eingespritzt.
Im Zusammenhang mit der Aufteilung der Gesamteinspritzmenge auf wenigstens eine Haupteinspritzung und eine Nacheinspritzung ist es besonders bevorzugt, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens die Nacheinspritzmenge als Stellgröße zur Einstellung der Sollwerte für den zweiten und/oder dritten Lambdawert verwendet wird. Bevorzugt bleiben, abgesehen von einer erhöhten Nacheinspritzmenge, beim Übergang vom dritten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus alle oder zumindest die meisten anderen Motorbetriebsgrößen unverändert bestehen. Die Gemisch-Anfettung beim Übergang vom dritten Lambdawert auf den zweiten Lambdawert wird somit bevorzugt ausschließlich durch eine Erhöhung der Nacheinspritzmenge bewerkstelligt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird im dritten Betriebsmodus eine Abweichung von dem sich infolge der Vorsteuerung ergebenden Abgas-Lambdawert und dem Sollwert für den dritten Lambdawert ermittelt und erforderlichenfalls wird der adaptiv veränderbare Korrekturwert derart verändert, dass die Abweichung ein wenigstens annähernd vernachlässigbares Ausmaß annimmt. Ein Lernen bzw. eine Adaption des Korrekturwertes erfolgen somit während der Betriebsmodus-Übergangsphase beim Betrieb des Dieselmotors im dritten Betriebsmodus, wobei ein jeweils neu gelernter Korrekturwert in einen auslesbaren Speicher geschrieben wird und bei der nächsten Einstellung des dritten Betriebsmodus wieder ausgelesen wird. Bevorzugt sind vorbestimmte Freigabebedingungen, wie beispielsweise ein Unterschreiten einer vorgebbaren Maximal-Last und/oder eines Maximalwertes für Drehzahlschwankungen sowie eine Abwesenheit eines Schubbetriebs, für die Durchführung einer Adaption vorgesehen. Liegen die Freigabebedingungen nicht vor, so wird die Adaption bzw. das Lernen des Korrekturwerts nicht durchgeführt bzw. abgebrochen. In diesem Fall wird der dritte Lambdawert ungeregelt, jedoch vorgesteuert auf der Basis des seither gültigen Korrekturwerts eingestellt. Die Übernahme eines neu gelernten Korrekturwertes unterbleibt vorzugsweise, wenn die Abweichung zum seither gültigen Korrekturwert ein vorgebbares Mindestmaß unterschreitet oder ein vorgebbares Höchstmaß überschreitet. Durch diese Maßnahmen wird ein zu häufiges oder fehlerhaftes Lernen des Korrekturwertes verhindert.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Motorbetriebskennfeld vorgesehen, welches Kennfeldbereiche vorgebbarer Größe aufweist, denen jeweils ein Korrekturwert zugeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Motorbetriebskennfeld um ein Last- Drehzahlkennfeld. Eine zuverlässige Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators mit einer genauen Lambdawert-Einstellung im zumindest überwiegenden Teil des Motor- betriebskennfelds ist insbesondere dadurch ermöglicht, dass in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens die Vorsteuerung zur Einstellung des zweiten und/oder des dritten Lambdawerts bei einem Motorbetrieb in einem vorgegebenen Kennfeldbereich auf einen Korrekturwert zurückgreift, der im Zusammenhang mit einer vorangegangenen Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators diesem Kennfeldbereich zugeordnet wurde. Bevorzugt ist eine Aufteilung des Motorbetriebskennfelds in 10 bis 20 gleich große Kennfeldbereiche. Es kann jedoch auch eine feinere oder gröbere Kennfeldrasterung vorgesehen sein. Insbesondere bei einer groben Rasterung ist es bevorzugt, eine Interpolation zwischen benachbart abgelegten Korrekturwerten vorzunehmen und den Interpolationswert zu verwenden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Motorbetriebsgrößen Abgasrückführrate und Ansaugluftdrosselrate wie im unmittelbar zuvor eingestellten dritten Betriebsmodus eingestellt. Auf diese Weise ist ein besonders zuverlässiger und ruckfreier Übergang vom dritten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus ermöglicht. Bevorzugt werden noch weitere Motorbetriebsparameter, wie beispielsweise Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge von Haupt- und/oder Voreinspritzung unverändert übernommen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einer Durchführung einer Nitrat-Regeneration zur Entfernung von gespeichertem Stickoxid aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator im zweiten Betriebsmodus der mittels des stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator angeordneten Lambdasensors erfasste Abgas-Lambdawert auf ein Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes hin überwacht und bei Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts wird der Betrieb des Dieselmotors auf den ersten Betriebsmodus zurückgeschalten. Der stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordnete Lambdasensor dient somit zur Ende-Erkennung der Nitratregeneration, wobei als maßgebender Grenzwert bevorzugt ein Lambdawert im Bereich von 1 ,00 bis 0,98 gewählt wird. Dadurch kann mit ausreichender Sicherheit ein unerwünschtes Durchbrechen von reduzierenden Abgasbestandteilen wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff vermieden oder zumindest minimiert werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Durchführung einer Sulfat- Regeneration zur Entfernung von gespeichertem Schwefeloxid aus dem Stickoxid- Speicherkatalysator im zweiten Betriebsmodus der mittels des stromab vom Stickoxid- Speicherkatalysator angeordneten Lambdasensors erfasste Abgas-Lambdawert auf ein Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes überwacht und nach Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts unter zumindest annähernder Beibehaltung des zweiten Lambdawerts von einem in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches ungeregelten Betrieb des Dieselmotors auf einen geregelten Betrieb umgeschaltet.
Da im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherte Schwefeloxide typischerweise bedeutend stärker gebunden sind als eingespeicherte Stickoxide, sind im Vergleich zur Nitrat-Regeneration bei einer Sulfat-Regeneration sowohl höhere Temperaturen von mehr als 550 0C als auch ein länger andauernder Fettbetrieb erforderlich. Der zweite Betriebsmodus wird bei einer Sulfat-Regeneration daher bevorzugt über einen Zeitraum von 10 Sekunden bis 30 Sekunden unverändert aufrechterhalten. Bereits nach einem Bruchteil dieser Zeitspanne ist jedoch der Verbrauch von reduzierenden Abgasbestandteilen im Stickoxid-Speicherkatalysator stark abgesunken und der vom Lambdasensor erfasste Abgas-Lambdawert ist zumindest annähernd gleich dem Motor-Lambdawert. Ist die Annäherung bis auf ein vorgebbares Maß erfolgt, kann daher wieder unter Verwendung des vom Lambdasensor gelieferten Messwertes ein lambdageregelter Betrieb des Dieselmotors vorgenommen werden. Dies verbessert die Genauigkeit der Einstellung des für eine effiziente Sulfat-Regeneration erforderlichen fetten Abgas-Lambdawertes.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch gelöst durch einen Dieselmotor mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisenden Abgasreinigungsanlage und mit einer Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator in der Abgasreinigungsanlage angeordnete Lambdasensor der einzige zur Einstellung des Lambdawerts des in dem Brennraum des Dieselmotors wenigstens teilweise verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches in der Abgasanlage vorgesehene Lambdasensor ist. Da eine Lambdaeinstellung allein mittels des stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator in der Abgasreinigungsanlage angeordneten Lambdasensors ermöglicht ist, erübrigt sich ein weiterer, insbesondere stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneter Lambdasensor. Somit kann eine beträchtliche Kosteneinsparung erzielt werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Stickoxid-Speicherkatalysator und dem Lambdasensor ein Partikelfilter in der Abgasreinigungsanlage angeordnet. Somit ist der Lambdasensor stromab vom Partikelfilter angeordnet, was zusätzlich eine Steuerung bzw. Überwachung einer Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand ermöglicht. Zudem ist die Gefahr einer Verrußung des Lambdasensors vermieden und damit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Lambdamessung verbessert.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmals- kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines
Systems von Dieselmotor und Abgasreinigungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes λM für das im
Dieselmotor verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch und des im Abgas stromab vom Stickoxidspeicher-Katalysator gemessenen Lambdawertes λAm im Zusammenhang mit der Durchführung einer Nitrat-Regeneration und
Fig. 3 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes λM für das im
Dieselmotor verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch und des im Abgas stromab vom Stickoxidspeicher-Katalysator gemessenen Lambdawertes λAm im Zusammenhang mit der Durchführung einer Sulfat-Regeneration
Fig. 1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform eines Systems von Verbrennungsmotor 1 und Abgasreinigungsanlage 2 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Verbrennungsmotor 1 ist bevorzugt als direkteinspritzende magerlauffähige, insbesondere als luftverdichtende Brennkraftmaschine nach dem Hubkolbenprinzip, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgeführt. Ein zugeordnetes nicht dargestelltes Kraftstoffeinspritzsystem ist vorzugsweise als so genanntes Common-Rail-System mit einstellbarem Raildruck bzw. Kraftstoffeinspritzdruck oder in Form eines Einspritzsystems nach dem Pumpe-Düseoder Pumpe-Leitung-Düse-Prinzip ausgeführt.
Den Zylindern des Verbrennungsmotors sind jeweils ein Brennraum mit ein oder zwei Einlass- und Auslassventilen, einer Glühkerze und einem Kraftstoffinjektor sowie ein oder mehrere Einlasskanäle für die Verbrennungsluft zugeordnet, was im Einzelnen nicht näher dargestellt ist. Die Kraftstoffinjektoren sind dabei zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen befähigt. Der Dieselmotor 1 erhält seine Verbrennungsluft über eine Luftzufuhrleitung 3, in der ein nicht dargestellter Luftmassenmesser angeordnet ist. Der Luftmassenmesser ist bevorzugt als so genannter Heißfilm-Luftmassenmesser oder als Hitzdraht-Luftmassenmesser ausgebildet. Luftdichteschwankungen können von diesem erkannt und bei einer Einstellung des Luftmassenstroms kompensiert werden. Mittels eines ebenfalls nicht dargestellten einstellbaren Drosselelements kann der dem Dieselmotor 1 zugeführte Luftmassenstrom auf ein einstellbares Maß gedrosselt werden. Die Verbrennungsluft wird mittels eines Abgasturboladers 15 verdichtet und einem Ladeluftkühler 16 zur Kühlung zugeführt. Der Abgasturbolader ist dabei vorzugsweise als so genannter VTG-Lader oder als Wastegate-Lader mit einstellbarem Ladedruck ausgeführt. In den Brennräumen der Zylinder des Dieselmotors 1 erzeugtes Abgas wird über eine Abgasleitung 4 abgeleitet. Dabei kann der Verbrennungsluft über eine Abgasrückführleitung 13 Abgas beigemischt und somit zum Dieselmotor 1 zurückgeführt werden. Der Anteil des rückgeführten Abgases (AGR-Rate) kann über ein AGR- Ventil 14 eingestellt werden. Vorzugsweise wird das zum Dieselmotor 1 rückführte Abgas mittels eines nicht dargestellten AGR-Kühlers gekühlt, wobei für den AGR-Kühler eine gegebenenfalls einstellbare Umgehung vorgesehen sein kann. Dadurch kann der Verbrennungsluft wahlweise gekühltes oder heißes Abgas zugemischt werden. Nicht rückgeführtes Abgas wird über den Abgasturbolader 15 der Abgasreinigungsanlage 2 zugeführt. Mit der beschriebenen Ausführungsform können bedarfsgerecht unterschiedliche Werte für die wesentlichen Motorbetriebsparameter wie z.B. Luftmassenstrom, Einspritzzeitmenge, -Druck und -Zeitpunkt mehrerer Kraftstoffeinspritzungen, AGR-Rate, Ladeluftdruck und damit unterschiedliche Brennverfahren dargestellt werden. Insbesondere kann der Dieselmotor 1 mit einem Luft-Kraftstoffgemisch mit wechselnden Lambdawerten, nachfolgend als Motor-Lambdawert λM bezeichnet, betrieben werden. Motor-Lambdawerte λM größer als eins entsprechen einem mageren und Motor-Lambdawerte λM kleiner als eins einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch bzw. Betrieb des Dieselmotors 1. Entsprechend resultiert aus einem mageren Motorbetrieb ein mageres Abgas mit einem Überschuss an oxidierend wirkenden Bestandteilen wie insbesondere Sauerstoff und bei einem fetten Motorbetrieb eine fettes Abgas mit einem Überschuss an reduzierenden Bestandteilen wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen. Die Abgaszusammensetzung wird nachfolgend analog zu dieser Definition durch den Abgas-Lambdawert λA charakterisiert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der dem Dieselmotor 1 zugeordneten Abgasreinigungsanlage 2 umfasst in Strömungsrichtung des Abgases gesehen in dieser Reihenfolge einen Oxidationskatalysator 5, einen Stickoxid-Speicherkatalysator 6, einen Partikelfilter 7 und einen SCR-Katalysator 8. Als Partikelfilter 7 kommt vorzugsweise ein so genannter Wallflow-Filter auf SiC- Cordiererit- oder Aluminiumtitanatbasis zum Einsatz. Der Partikelfilter 7 kann jedoch auch als Sintermetallfilter oder als Filtereinheit mit einer offenen Filterstruktur ausgebildet sein. Der stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 angeordnete SCR-Katalysator 8 besitzt die Eigenschaft, bei reduzierenden Bedingungen NH3 einspeichern zu können und bei oxidierenden Bedingungen eingespeichertes sowie ev. zugeführtes NH3 als Reaktionspartner in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion unter Stickstoffbildung zur chemischen Reduktion von NOx nutzen zu können.
Die letztgenannte Eigenschaft wird insbesondere dazu genutzt, dem SCR-Katalysator 8 zugeführte NOx unschädlich zu machen. Der SCR-Katalysator 8 erhält NOx in der Anordnung nach Fig. 1 beispielsweise durch zunehmenden NOx-Schlupf infolge der im Verlauf der NOx-Einlagerung zunehmenden Abnahme der NOx-Aufnahmekapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 bei Mager-Betrieb des Dieselmotors 1. Der SCR-Katalysator 8 ist vorzugsweise als Vollkatalysator auf V2O5-WO3-Basis oder Zeolithbasis oder als beschichteter Katalysator mit edelmetallhaltiger Beschichtung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung als Trägerkatalysator mit einer Kupfer- oder Eisenhaltigen Zeolithbeschichtung. Bevorzugt sind die Katalysatoren 5, 7, 8 als Wabenkörpermono- lithen ausgeführt, die von katatytisch beschichteten Kanälen durchzogen sind, durch welches das zugeführte Abgas strömen kann.
Eingangsseitig des Oxidationskatalysators 5 kann eine Brennstoffzugabeeinheit vorgesehen sein, über welche beispielsweise Kraftstoff als Brennstoff dem Abgas zugeführt werden kann. Dies ermöglicht infolge exothermer Oxidation von dem Abgas bedarfsgerecht zugeführtem Brennstoff eine gezielte Aufheizung des Abgases. Falls vorhanden, wird die Brennstoffzugabeeinheit vorwiegend im Zusammenhang einer aktiven Regeneration des Partikelfilters 7 durch thermischen Rußabbrand oder zur Aufheizung eines nachgeschalteten Abgasreinigungsbauteils aktiviert. Es ist jedoch bevorzugt, auf die Brennstoffzugabeeinheit zu verzichten und eine Anreicherung des Abgases mit oxidier- baren Bestandteilen motorisch durch einen Betrieb mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch vorzunehmen. Nachfolgend wird von der letztgenannten Variante ausgegangen.
In der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 sind verschiedene Temperatur- und Abgassensoren zur Erfassung von Abgas- und Bauteiletemperaturen sowie von Konzentrationen wichtiger Abgasbestandteile vorgesehen. Beispielhaft sind in Fig. 1 eingangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 sowie ausgangsseitig des Partikelfilters 7 je ein Temperatursensor 10, 11 in der Abgasreinigungsanlage 2 angeordnet. Ausgangsseitig des SCR-Katalysators 8 ist ein gegenüber NOx und/oder NH3 empfindlicher Gassensor 12 vorgesehen. Zur Ermittlung der Beladung des Partikelfilters 7 mit Ruß und/oder Asche ist es zudem bevorzugt, ein- und ausgangsseitig des Partikelfilters 7 Drucksensoren bzw. einen Differenzdrucksensor vorzusehen, was in Fig. 1 nicht gesondert dargestellt ist. Weiterhin ist stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 ein Lambdasensor 9 zur Erfassung des dort vorhandenen Abgas-Lambdawerts λA angeordnet. Zu präzisen Charakterisierung wird nachfolgend der über dien Lambdasensor 9 ermittelte Messwert für den Abgas-Lambdawert stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators als Abgas- Lambda-Wert λAm bezeichnet. Der Lambdasensor 9 kann wie dargestellt ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 6, aber auch ausgangsseitig des Partikelfilters 7, d.h. zwischen dem Partikelfilter 7 und dem SCR-Katalysator 8 angeordnet sein. Mittels dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren kann der Betriebszustand der Abgasreinigungsanlage 2 umfassend ermittelt und der Betrieb des Dieselmotors 1 gegebenenfalls angepasst werden. Dabei ist es vorliegend bevorzugt, dass außer dem Lambdasensor 9 kein weiterer Lambdasensor in der Abgasreinigungsanlage 2 vorhanden ist. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Lambdasensor 9 der einzige Lambdasensor der Abgasreinigungsanlage 2 ist, der zur Einstellung des Lambdawerts des im Dieselmotor 1 wenigstens teilweise verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches herangezogen wird.
Zur Einstellung bzw. Erfassung des Motorbetriebs ist ein elektronisches Motorsteuergerät 17 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 erhält einerseits Informationen über maßgebliche Motorbetriebsgrößen wie z.B. Drehzahl, Motorlast, Temperaturen, Drücke von den entsprechenden Sensoren bzw. Fühlern und kann andererseits Steuersignale als Einstellgrößen an Aktuatoren wie z.B. an das AGR-Ventil 14, den Abgasturbolader 15 oder das Drosselelement in der Luftzufuhrleitung 3 ausgeben. Es ist eine Regulierbarkeit von Betriebs- bzw. Zustandsgrößen der Gaszufuhrseite und der Kraftstoffzufuhrseite vorgesehen. Insbesondere ist das Motorsteuergerät 17 in der Lage, die Kraftstoffinjektoren zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen anzusteuern und gegebenenfalls den Kraftstoffeinspritzdruck bedarfsgerecht einzustellen. Ferner ist das Motorsteuergerät 17 zur Durchführung von Regel- und Steuervorgängen eingerichtet, mit welchen Motorbetriebsgrößen geregelt oder gesteuert eingestellt werden. Hierfür kann das Motorsteuergerät 17 auf abgespeicherte Kennfelder oder Berechnungs- bzw. Regel- oder Steuerroutinen zurückgreifen. Hierfür vorgesehene Subsysteme, wie Rechner, Speicher oder EinAusgabeeinheiten und dergleichen sind nicht gesondert dargestellt.
In analoger Weise ist zur Erfassung und Einstellung von Betriebs- und Zustandsgrößen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 ein zweites Steuergerät 18 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 und das zweite Steuergerät 18 sind mittels einer bidirektionalen Datenleitung 19 miteinander verbunden. Auf diese Weise ist ein wechselseitiger Austausch von einem jeweiligen Steuergerät zur Verfügung stehenden Daten ermöglicht. Es versteht sich, dass die Steuergeräte 17, 18 auch in einer einzigen integralen Messwert- erfassungs- und Steuereinheit zusammengefasst sein können.
Der Stickoxid-Speicherkatalysator 6 verfügt über die Fähigkeit, unter oxidierenden Bedingungen im Abgas vorhandene NOx und SOx, hauptsächlich durch chemische Bindung als Nitrat bzw. Sulfat an das Beschichtungsmaterial, einzulagern. Bei der üblichen Betriebsweise des Dieselmotors 1 mit Luftüberschuss, nachfolgend als erster Betriebsmodus bezeichnet, ist dies somit im Allgemeinen der Fall. Während die Einlagerung von NOx wegen der angestrebten Stickoxid-Entfernung an sich erwünscht ist, ist die Einlagerung der SOx nachteilig, da diese Speicherplätze für NOx blockieren. Um die NOx-Entfer- nungsfunktion des Stickoxid-Speicherkatalysators aufrechtzuerhalten, sind wiederkehrende Regenerationen erforderlich, bei denen die eingelagerten NOx bzw. SOx wieder entfernt werden. Die Entfernung der eingelagerten NOx erfolgt dabei in einer so genannten Nitrat-Rregeneration, die Entfernung der SOx in einer so genannten Sulfat- Regeneration. Wegen der deutlich höheren Konzentration von NOx im Abgas im Vergleich zu SOx, sind Nitrat-Regenerationen in deutlich kürzeren Abständen erforderlich als Sulfat-Regenerationen. Typischerweise erfolgen Nitrat-Regenerationen im Abstand von 30 Sekunden bis wenigen Minuten, während Sulfat-Regenerationen bevorzugt fahr- steckenbezogen nach Zurücklegen von etwa 1000 km durchgeführt werden. In beiden Fällen ist es erforderlich, wenigstens zeitweise ein reduzierend wirkendes Abgas, d.h. ein Abgas mit einem Abgas-Lambdawert λA von kleiner als eins bereitzustellen. Hierfür wird erfindungsgemäß der Dieselmotor 1 mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch versorgt und in einem Betriebsmodus mit einem Motor-Lambdawert XM von kleiner als eins betrieben. Dieser Betriebsmodus wird nachfolgend als zweiter Betriebsmodus bezeichnet. Unter den dann vorherrschenden reduzierenden Bedingungen werden bei einer Nitrat-Regeneration eingelagerte NOx wieder freigesetzt und zum größten Teil in N2 und NH3 umgesetzt. Bei einer Sulfat-Regeneration wird als Sulfat eingelagerter Schwefel zu flüchtigen Schwefelverbindungen wie SO2 oder H2S reduziert.
Aus Gründen des Kraftstoffverbrauchs ist ein hoher Zeitanteil des mageren Motorbetriebs im ersten Betriebsmodus mit einem Motor-Lambdawert λM von größer als eins anzustreben. Entsprechend ist ein vergleichsweise niedriger Zeitanteil für den zweiten Betriebsmodus wünschenswert. Der erste Betriebsmodus ist bei dem normalen mageren Betrieb des Dieselmotors 1 ohnehin eingestellt. Die Einstellung des zweiten Betriebsmodus mit einem Motor-Lambdawert XM von kleiner als eins zur Versorgung des Stickoxid- Speicherkatalysators 6 mit reduzierendem Abgas mit einem Abgas-Lambdawert λA von kleiner als eins erfordert jedoch besondere Maßnahmen, insbesondere in Bezug auf eine zuverlässige und präzise Einstellung des Motor-Lambdawertes λM, was nachfolgend näher erläutert wird. Dabei wird zunächst unter zusätzlichem Bezug auf Fig. 2 auf die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei der Durchführung einer Nitrat-Regeneration eingegangen.
Im Diagramm der Fig. 2 ist schematisch ein bevorzugter zeitlicher Verlauf des Motor- Lambdawertes λM sowie des vom stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 angeordneten Lambdasensors 9 erfassten Abgas-Lambdawertes λAm in den verschiedenen Betriebsmodi des Dieselmotors 1 dargestellt. Der Verlauf des Motor-Lambdawertes λM ist durch die durchgezogene Linie, der mittels des Lambdasensors 9 erfasste Abgas- Lambdawert λAm durch die gepunktete Linie dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass stromauf vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 keine den Abgas-Lambdawert nennenswert beeinflussenden Komponenten in der Abgasreinigungsanlage 2 angeordnet sind und deshalb das dem Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführte Abgas einen dem Motor-Lambdawert λM entsprechenden Abgas-Lambdawert λA aufweist.
In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst der in Fig. 2 erste Betriebsmodus eingestellt. Die Zeitspanne mit aktivem erstem Betriebsmodus ist in Fig. 2 durch Angabe des Bezugszeichens I bezeichnet. Bei aktivem ersten Betriebsmodus wird dem Stickoxid- Speicherkatalysator 6 ein mageres Abgas mit einem hohen Sauerstoffgehalt zugeführt. Dieses wird von dem mit einem Motor-Lambdawert λM von beispielsweise λM = 3 betriebenen Dieselmotor 1 geliefert. Der Dieselmotor 1 wird hierbei in Bezug auf den Motor-Lambdawert λM ungeregelt betrieben. Die Motorbetriebsgrößen wie AGR-Rate, Ladedruck, Raildruck, Einspritzparameter von Vor- und Haupteinspritzung etc. werden entsprechend der angeforderten Leistung und dem Betriebspunkt im Last-Drehzahl- Kennfeld kennfeldgesteuert eingestellt.
Vom Dieselmotor 1 emittierte und im Abgas enthaltene NOx werden großteils in das Katalysatormaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators 6, vorzugsweise in Form von Nitraten, eingelagert und so aus dem Abgas entfernt. Gegebenenfalls durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 6 tretender Schlupf von NOx wird durch Reduktion im nachgeschalteten SCR-Katalysator 8 wenigstens teilweise unschädlich gemacht. Wird mit zunehmender Sättigung des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 beispielsweise sensorisch oder modellbasiert ein auf inakzeptable Werte angestiegener Stickoxid- Schlupf oder das Erreichen eines vorgebbaren Stickoxid-Sättigungsgrenzwerts festgestellt, so wird, falls vorgegebene Freigabebedingungen erfüllt sind, eine Nitrat-Regeneration eingeleitet. Als Freigabebedingung kann beispielsweise das Vorliegen eines Motorbetriebs in einem vorgebbaren Last-Drehzahl-Kennfeldbereich mit einer Motorlast von einem vorgebbaren Bruchteil der Volllast herangezogen werden. Sind die Freigabebedingungen erfüllt, so wird zum Zeitpunkt tθ der Betrieb des Dieselmotors 1 zunächst auf den dritten Betriebsmodus mit einem geringfügig über 1 ,0 liegenden Motor-Lambda- wert λM, etwa λM = 1 ,03, umgestellt. Die Zeitspanne mit aktivem drittem Betriebsmodus ist in Fig. 2 durch Angabe des Bezugszeichens IM bezeichnet. Die Umstellung erfolgt bevorzugt annähernd abrupt, zumindest sehr rasch mit einem steilen Gradienten. Zur Umstellung vom ersten Betriebsmodus auf den dritten Betriebsmodus werden im Einzelnen folgende Maßnahmen getroffen.
Der dem Dieselmotor 1 zugeführte Luftmassenstrom wird auf einen kennfeldmäßig vorgegebenen Sollwert gedrosselt. Hierzu ist ein eigenständiger Regelkreis im Motorsteuergerät 17 derart implementiert, dass das vom Luftmassenmesser gelieferte Signal für den Luftmassenstrom als Regelgröße herangezogen wird und eine vom entsprechenden Regler erzeugte Stellgröße auf das Drosselelement in der Luftzufuhrleitung 3 einwirkt. Weiterhin werden wesentliche Motorbetriebsparameter wie AGR-Rate, Ladedruck, Raildruck, Einspritzparameter von Vor- und Haupteinspritzung, Schwerpunktlage der Verbrennung etc. auf die für einen fetten Motorbetrieb vorgesehenen Werte kennfeld- gesteuert eingestellt. Zudem wird eine Kraftstoff-Nacheinspritzung aktiviert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, abgesehen von der durch Vor- Haupt- und Nacheinspritzung bestimmten Gesamteinspritzmenge, die genannten Motorbetriebsparameter auf Werte einzustellen, wie sie in der nachfolgenden Betriebsphase im zweiten Betriebsmodus ebenfalls vorgesehen sind. Die Zeitspanne mit aktivem zweitem Betriebsmodus ist in Fig. 2 durch Angabe des Bezugszeichens Il bezeichnet..
Der beim Betrieb im vorangegangenen ersten Betriebsmodus an Sauerstoff gesättigte Stickoxid-Speicherkatalysator 6 lässt die Abgase in Bezug auf die den Abgas-Lambda- wert λA bestimmenden Anteile im dritten Betriebsmodus im Wesentlichen unverändert passieren. Der vom Lambdasensor 9 gelieferte Abgas-Lambdawert λAm entspricht daher, abgesehen von einer geringen zeitlichen Verzögerung und einer gewissen Verschleifung des Lambdaübergangs, wie dargestellt recht genau dem stromauf vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 vorhandenen Abgas-Lambdawert λA und damit dem Motor-Lambdawert λM. Dies wird erfindungsgemäß dahingehend ausgenutzt, dass von einem ungeregelten Motorbetrieb auf einen in Bezug auf den Motor-Lambdawert λM geregelten Betrieb des Dieselmotors 1 übergegangen wird. Die Regelung bei aktivem dritten Betriebsmodus ist dabei bevorzugt als adaptive Vorsteuerregelung ausgeführt, was nachfolgend näher erläutert wird.
Das vom Lambdasensor 9 bereitgestellte Messsignal wird vorliegend entsprechend einer vorgehaltenen Kennlinie vom zweiten Steuergerät 18 in einen Lambdawert (Abgas- Lambdawert λAm) gewandelt und an das Motorsteuergerät 17 übermittelt. Von einem im Motorsteuergerät 17 implementierten Lambdaregler wird der so gemessene Abgas- Lambdawert λAm als Regelgröße verwendet und mit dem Sollwert des für den im dritten Betriebsmodus maßgebenden Motor-Lambdawerts λM verglichen. Auf der Basis des Vergleichsergebnisses wird eine Stellgröße ausgegeben, die auf die Kraftstoffinjektoren einwirkt und die Gesamteinspritzmenge bestimmt. Zur vorgesteuerten Einstellung der Gesamteinspritzmenge als Stellgröße ist ein diese beeinflussender Korrekturwert vorgesehen, der aus einem Schreib-Lese-Speicher ausgelesen wird. Insgesamt ergibt sich somit die als Stellgröße dienende Gesamteinspritzmenge aus einem vom Lambdaregler ausgegebenen Anteil und einem durch den Korrekturwert bestimmten Anteil, der additiv oder multiplikativ mit dem Regleranteil verknüpft sein kann. Eine multplikative Verknüpfung ist dabei bevorzugt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass festgestellte Abweichungen zwischen gemessenem Abgas-Lambdawert λAm und dem Sollwert für den im dritten Betriebsmodus maßgebenden Motor-Lambdawert λM gegebenenfalls durch eine Veränderung des Korrekturwerts derart berücksichtigt werden, dass infolge des geänderten Korrekturwerts die Abweichungen wenigstens annähernd Null werden. Hierzu wird der vom Luftmassenmesser bereitgestellte Wert für den Luftmassenstrom ausgewertet. Die Gesamteinspritzmenge wird so eingestellt, dass auf der Basis des Werts für den Luftmassenstrom sich rechnerisch der Sollwert des Motor-Lambdawerts λM ergibt, wobei die Gesamteinspritzmenge durch den entsprechend festgelegten Korrekturwert bestimmt ist. Der alte Korrekturwert wird sodann durch den gegebenenfalls geänderten neu gelernten Korrekturwert ersetzt, d.h. im Speicher überschrieben. Der Regler muss daher lediglich zusätzlich auftretende Störgrößen ausregeln. Die Reglereingriffe fallen daher entsprechend gering aus. Ein Überschreiben des Korrekturwerts kann dabei entfallen, wenn die Änderungen nur gering sind oder starke Änderungen des Motorbetriebs, beispielsweise aufgrund einer vom Fahrer angeforderten Lastanforderungen auftreten.
Es ist in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, wenn ausschließlich die Nachein- spritzmenge gegebenenfalls nachjustiert wird und die vorgesteuert eingestellten Werte von Vor- und Haupteinspritzmenge konstant gehalten werden. Als Stellgröße zur genauen Einstellung des Motor-Lambdawerts λM wird in dieser besonders bevorzugten Ausführungsform daher lediglich der auf die Nacheinspritzmenge entfallende Anteil der Gesamteinspritzmenge verwendet.
Ist der Einregelvorgang für den Lambdawert des dritten Betriebsmodus erfolgt, was beispielsweise dann als gegeben angesehen wird, wenn die Regelabweichungen einen Mindestwert unterschritten haben, so wird zum Zeitpunkt t1 der dritte Betriebsmodus beendet und der Motorbetrieb auf den zweiten Betriebsmodus umgestellt. Die Einschwingvorgänge des dritten Betriebsmodus sind typischerweise nach kurzer Zeit, etwa nach ein bis drei Sekunden abgeklungen, weshalb der Motorbetrieb im dritten Betriebsmodus als Betriebsmodus-Übergangsphase bezeichnet werden kann, die zwischen den ersten Betriebsmodus und den zweiten Betriebsmodus eingeschoben ist.
Im zweiten Betriebsmodus wird für den Dieselmotor 1 ein fetter Motor-Lambdawert λM von etwa 0,95 eingestellt und der Dieselmotor 1 auf einen in Bezug auf den Motor-Lambdawert λM ungeregelten Betrieb umgestellt. Hierzu wird der Reglerausgang auf den am Ende des vorangegangen dritten Betriebsmodus vorhandenen Wert eingefroren und die Gesamteinspritzmenge erhöht, d.h. der entsprechende Vorsteuerwert erhöht. Um das Ausmaß der Erhöhung zu ermitteln, wird vorzugsweise erneut der vom Luftmassenmesser bereitgestellte Wert für den Luftmassenstrom ausgewertet und die Gesamteinspritzmenge wird so eingestellt, dass auf der Basis des Werts für den Luftmassenstrom sich rechnerisch der Sollwert des verringerten neuen Motor-Lambdawerts λM ergibt. Dabei ist es wiederum besonders bevorzugt, wenn ausschließlich die Nacheinspritzmenge angepasst wird und die Vorsteuerwerte für Vor- und Haupteinspritzmenge konstant gehalten werden. Als Stellgröße zur vorgesteuerten Einstellung des Motor-Lambdawerts λM wird daher lediglich der auf die Nacheinspritzmenge entfallende Anteil der Gesamteinspritzmenge verwendet. Die anderen Motorbetriebsparameter bleiben unverändert, da sie bereits die Werte aufweisen, die für den Fett-Betrieb des zweiten Betriebsmodus erforderlich sind und bereits im vorangegangenen dritten Betriebsmodus eingestellt waren.
Mit dem im zweiten Betriebsmodus dem Stickoxid-Speicherkatalysator 6 zugeführten reduzierenden Abgas erfolgt die eigentliche Nitrat-Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6. Dabei wird das im Stickoxid-Speicherkatalysator 6 eingelagerte NOx zu N2 und NH3 reduziert. Freigesetztes NH3 wird dabei dem nachfolgenden SCR-Katalysator 8 zugeführt und dort eingelagert. Infolge der Reduktionsvorgänge im Stickoxid-Speicherkatalysator 6 mit Verbrauch von Reduktionsmittel weist das Abgas stromab des Stickoxid- Speicherkatalysators 6 zunächst keine reduzierenden Bestandteile auf und vom Lambda- sensor 9 wird zunächst ein Abgas-Lambdawert λAm von 1 ,0 gemessen. Sind eingespeicherte NOx weitgehend reduziert, so brechen im fetten Abgas enthaltene Reduktionsmittel in zunehmendem Maße durch und der Abgas-Lambdawert λAm sinkt ab und nähert sich dem stromauf vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 vorhandenen Motor-Lambdawert λM an. Somit kann ein Ende der Regenerationsvorgänge durch Auswerten des vom Lambdasensor 9 bereitgestellten Messwerts erkannt werden. Vorzugsweise wird der zweite Betriebsmodus und damit die Nitrat-Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 zum Zeitpunkt t2 beendet und wieder die Bedingungen des ersten Betriebsmodus eingestellt, wenn der mittels des Lambdasensor 9 erfasste Abgas-Lambdawert λAm einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet.
Das Verfahren zur adaptiven Vorsteuerung der Motorlambdawerte λM im zweiten und im dritten Betriebsmodus wird vorzugsweise dahingehend verfeinert, dass die im dritten Betriebsmodus gelernten Korrekturwerte einem Kennfeldbereich des Last-Drehfeld-Kennfeld zugeordneten werden, in welchem der aktuelle Betriebspunkt des Dieselmotors 1 liegt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn das Last-Drehfeld-Kennfeld in Kennfeldbereiche vorgegebener oder vorgebbarer Größe eingeteilt wird. Eine feine Rasterung des Last- Drehfeld-Kennfelds verbessert die Genauigkeit der Vorsteuerung, jedoch steigt mit zunehmender Detaillierung der Aufwand. Bevorzugt ist eine Aufteilung in 10 bis 40 Kennfeldbereiche.
Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit kann vorgesehen sein, Gaslaufzeiten im Luftpfad und/oder in der Abgasreinigungsanlage 2 bei der Auswertung der Messsignale des Luftmassenmessers und/oder der Lambdasonde 9 zu berücksichtigen. Durch eine Tot- Zeitkompensation kann ein laufzeitbedingtes Voreilen des Messsignals des Luftmassenmessers gegenüber dem Messsignal der Lambdasonde 9 kompensiert werden. Hierzu kann ein Modell vorgesehen sein, welches Zeitdifferenzen zwischen dem Messsignal des Luftmassenmessers, dem Einspritzzeitpunkt der jeweiligen Gesamteinspritzmenge bzw. Nacheinspritzmenge und dem Zeitpunkt des zugehörigen sich ergebenden Lambdasig- nals modelltechnisch nachbildet, um die Vorsteuerung der Gesamteinspritzmenge bzw. der Nacheinspritzmenge dynamisch zu korrigieren.
Nachfolgend wird auf bevorzugte Vorgehensweisen bei der Durchführung einer Sulfat- Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 eingegangen. Dabei werden unter Bezug auf das in Fig. 3 dargestellte Zeitdiagramm speziell die Unterschiede im Vergleich zur oben beschriebenen Vorgehensweise bei der Durchführung einer Nitrat-Regeneration diskutiert. Im Zeitdiagramm von Fig. 3 sind zeitliche Verläufe des Motor-Lambdawertes λw sowie des im Abgas stromab vom Stickoxidspeicher-Katalysator gemessenen Abgas- Lambdawertes λAm analog zum Diagramm der Fig. 2 dargestellt.
Eine Sulfat-Regenration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 wird durchgeführt, wenn festgestellt wird, dass eine unzulässig hohe Menge an Schwefeloxiden eingespeichert ist. Dies kann beispielsweise modellgestützt oder anhand der verbrauchten Kraftstoffmenge und dem Kraftstoff-Schwefelgehalt erfolgen. Eine Sulfat-Regeneration wird in ähnlicher Weise wie eine Nitrat-Regeneration durchgeführt. Wesentlicher Unterschied ist eine auf etwa 650 "C erhöhte Temperatur des Abgases bzw. des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 sowie eine vorzugsweise eingestellte stärkere Anfettung auf Motor-Lambdawerte λω von etwa 0,8 bis 0,9. Zudem wird die Dauer der Anfettung im Vergleich zu einer Nitrat- Regeneration erhöht. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass bevorzugt bei erhöhter Temperatur aufeinanderfolgend ein mehrfacher Wechsel von Betriebsphasen mit einem fetten und einem mageren Motor-Lambdawerte λM erfolgt. Dadurch ist eine Zersetzung der vergleichsweise stabilen Sulfate ermöglicht. Vorzugsweise wird eine Sulfat-Regeneration im zeitlichen Zusammenhang mit einer thermischen Partikelfilter-Regeneration durch Rußabbrand durchgeführt. Dadurch ist die Häufigkeit von Aufheizvorgängen und somit der Kraftstoffverbrauch verringert.
Die erhöhte Temperatur wird durch Einstellung einer früh erfolgenden, so genannten mitbrennenden Nacheinspritzung und/oder einer spät erfolgenden, nicht mitbrennenden Nacheinspritzung erzielt. Durch die frühe Nacheinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 10 Grad bis etwa 40 Grad nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt kann die Auslasstemperatur des Abgases unmittelbar erhöht werden. Durch die späte Nacheinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 45 Grad bis etwa 120 Grad nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt erfolgt eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Bestandteilen, welche durch Oxidation mit im Abgas enthaltenem Restsauerstoff im Oxidationskatalysator 5 und/oder im Stickoxid-Speicherkatalysator 6 verbrennen, wodurch eine Abgasaufheizung bzw. Katalysatoraufheizung bewirkt wird.
Mit den für die Durchführung einer Sulfat-Regeneration kennfeldmäßig vorgegebenen vorgesteuerten Motorbetriebsparametern erfolgt die Durchführung eines Wechsels vom ersten Betriebsmodus zum dritten Betriebsmodus analog zu der im Zusammenhang mit einer Nitrat-Regeneration oben erläuterten Vorgehensweise. Ebenfalls analog erfolgt eine Adaption des Korrekturwertes bei dem eingestellten dritten Betriebsmodus der Betriebsmodus-Übergangsphase. Es können jedoch unterschiedliche Sätze von Korrekturwerten für die Durchführung von Nitrat-Regenerationen und für die Durchführung von Sulfat- Regenerationen vorgesehen sein.
Analog zu Nitrat-Regeneration weist bei einer Sulfat-Regeneration nach Einstellung eines fetten Motor-Lambdawerts λM im zweiten Betriebsmodus das Abgas stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 zunächst keine reduzierenden Bestandteile auf und vom Lambdasensor 9 wird zunächst ein Abgas-Lambdawert λAm von 1 ,0 gemessen. Sind eingespeicherte NOx und SOx weitgehend reduziert, so brechen im fetten Abgas enthaltene Reduktionsmittel in zunehmendem Maße durch und der Abgas-Lambdawert λAm sinkt ab und nähert sich dem stromauf vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 vorhandenen Motor-Lambdawert λM an. Im Unterschied zu einer Nitrat-Regeneration wird nun jedoch bei sehr enger Annäherung des Abgas-Lambdawerts λAm an den Motor-Lambdawert λM erfindungsgemäß der fette Motor-Lambdawert λM noch einige Zeit beibehalten und zum Zeitpunkt t2 wird von einem in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches ungeregelten Betrieb des Dieselmotors auf einen geregelten Betrieb umgeschaltet. Nach Ablauf einer vorgebbaren Gesamtdauer von beispielsweise etwa 20 Sekunden für den zweiten Betriebsmodus mit einem fetten Motor-Lambdawert λM wird zum Zeitpunkt t3 der Motorbetrieb wieder auf den bezüglich des Luft-Kraftstoffverhältnisses ungeregelten ersten Betriebsmodus I umgeschaltet. Die Betriebsphase des zweiten Betriebsmodus mit einem fetten Motor-Lambdawert XM ist somit in zwei Teilabschnitte aufgeteilt. Im ersten, in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen IIa gekennzeichneten Teilabschnitt wird der Dieselmotor 1 in einem vorgesteuerten Betriebsmodus in Bezug auf den fetten Motor-Lambdawert λM ungeregelt betrieben. Im mit Il b bezeichneten zweiten Teilabschnitt wird der Dieselmotor 1 in einem in Bezug auf den fetten Motor-Lambdawert λM geregelten Betriebsmodus betrieben, wobei die Vorsteuerwerte für die Motorbetriebsparameter aus dem ersten Teilabschnitt IIa, bzw. dem dritten Betriebsmodus übernommen werden.
Für eine möglichst vollständige Entfernung eingespeicherter SOx ist es vorgesehen, nach einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne von etwa 5 bis 15 Sekunden im ersten Betriebsmodus die Vorgehensweise mit Einstellung der Betriebsmodus-Übergangsphase und nachfolgendem zweiten Betriebsmodus mit einem ungeregelten ersten Teilabschnitt IIa und einem geregelten zweiten Teilabschnitt IIb bei unverändert erhöhter Temperatur zu wiederholen. Insbesondere ist eine 5- bis 20-malige Wiederholung vorgesehen.
Nach Beendigung der bevorzugt vorgebbaren Anzahl an Wiederholungen werden die Maßnahmen zur Erzielung einer erhöhten Abgas- bzw. Katalysatortemperatur beendet und in den normalen Betrieb des Dieselmotors 1 mit wiederkehrenden Nitrat-Regenerationen übergegangen.
Zur Steigerung der Genauigkeit der Lambda-Regelung im zweiten Teilabschnitt IIb des Betriebs im zweiten Betriebsmodus ist es vorzugsweise vorgesehen, die vorgehaltene Kennlinie des Lambdasensors 9 in Bezug auf eine Querempfindlichkeit gegenüber H2 anzupassen. Dadurch wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass infolge von Nebenreaktionen wie beispielsweise einer Wassergas-Shiftreaktion, bei länger andauerndem Fettbetrieb das Messsignal des Lambdasensors 9 verfälscht sein kann. Auf diese Weise wird eine Einregelung eines falschen Motor-Lambdawerts λM zuverlässig vermieden.
Insgesamt ist infolge der erfindungsgemäß bei der Durchführung einer Nitrat- bzw. Sulfat- Regeneration vorgesehenen Lambda-Regelung unter Verwendung des stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysators 6 angeordneten Lambdasensors 9 eine zuverlässige und genaue Lambdaeinstellung ermöglich. Infolge der weiterhin vorzugsweise vorgesehenen insbesondere adaptiven Vorsteuerung kann jedoch falls notwendig jederzeit auf einen alleinigen Vorsteuerbetrieb zurückgegriffen werden. Dies verbessert die Systemsicherheit, wenn ein Regelbetrieb, beispielsweise aufgrund ungünstiger Fahrzustände oder aufgrund eines Ausfalls des Lambdasensors 9 nicht möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (1) mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator (6) aufweisenden Abgasreinigungsanlage (2), bei welchem ein einen Lambdawert aufweisendes Luft-Kraftstoffgemisch in einem Brennraum des Dieselmotors (1) wenigstens teilweise verbrannt wird und dabei entstandenes Abgas dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) zugeführt wird, wobei ausgehend von einem Betrieb des Dieselmotors (1) mit einem ersten Betriebsmodus, bei welchem das Luft- Kraftstoffgemisch einen ersten Lambdawert von größer als eins aufweist, für eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (6) für den Dieselmotor (1) ein Betrieb mit einem zweiten Betriebsmodus eingestellt wird, bei welchem das Luft- Kraftstoffgemisch einen zweiten Lambdawert von kleiner als eins aufweist, wobei unmittelbar vor dem Einstellen des zweiten Betriebsmodus eine Betriebsmodus- Übergangsphase eingeschoben wird, in welcher der Dieselmotor (1) in einem dritten Betriebsmodus betrieben wird, bei welchem für das Luft-Kraftstoffgemisch ein dritter Lambdawert eingestellt wird, der niedriger als im ersten Betriebsmodus ist und geringfügig über eins liegt, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Betriebsmodus ein in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches geregelter Betrieb des Dieselmotors (1) derart erfolgt, dass mittels eines stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator (6) in der Abgasreinigungsanlage (2) angeordneten Lambdasensors (9) ein Abgas-Lambdawert (λAm) erfasst und als Regelgröße zur geregelten Einstellung eines vorgebbaren Sollwerts für den dritten Lambdawert verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus in Bezug auf den Lambdawert des Luft- Kraftstoffverhältnisses ein ungeregelter Betrieb des Dieselmotors (1) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten Lambdawert ein Sollwert vorgegeben wird und im zweiten und im dritten Betriebsmodus eine Vorsteuerung einer den Lambdawert des Luft- Kraftstoffgemisches beeinflussenden Motorbetriebsgröße als Stellgröße derart erfolgt, dass durch die Vorsteuerung der zweite und der dritte Lambdawert ihren jeweils vorgesehenen Sollwert wenigstens annähernd erreichen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung als adaptive Vorsteuerung derart ausgelegt ist, dass ein adaptiv veränderbarer, die Stellgröße beeinflussender Korrekturwert vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten und im dritten Betriebsmodus eine Vorsteuerung einer Gesamteinspritzmenge von in einem Arbeitszyklus in den Brennraum des Dieselmotors (1) einzuspritzendem Kraftstoff derart vorgenommen wird, dass nach Maßgabe eines von einer Luftmassenmesseinrichtung ermittelten, zur wenigstens teilweisen Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches dem Dieselmotor (1) zugeführten Luftmassenstroms der zweite und der dritte Lambdawert ihren jeweils vorgesehenen Sollwert wenigstens annähernd erreichen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Luftmassenmesseinrichtung ermittelte Luftmassenstrom als Regelgröße zur geregelten Einstellung eines vorgebbaren Luftmassenstrom-Sollwerts herangezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamteinspritzmenge eine in einer Haupteinspritzung eingespritzte Hauptspritzmenge und eine in einer auf die Haupteinspritzung folgenden Nacheinspritzung eingespritzte Nacheinspritzmenge umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzmenge als Stellgröße zur Einstellung der Sollwerte für den zweiten und/oder den dritten Lambdawert verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Betriebsmodus eine Abweichung von dem sich infolge der Vorsteuerung ergebenden Abgas-Lambdawert (λAm) und dem Sollwert für den dritten Lambdawert ermittelt und erforderlichenfalls der adaptiv veränderbare Korrekturwert derart verändert wird, dass die Abweichung ein wenigstens annähernd vernachlässigbares Ausmaß annimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorbetriebskennfeld vorgesehen ist, welches Kennfeldbereiche vorgebbarer Größe aufweist, denen jeweils ein Korrekturwert zugeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung zur Einstellung des zweiten und/oder des dritten Lambdawerts bei einem Motorbetrieb in einem vorgegebenen Kennfeldbereich auf einen Korrekturwert zurückgreift, der im Zusammenhang mit einer vorangegangenen Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (6) diesem Kennfeldbereich zugeordnet wurde.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Motorbetriebsgrößen Abgasrück- führrate und Ansaugluftdrosselrate wie im unmittelbar zuvor eingestellten dritten Betriebsmodus eingestellt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die Haupteinspritzmenge wie im unmittelbar zuvor eingestellten dritten Betriebsmodus eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Durchführung einer Nitrat-Regeneration zur Entfernung von gespeichertem Stickoxid aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) im zweiten ßetriebsmodus der mittels des stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator (6) angeordneten Lambdasensors (9) erfasste Abgas-Lambdawert (λAm) auf ein Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes hin überwacht wird und bei Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts der Betrieb des Dieselmotors (1) auf den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung einer Sulfat-Regeneration zur Entfernung von gespeichertem Schwefeloxid aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) im zweiten Betriebsmodus der mittels des stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator (6) angeordneten Lambdasensors (9) erfasste Abgas-Lambdawert (λAm) auf ein Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes überwacht wird und nach Unterschreiten des vorgebbaren Grenzwerts unter zumindest annähernder Beibehaltung des zweiten Lambdawerts von einem in Bezug auf den Lambdawert des Luft-Kraftstoffgemisches ungeregelten Betrieb des Dieselmotors (1) auf einen geregelten Betrieb umgeschaltet wird.
16. Dieselmotor mit einer einen Stickoxid-Speicherkatalysator (6) aufweisenden Abgasreinigungsanlage (2) und mit einer Steuereinrichtung (17, 18) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der stromab vom Stickoxid- Speicherkatalysator (6) in der Abgasreinigungsanlage (2) angeordnete Lambda- sensor (9) der einzige zur Einstellung des Lambdawerts des in dem Brennraum des Dieselmotors (1) wenigstens teilweise verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches in der Abgasreinigungsanlage (2) vorgesehene Lambdasensor ist.
17. Dieselmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasreinigungsanlage (2) zwischen dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) und dem Lambdasensor (9) ein Partikelfilter (7) angeordnet ist.
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