Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desulfatisierung eines
Stickoxid-Speicherkatalysators, der in der
Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotors, angeordnet
ist, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 198 50 757 A1 ist ein Verfahren
zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators
bekannt, bei der die für die Durchführung der Desulfatisierung
notwendige Desulfatisierungstemperatur zumindest teilweise
durch die Regeneration eines stromauf des Stickoxid-
Speicherkatalysators in der Abgasanlage angeordneten
Partikelfilters erzeugt wird.
Abgasreinigungsanlagen mit Stickoxid-Speicherkatalysatoren
werden verschiedentlich zur Entfernung von Stickoxiden aus dem
Abgas von primär mager betriebenen Brennkraftmaschinen
eingesetzt. Dabei entzieht das in der Speicherkomponente des
Katalysatormaterials beispielsweise vorhandene Barium-Carbonat
bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine dem dann
oxidierenden Abgas Stickoxid (NOx) unter Bildung von festem
Barium-Nitrat. Aufgrund der damit verbundenen
Materialerschöpfung wird von Zeit zu Zeit eine Regeneration des
NOx-Speicherkatalysators notwendig. Die sogenannte Nitrat-
Regeneration geschieht dadurch, dass die Brennkraftmaschine für
eine gewisse Zeit fett betrieben wird. Das in dem
resultierenden reduktionsmittelhaltigen Abgas instabile Barium-
Nitrat zersetzt sich hierbei wieder unter Rückbildung von
Barium-Carbonat und unter Freisetzung von NOx. Letzteres wird
von den dann im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln (H2, CO und
HC) an der auf dem NOx-Speicherkatalysator aufgebrachten
Edelmetallkomponente überwiegend zu unschädlichem Stickstoff
(N2) reduziert.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff enthält das
Abgas Schwefeloxide, welche von der Speicherkomponente unter
Bildung von stabilen Sulfaten aufgenommen wird, was eine
fortschreitende Vergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators
zur Folge hat. Durch eine auch als Desulfatisierung bezeichnete
Regenerationsprozedur lässt sich ein solcherart vergifteter
Stickoxid-Speicherkatalysator wieder regenerieren. Meist wird
die Desulfatisierung veranlasst, wenn die Schwefelbeladung
einen für die Wirksamkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators
nicht mehr tolerierbaren Maximalwert überschritten hat. Die
Desulfatsierung erfordert jedoch üblicherweise eine Aufheizung
des Stickoxid-Speicherkatalysators bzw. des Abgases über eine
Desulfatisierungs-Mindesttemperatur von z. B. 550°C und die
zumindest zeitweise Einstellung einer insgesamt reduzierenden
Abgaszusammensetzung. Sowohl die Aufheizung als auch die
Einstellung der reduzierenden Abgaszusammensetzung bedingen
einen Kraftstoffmehrverbrauch, der möglichst gering gehalten
werden sollte.
Insbesondere bei Dieselmotoren ist neben der Entfernung von
Stickoxiden auch die Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von
Bedeutung. Zu diesem Zweck werden verschiedentlich
Partikelfilter in der Abgasreinigungsanlage angeordnet. Diese
Partikelfilter bedürfen üblicherweise ebenfalls von Zeit zu
Zeit einer Regeneration, um sie von abgelagerten Partikeln,
welche typischerweise als Rußpartikel vorliegen, zu befreien.
Zur Regeneration der Partikelfilter ist ebenfalls die
Einstellung einer erhöhten Temperatur von z. B. über 450°C des
Abgases bzw. des Partikelfilters notwendig. Bei oxidierendem
Abgas werden dabei die Rußablagerungen abgebrannt, wodurch das
Partikelfilter regeneriert wird.
Sind in der Abgasreinigungsanlage der entsprechenden
Brennkraftmaschine sowohl ein Stickoxid-Speicherkatalysator als
auch ein Partikelfilter vorhanden, so kann der
Kraftstoffverbrauch zur Regeneration der genannten Bauteile
z. B. dadurch vermindert werden, dass die für die Durchführung
der Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators
notwendige Desulfatisierungstemperatur zumindest teilweise
durch die Regeneration Partikelfilters erzeugt wird. Es ist
allerdings zu beachten, dass die entsprechenden Regenerationen,
insbesondere die Desulfatisierung, einerseits nicht bei allen
Fahrzuständen der jeweiligen Brennkraftmaschine gleichermaßen
unproblematisch durchführbar sind und andererseits auch nicht
häufiger als nötig durchgeführt werden sollten. Außerdem sollte
der durch die Regenerationen verursachte
Kraftstoffmehrverbrauch so gering wie möglich gehalten werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit
welchem die Durchführung der Regenerationen von Stickoxid-
Speicherkatalysator bzw. Partikelfilter und insbesondere die
Durchführung der Desulfatisierungen des Stickoxid-
Speicherkatalysators verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass eine Desulfatisierung eines üblichen Stickoxid-
Speicherkatalysators die Einstellung einer entsprechend hohen
Desulfatisierungs-Mindesttemperatur von ca. 550°C und die
nachfolgende Einstellung eines wenigstens zeitweise reduzierend
wirkenden Abgases erfordert. Als besonders vorteilhaft für die
Durchführung einer wirksamen Desulfatisierung hat sich ein
Mager-Fett-Wechselbetrieb erwiesen. Darunter ist die
Durchführung eines mehrfach wiederholten Wechsels zwischen
oxidierenden und reduzierenden Abgaszusammensetzungen zu
verstehen. Sowohl die gezielt herbeigeführte
Katalysatoraufheizung als auch der Wechsel zwischen Mager- und
Fettbetrieb wird dabei von dem ohnehin vorhandenen
elektronischen Motorsteuergerät, vorzugsweise durch eine
entsprechende Änderung der Kraftstoffeinspritz-Bedingungen,
bewirkt. Für die Aufheizung sind jedoch auch andere,
zusätzliche und unterstützend wirkende Maßnahmen wie eine
Androsselung der Brennkraftmaschine denkbar.
Erfindungsgemäß wird die Aufheizung des Stickoxid-
Speicherkatalysators zum Zwecke der Desulfatisierung nicht nur
dann durchgeführt, wenn die Schwefelbeladung einen für die
Wirksamkeit des Katalysators nicht mehr tolerierbaren
Maximalwert erreicht hat, sondern in vorteilhafter Weise auch
und bereits dann, wenn die Schwefelbelädung des Stickoxid-
Speicherkatalysators einen gewissen Mindestwert Smin
überschritten hat und zugleich eine Partikelfilter-Regeneration
gestartet wurde. Die Schwefelbeladung wird vom Motorsteuergerät
z. B. aus dem akkumulierten Kraftstoffverbrauch oder der
Laufstrecke des Fahrzeugs im Zusammenhang mit der Höhe des
Kraftstoffschwefelgehalts ermittelt. Weiterhin sind Methoden
möglich, die sich an der auf die Schwefelvergiftung
zurückzuführende Wirkungsgradverschlechterung des
Speicherkatalysators orientieren.
Die Notwendigkeit einer Partikelfilter-Regeneration wird
ebenfalls typischerweise vom Motorsteuergerät durch Auswertung
entsprechender Signale, wie z. B. eines über dem Partikelfilter
festgestellten erhöhten Differenzdruckes, ermittelt. Die
Bewertung der Fahrzeuglaufstrecke kann jedoch ebenfalls als
Kriterium für die Ermittlung der Notwendigkeit einer
Partikelfilter-Regeneration herangezogen werden.
Da die Durchführung der Partikelfilter-Regeneration ebenfalls
erhöhte Abgastemperaturen bzw. erhöhte Partikelfilter-
Temperaturen erfordert, kann so in vorteilhafter Weise der zum
Zwecke der Partikelfilter-Regeneration durchgeführte
Aufheizprozess für eine nachfolgende Desulfatisierung des
Stickoxid-Speicherkatalysators optimal genutzt werden.
Die Einstellung des Fettbetriebs bzw. die Einstellung eines
reduzierend wirkenden Abgases ist speziell bei Dieselmotoren
mit besonderen verbrennungstechnischen Schwierigkeiten
verbunden. Ferner sind z. B. unerwünschte Komforteinbußen bei
der Fahrbarkeit bzw. Laufruhe des Kraftfahrzeuges insbesondere
bei der Durchführung eines Mager-Fett-Wechsels möglich.
Erfindungsgemäß wird deshalb die Einstellung des letztendlich
die Desulfatisierung bewirkenden Mager-Fett-Wechselbetriebes
nach entsprechender Aufheizung erst dann durchgeführt, wenn
vorgegebene Desulfatisierungs-Freigabebedingungen erfüllt sind,
welche durch den Brennkraftmaschinenbetrieb bestimmt sind.
Diese Freigabebedingungen können z. B. an das Vorliegen eines
bestimmten Fahrzustandes oder an einen bestimmten Lastbereich
der Brennkraftmaschine geknüpft sein. Werden diese vom
Motorsteuergerät als gegeben erkannt, wird der Mager-Fett-
Wechselbetrieb durchgeführt. Somit wird in besonders
vorteilhafter Weise sowohl der Aufheizvorgang ökonomisch
genutzt, als auch die im allgemeinen schwierig zu realisierende
Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators zu einem
dafür günstigen Zeitpunkt durchgeführt. Insgesamt wird also die
Durchführung der Desulfatisierungen, insbesondere im Hinblick
auf den Brennkraftmaschinenbetrieb, verbessert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
Bei dem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren ist in den
Freigabebedingungen zur Durchführung der Desulfatisierung bzw.
des Mager-Fett-Wechselbetriebes die Bedingung einer von der
Brennkraftmaschine abgegebenen zeitlich konstanten mechanischen
Leistung enthalten. Durch Einhaltung dieser Bedingung wird
während der Desulfatisierung eine unerwünschte Einbuße des
Fahrkomforts sicher vermieden. Die Ermittlung der zeitlichen
Konstanz der von der Brennkraftmaschine abgegebenen
mechanischen Leistung kann dabei z. B. über die Detektierung der
Fahrpedalbewegung erfolgen. Die Desulfatisierungs-
Freigabebedingungen können ferner an weitere, den Fahrbetrieb
der Brennkraftmaschine beeinflussende Größen wie z. B. das
Vorliegen einer zeitlich konstanten Fahrgeschwindigkeit des
Kraftfahrzeugs oder das Vorliegen eines bestimmten
Motorlastbereichs geknüpft sein.
Bei dem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren wird der
Mager-Fett-Wechselbetrieb der Brennkraftmaschine durch
aufeinanderfolgende und sich abwechselnde Magerphasen und
Fettphasen realisiert, wobei die Magerphasen und die Fettphasen
eine Dauer von jeweils 3 Sekunden bis 20 Sekunden besitzen. Die
Anfettung in den Fettphasen erfolgt vorzugsweise auf einen
Lambdawert, d. h. auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis im Bereich
von 0,7 bis 0,99. Zur Minimierung der Schwefelwasserstoff-
Freisetzung ist es vorteilhaft, diesen Lambdawert während der
Fettphasen zu verändern. Vorzugsweise wird die Fettphase mit
starker Anfettung, z. B. mit einem Lambdawert von ca. 0,7
begonnen und diese Anfettung kontinuierlich oder in Stufen bis
auf einen Lambdawert von ca. 0,99 verringert. Im Verlaufe der
Desulfatisierung nimmt die Schwefelbeladung des Stickoxid-
Speicherkatalysators ab, und somit auch die Menge der
freigesetzten flüchtigen Schwefelverbindungen. Dem kann mit
Vorteil dadurch Rechnung getragen werden, dass der
Lambdaverlauf in den Fettphasen im Verlauf der Desulfatisierung
verändert wird. Besonders vorteilhaft ist eine im Verlaufe der
Desulfatisierung veränderliche, vorzugsweise abnehmende, Dauer
der Fettphasen bzw. ein veränderliches Verhältnis von
Fettphasendauer zu Magerphasendauer. Es hat sich erwiesen, dass
sich dadurch je nach Schwefelbeladung einerseits eine besonders
effiziente Desulfatisierung erreichen lässt, andererseits die
Freisetzung von Schwefelwasserstoff als unerwünschtem
Desulfatisierungsprodukt vermieden werden kann.
Gemäß Anspruch 4 wird die Aufheizung des Abgases auf die
Temperatur zur Partikelfilterregeneration und weiter auf die
Desulfatisierungs-Mindesttemperatur oder gegebenenfalls
darüber, durch einen mageren Brennkraftmaschinenbetrieb und
eine der Haupteinspritzung des Kraftstoffs folgende
Nacheinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der
Brennkraftmaschine vorgenommen. Durch die Nacheinspritzung kann
erreicht werden, dass das Abgas einen Restgehalt an
unverbranntem Kraftstoff enthält. Ist gleichzeitig ein
Sauerstoffüberschuss vorhanden, so findet bei diesen insgesamt
noch mageren Abgasbedingungen durch exotherme Oxidation des
unverbrannten Kraftstoffs eine Aufheizung des Abgases und der
vom Abgas durchströmten Bauteile statt. Über die vom
Motorsteuergerät entsprechend vorgenommene Einstellung der
nacheingespritzten Kraftstoffmenge kann die Stärke und die
Geschwindigkeit der Temperaturanhebung gesteuert werden. Die
durch exotherme Oxidation von unverbranntem Kraftstoff im
Stickoxid-Speicherkatalysator bewirkte Temperaturerhöhung kann
zusätzlich noch dadurch unterstützt werden, dass
Einspritzbedingungen für eine relativ späte Verbrennungslage
eingestellt werden, wodurch bereits eine motorseitige
Abgasaufheizung bewirkt wird. Durch entsprechende Steuerung der
Nacheinspritzung können auch insgesamt reduzierende
Abgasbedingungen geschaffen werden, was für die Realisierung
der Fettphasen bei der Desulfatisierung notwendig ist. Die
Schaffung eines reduzierenden Abgases mit erhöhter Temperatur
bei unverändertem abgegebenem Drehmoment und günstigem
Brennverlauf kann insbesondere durch eine mehrstufige
Einspritzung bzw. eine mehrstufige Verbrennung erreicht werden.
Hierzu wird die Einspritzung z. B. in Vor-, Haupt- und
Nacheinspritzung aufgeteilt. Auf diese Weise kann sowohl eine
Aufheizung der im Abgasstrang angeordneten
Abgasnachbehandlungskomponenten als auch ein Mager-Fett-
Wechselbetrieb erreicht werden.
Bei Durchführung der Desulfatisierung durch Einstellung des
Mager-Fett-Wechselbetriebes wird gemäß Anspruch 5 zumindest
während der Fettphasen die Schwefelbeladung des Stickoxid-
Speicherkatalysators heruntergezählt. Vorzugsweise erfolgt dies
im elektronischen Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine,
welches auch den Lambdawert des Fettbetriebes steuert. Somit
kann die im Abgas während der Fettphasen zur Verfügung
gestellte Reduktionsmittelmenge in einfacher Weise zur
Berechnung der reduktiv umgesetzten Sulfatschwefelmenge
verwendet werden. Erfindungsgemäß wird die Desulfatisierung
beendet, wenn die Schwefelbeladung durch die Desulfatisierung
einen vorgebbaren Mindestwert unterschritten hat oder wenn die
Desulfatisierungs-Freigabebedingungen nicht mehr vorliegen.
Ersteres ist typischerweise nach etwa zehnmaligem Mager-Fett-
Wechsel gegeben, letzteres kann z. B. dadurch eintreten, dass
entsprechend der Leistungsanforderung des Fahrers die von der
Brennkraftmaschine abgegebene mechanische Leistung verändert
wird.
Das Vorliegen eines ausreichend guten Desulfatisierungsgrades
kann gemäß Anspruch 6 auch dadurch festgestellt werden, dass
die eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicher-
Katalysators vorliegenden Abgas-Lambdawerte ermittelt und
verglichen werden. Unter dem Lambdawert ist hier wie üblich das
Luft-Kraftstoffverhältnis zu verstehen, mit dem die
Brennkraftmaschine betrieben werden müsste, um ein Abgas mit
entsprechenden Anteilen von reduzierenden Bestandteilen und
oxidierenden Bestandteilen zu liefern. Da durch die chemische
Reduktion des Sulfatschwefels während der Desulfatisierung im
Abgas vorhandenes Reduktionsmittel verbraucht wird, liegt
zumindest zu Beginn der Desulfatisierung eingangsseitig des
Stickoxid-Speicherkatalysators ein höherer
Reduktionsmittelgehalt im Abgas vor, als ausgangsseitig des
Stickoxid-Speicherkatalysators. Typischerweise gleichen sich
deshalb die Abgas-Lambdawerte eingangsseitig und ausgangsseitig
des Stickoxid-Speicherkatalysators im Verlaufe der
Desulfatisierung an. Erfindungsgemäß wird die Desulfatisierung
deshalb beendet, wenn die Desulfatisierungs-Freigabebedingungen
nicht mehr erfüllt sind oder wenn das Verhältnis λ1 : λ2 der
eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-
Speicherkatalysators gemessenen Abgas-Lambdawerte λ1 und λ2
einen vorgebbaren Wert zwischen 0,8 und 1,25 erreicht hat.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich nach Anspruch 7 dadurch, dass nach
Beendigung der Desulfatisierung die Regeneration des
Partikelfilters durchgeführt wird, wenn die Partikelbeladung
des Partikelfilters einen vorbestimmten Schwellenwert
überschritten hat. Durch diese Maßnahme wird in vorteilhafter
Weise die nach der Beendigung der Desulfatisierung noch
vorliegende erhöhte Temperatur ausgenutzt.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
Zeichnungen an einem konkreten Ausführungsbeispiel näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine
mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage,
Fig. 2 Ablaufdiagramme für den beispielhaften Ablauf des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 3 Ein weiteres Ablaufdiagramm für den beispielhaften
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit
zugehöriger Abgasreinigungsanlage und zugehöriger
Motorsteuerung. Hierbei sind nicht erfindungsrelevante Bauteile
wie Abgasturbolader, Kraftstoffversorgung, Einspritzventile und
dergleichen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit in die
Figur aufgenommen.
Entsprechend Fig. 1 wird das Abgas einer als Dieselmotor 1
ausgeführten Brennkraftmaschine einer Abgasleitung 2 zugeführt,
in welcher vorzugsweise motornah und nahe hintereinander ein
Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und ein Partikelfilter 4
angeordnet sind und vom Abgas durchströmt werden. Mit Hilfe von
Temperatursensoren 9 und 10 kann die Temperatur des Abgases
eingangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und
eingangsseitig des Partikelfilters 4 gemessen werden.
Lambdasensoren 5 und 6 dienen der Messung des Abgas-
Lambdawertes eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3. Eingangsseitig und ausgangsseitig des
Partikelfilters 4 sind außerdem Drucksensoren 7 und 8 in der
Abgasleitung untergebracht, welche der Messung des über dem
Partikelfilters vorhandenen Druckgefälles dienen. Die Sensoren
5, 6, 7, 8, 9, 10 sind über die Signalleitungen 11 mit dem
elektronischen Motorsteuergerät 12 verbunden, welches die
entsprechenden Signale auswertet. Das Motorsteuergerät 12 ist
ferner über eine Signalleitung 13, welche vorzugsweise für
bidirektionale Datenübertragung ausgelegt ist, mit dem
Dieselmotor 1 verbunden. Über diese Datenleitung werden
einerseits Informationen an das Motorsteuergerät 12 übertragen,
welche den Motorbetriebszustand charakterisieren wie z. B.
Informationen bezüglich Motorlast, Motordrehzahl,
Fahrgeschwindigkeit, Fahrpedalstellung und Fahrpedalbewegung.
Andererseits werden vom Motorsteuergerät 12 Signale an den
Motor bzw. an motorzugehörige Stellglieder übertragen, welche
den Motorbetrieb beeinflussen. Insbesondere sind dies Signale,
welche die Kraftstoffeinspritzung, die Frischluftzufuhr oder
die Abgasrückführrate beeinflussen. Das Motorsteuergerät 12
enthält ferner einen hier nicht gesondert eingezeichneten
Rechner zur Verarbeitung der empfangenen Signale bzw. zur
Ermittlung der auszugebenden Signale. Ein ebenfalls nicht mit
in die Zeichnung mit aufgenommener Speicher im Motorsteuergerät
12 dient z. B. zur Aufnahme von Kennfeldern. Aufgrund der
genannten Möglichkeiten kann der Zustand des Stickoxid-
Speicherkatalysators, des Partikelfilters sowie die Temperatur
und das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases ständig erfasst
bzw. ermittelt werden und entsprechend den vorliegenden
Fahrzuständen gegebenenfalls mit entsprechenden Maßnahmen zur
Regeneration des Partikelfilters 4 und des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 reagiert werden. Zur weiteren
Verbesserung der Zustandserfassung aller Bauteile und des
Abgases können selbstverständlich zusätzliche oder alternative
Sensoren vorgesehen sein, wie z. B. Sensoren zur Messung der
Stickoxidkonzentration oder der CO-Konzentration im Abgas.
Zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im Folgenden zunächst Bezug auf die in Fig. 2 abgebildeten
Ablaufdiagramme genommen. Das Ablaufdiagramm mit der
Bezeichnung A beschreibt eine im Motorsteuergerät 12 bei
Normalbetrieb des Dieselmotors 1 bzw. des Kraftfahrzeugs
ständig durchlaufene Abfrageschleife. Unter Normalbetrieb ist
hierbei zu verstehen, dass sich der Motor 1 außerhalb des
Betriebsbereichs geringer Teillast, wie er z. B. bei Leerlauf
oder bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit auftritt, befindet.
In der Abfrageschleife A wird ständig abgefragt, ob der
Schwefelgehalt 5 des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 einen
vorgebbaren Maximalwert Smax überschritten hat, bzw. ob die
Beladung C des Partikelfilters 4 einen ebenfalls vorgebbaren
Maximalwert Cmax überschritten hat. Die Größe des
Schwefelgehalts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wird
hierbei vom Motorsteuergerät 12 über ein z. B. auf dem
Kraftstoffverbrauch basierenden Modell oder aufgrund einer
festgestellten Verschlechterung der Stickoxidspeicherfähigkeit
des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 ermittelt. Hierzu kann
insbesondere auch der Verlauf der von den Lambdasensoren 5 und
6 während der Nitratregeneration abgegebenen Signale
ausgewertet werden.
Für die Ermittlung der Partikelfilterbeladung wird vom
Motorsteuergerät 12 vorzugsweise die von den Drucksensoren 7
und 8 gelieferte Information bezüglich des Druckabfalles über
dem Partikelfilter 4 ausgewertet und die Partikelfilterbeladung
ebenfalls durch im Motorsteuergerät 12 abgespeicherte Modelle
oder Kennfelder ermittelt. Die Ermittlung der
Partikelfilterbeladung anhand der Kraftfahrzeuglaufstrecke
unter Berücksichtigung der dabei aufgetretenen Fahrzustände ist
natürlich ebenfalls möglich.
Wird innerhalb des Ablaufdiagrammes A die Abfrage nach dem
Überschreiten der maximal zulässigen Schwefelbeladung Smax des
Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vom Motorsteuergerät 12 mit
"ja" beantwortet, so wird in die Routine C (s. Fig. 3)
verzweigt, deren Funktionen weiter unten beschrieben sind.
Wird innerhalb des Ablaufdiagrammes A die Abfrage nach dem
Überschreiten der maximal zulässigen Partikelfilterbeladung
Cmax vom Motorsteuergerät 12 mit "ja" beantwortet, so wird
durch Starten entsprechender Heizmaßnahmen das Abgas bzw. der
Partikelfilter 4 auf eine zur Durchführung der Partikelfilter-
Regeneration geeignete erhöhte Temperatur T,DPF-Regen.
aufgeheizt und in die Routine B verzweigt. Die Aufheizung
geschieht vorzugsweise durch Späteinspritzung oder
Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der
Brennkraftmaschine 1. Dieser nacheingespritzte Kraftstoff trägt
nicht oder nur zu einem kleinen Teil zur motorischen
Verbrennung bei, sondern wird vielmehr erst in der Abgasleitung
2, im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 oder in dem
Partikelfilter 4 von dem sauerstoffhaltigen Abgas oxidiert. Die
dabei frei werdende Reaktionswärme bewirkt die Aufheizung des
Abgases bzw. des Partikelfilters 4. Die Menge des
nacheingespritzten Kraftstoffes wird dabei vom Motorsteuergerät
12 so bemessen, dass eine Aufheizung auf eine Temperatur
oberhalb von 450°C, vorzugsweise von ca. 550°C, gemessen vor
dem Partikelfilter 4, erreicht wird.
In der Routine B ist beispielhaft der Verfahrensablauf zur
Durchführung der Partikelfilterregeneration aufgeführt. Hierzu
wird zunächst eine äußere Abfrageschleife gestartet. In dieser
erfolgt eine Abfrage, ob ein vorgebbarer Mindestwert Cmin für
die Beladung des Partikelfilters 4 überschritten wird. Die
Ermittlung der Partikelfilterbeladung wird dabei wie oben
beschrieben vom Motorsteuergerät durchgeführt. Wird die
Mindestbeladung Cmin nicht überschritten, so wird wieder in die
Routine A des Normalbetriebs zurückgehrt und die
Aufheizmaßnahmen werden beendet. Wird die Frage nach der
Überschreitung der Partikelfiltermindestbeladung Cmin mit "ja"
beantwortet, so wird zunächst ein Zeitzähler Z1 mit einem
vorgebbaren Wert belegt, welcher vorzugsweise aus der vom
Motorsteuergerät 12 ermittelten Beladung des Partikelfilters 4
abgeleitet wird. Anschließend wird in einer inneren
Abfrageschleife der Betriebsmodus "Partikelfilterregeneration"
eingestellt bzw. beibehalten. Dies bedeutet, dass durch
Fortführen der Heizmaßnahmen durch bedarfsgesteuerte
Nacheinspritzung die zur Partikelfilterregeneration notwendige
Temperatur aufrechterhalten wird. Hierbei wird der Zeitzähler
Z1 beim Durchlaufen der inneren Abfrageschleife laufend
dekrementiert, ebenso die Beladung des Partikelfilters. Bei der
Dekrementierung der Partikelfilterbeladung wird vorzugsweise
ein in der Motorsteuerung 12 abgelegtes Modell verwendet,
welches vorzugsweise die Temperaturabhängigkeit und die
Abgasdurchsatzabhängigkeit der Rußabbrandgeschwindigkeit
berücksichtigt. Die Dekrementierung der Partikelfilterbeladung
kann jedoch auch ebenso auf der Basis der Verminderung des
laufend gemessenen Druckabfalles über dem Partikelfilter 4
ermittelt werden. Das Durchlaufen der inneren Abfrageschleife
mit Dekrementierung der Partikelfilterbeladung und
Dekrementierung des Zeitzählers Z1 erfolgt solange, bis die
vorgegebene Regenerationszeit, welche durch die Abfragefrequenz
und die Größe des Zeitzählers Z1 bestimmt ist, abgelaufen ist.
Je nach Höhe der Partikelfilterbeladung mit der in die innere
Abfrageschleife eingetreten wurde, wird der Betriebsmodus
"Partikelfilterregeneration" auf diese Weise etwa 30 s bis etwa
3 min aufrechterhalten. Nach Ablauf der
Partikelfilterregenerationszeit wird daher die Abfrage "Z1 =
0?" mit "ja" beantwortet. Erfindungsgemäß erfolgt zu diesem
Zeitpunkt, also im Zusammenhang mit der Durchführung einer
Partikelfilterregeneration, die Abfrage nach dem Vorliegen
einer vorgebbaren Schwefelmindestbeladung Smin des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 (Abfrage S < Smin?). Wird diese Abfrage
mit "nein" beantwortet, so erfolgt erneut der Eintritt in den
Anfang der Routine B mit der Abfrage nach dem Vorliegen der
Partikelfiltermindestbeladung Cmin. Wird jedoch innerhalb der
Routine B zur Durchführung der Partikelfilterregeneration bei
der entsprechenden Abfrage von der Motorsteuerung 12 die
Überschreitung einer vorgebbaren Schwefelmindestbeladung Smin
festgestellt, so wird in die Ablaufroutine C verzweigt.
Beim Eintritt in die Ablaufroutine C (siehe Fig. 3) liegt eine
Anforderung für eine Desulfatisierung des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 vor und es werden Heizmaßnahmen zur
Aufheizung des Abgases bzw. des Speicherkatalysators 3 auf die
für die Durchführung der Desulfatisierung notwendigen
Mindesttemperatur T,Desulf,min getroffen. Diese
Desulfatisierungs-Mindesttemperatur liegt typischerweise über
550°C, bei üblichen Stickoxid-Speicherkatalysatoren 3
vorzugsweise bei etwa 600°C bis 650°C. Die entsprechenden
Heizmaßnahmen sind im wesentlichen dieselben, wie sie auch bei
der Aufheizung zur Durchführung der Partikelfilterregeneration
ergriffen werden (s. o.).
Erfolgt das Eintreten in die Ablaufroutine C ausgehend von der
Ablaufroutine B zur Partikelfilterregeneration, so zeigt sich
an dieser Stelle der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Da diesem Fall bereits eine erhöhte Abgastemperatur vorliegt,
ist für die weitere Aufheizung auf die zur Durchführung der
Desulfatisierung notwendigen Mindesttemperatur T,Desulf,min nur
mehr ein relativ geringer Energieeinsatz bzw. Kraftstoffeinsatz
notwendig, und die erforderliche Temperatur ist entsprechend
schnell erreicht. Erfindungsgemäß wird nun jedoch nicht sofort
die eigentliche Desulfatisierungsprozedur z. B. durch die
zeitweise Einstellung reduzierender Abgasbedingungen gestartet.
Vielmehr wird durch Setzen eines Zeitzählers Z2 ein gewisser
Wartezustand eingestellt. In diesem Wartezustand werden
einerseits die Heizmassnahmen in dem Maße fortgeführt, wie sie
zur Aufrechterhaltung der Desulfatisierungs-Mindesttemperatur
T,Desulf,min notwendig sind. Andererseits wird eine
Abfrageschleife durchlaufen, in der der Zeitzähler Z2
dekrementiert wird und in der erfindungsgemäß ständig abgefragt
wird, ob bestimmte Freigabebedingungen erfüllt sind. (Abfrage:
Freigabe?). Vorzugsweise wird nach dem zu den
Freigabebedingungen gehörendem Kriterium einer abgegebenen
zeitlich konstanten mechanischen Motorleistung gefragt. Die
Aufnahme weiterer Kriterien wie z. B. das einer konstanten
Fahrzeuggeschwindigkeit zu den abgefragten Freigabebedingungen
ist natürlich ebenfalls möglich. Durch diese erfindungsgemäße
Abfrage von vorgebbaren, durch den Motorbetrieb bestimmten
Freigabebedingungen, wird auf vorteilhafte Weise
sichergestellt, dass die Desulfatisisierung erst dann
durchgeführt wird, wenn sie hinsichtlich des Motorbetriebes und
der Fahrbarkeit bzw. des Fahrkomforts keine nicht tolerierbaren
Nachteile mit sich bringt.
Durch laufende Dekrementierung und Abfrage (Z = 0?) des
Zeitzählers Z2 in der Warteschleife wird vermieden, dass bei
fehlenden Freigabebedingungen die verbrauchsintensiven
Heizmaßnahmen unangemessen lange aufrechterhalten bleiben. In
diesem Fall wird die Routine C verlassen und es wird in die
Routine B verzweigt. Vorzugsweise wird die maximale Wartezeit
in der Abfrageschleife durch das bedarfsgerechte Setzen des
Zeitzählers Z2 begrenzt. D. h. einer größeren Dringlichkeit der
Desulfatisierung wird dadurch Rechnung getragen, dass der
Zeitzähler Z2 eingangs der Routine C auf einen relativ großen
Wert gesetzt wird. Ist bei Eintritt in die Routine C jedoch nur
eine geringe Schwefelbeladung des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 vorhanden, so wird der Zeitzähler Z2 nur
auf einen relativ kleinen Wert gesetzt. Typisch sind hier Werte
für den Zeitzähler, welche die maximale Wartezeit in der
Abfrageschleife auf etwa 2 min bis etwa 10 min begrenzen. Wird
innerhalb dieser Wartezeit die Abfrage nach dem Vorliegen der
Freigabebedingungen mit "ja" beantwortet, so wird sofort in den
eigentlichen Desulfatisierungsmodus übergegangen. Dieser ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass vom
Motorsteuergerät 12 ein Mager-Fett-Wechselbetrieb des Motors 1
durch aufeinanderfolgende und sich abwechselnde Magerphasen und
Fettphasen realisiert wird, wobei die Magerphasen und die
Fettphasen eine Dauer von jeweils etwa 3 Sekunden bis etwa 20
Sekunden besitzen. Insbesondere in den Fettphasen wird der in
Form von Sulfaten im Stickoxid-Speicherkatalysator 3
eingelagerte Schwefel reduziert und gasförmig mit dem
Abgasstrom ausgetragen. Dies wird durch die rechnerische
Dekrementierung des in der Motorsteuerung 12 abgespeicherten
Wertes für die Schwefelbeladung berücksichtigt.
In den Fettphasen kann, insbesondere bei zu starker oder zu
langer Anfettung, eine Reduktion des Schwefels zum
Schwefelwasserstoff erfolgen, was aus Geruchsgründen natürlich
unerwünscht ist. Diesem Nachteil kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren dadurch begegnet werden, dass je nach der vom
Motorsteuergerät 12 ermittelten Schwefelbeladung des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3, die Dauer der Fettphase und/oder die
Stärke der Anfettung entsprechend angepasst wird. Während der
Desulfatisierung wird in einer Abfrageschleife laufend weiter
das Vorliegen der Freigabebedingungen bzw. das Überschreiten
des Mindestschwefelgehalts Smin im Stickoxid-
Speicherkatalysator 3 abgefragt. Solange beide Abfragen mit
"ja" beantwortet werden, wird der Mager-Fett-Wechselbetrieb der
Brennkraftmaschine beibehalten und die Desulfatisierung
weitergeführt.
Bei Wegfall der Freigabebedingungen wird zurück in die
Abfrageschleife des Wartezustands gesprungen, und der Zähler Z2
ausgehend vom letzten Zählerstand weiter dekrementiert.
Da während der eventuell auftretenden Wartezeit bis zum
Vorliegen der Freigabebedingungen bzw. während des Mager-Fett-
Wechselbetriebes auch ein gewisser Rußabbrand am Partikelfilter
4 stattfindet, und somit auch die Partikelfilterbeladung
abnimmt, wird bei Unterschreiten des Mindestschwefelgehalts
Smin nicht in die Routine B zur Partikelfilterregeneration
verzweigt. Es werden vielmehr die Heizmaßnahmen beendet und die
Hauptroutine A gesprungen.
Das Unterschreiten des Mindestschwefelgehalts Smin wird
vorzugsweise durch modellbasierte Dekrementierung im
Motorsteuergerät 12 bewerkstelligt. Hierbei ist das im
Motorsteuergerät abgelegte Berechnungsmodell vorzugsweise so
ausgelegt, dass die Stärke der Dekrementierung des
Schwefelgehalts in Abhängigkeit von der Dauer und der Stärke
der Anfettung vorgenommen wird. Typischerweise erfolgt ein etwa
zehnmaliger Mager-Fett-Wechsel.
Eine weitere vorteilhafte Methode zur Ermittlung einer
ausreichenden Desulfatisierung beruht auf dem Vergleich der
eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 mit Hilfe der Lambdasensoren 5 und 6
gemessenen Abgas-Lambdawerte. Da bei der Desulfatisierung durch
die chemische Reduktion des Sulfatschwefels Reduktionsmittel
verbraucht wird, ist, solange dies der Fall ist, der
ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vorliegende
Abgas-Lambdawert höher als der eingangsseitig vorliegende
Abgas-Lambda-Wert. Mit zunehmender Desulfatisierung wird der
Reduktionsmittelverbrauch geringer, weshalb sich die
eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3 gemessenen Abgas-Lambdawerte annähern.
Ein besonders wichtiges Indiz für die Vollständigkeit der
Desulfatisierung ist die Fähigkeit des Stickoxid-
Speicherkatalysators 3, die Wassergas-Reaktion katalysieren zu
können. Bei dieser Reaktion wird bei reduzierenden Bedingungen
Kohlenmonoxid und Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff
umgesetzt. Die durch diese Reaktion hervorgerufene Anreicherung
des Abgases mit Wasserstoff wirkt sich auf das Signal der
Lambdasonde 6 ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators
3 durch ein Absinken des gemessenen Abgas-Lambdawertes aus.
Durch den Vergleich der eingangsseitig und ausgangsseitig des
Stickoxid-Speicherkatalysators 3 mit Hilfe der Lambdasensoren 5
und 6 gemessenen Abgas-Lambdawerte kann demnach in
vorteilhafter Weise das Fortschreiten der Desulfatisierung
beurteilt werden. Bei laufender Desulfatisierung wird deshalb
die Abfrage nach der Unterschreitung der
Schwefelmindestbeladung Smin mit "ja" beantwortet, wenn das
Verhältnis λ1 : λ2 der eingangsseitig und ausgangsseitig des
Stickoxid-Speicherkatalysators 3 gemessenen Abgas-Lambdawerte
λ1 und λ2 einen vorgebbaren Wert zwischen 0,8 und 1,25 erreicht
hat. Der maßgebliche Wert hängt in erster Linie von der Art des
Katalysators bzw. von der Art der verwendeten Lambdasonden 5, 6
ab.