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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb von Abgasreinigungsvorrichtungen mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
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Da die heute üblichen Brennkraftmaschinen aufgrund relativ hoher Rohemissionen von Schadstoffen oder anderen unerwünschten Abgaskomponenten eine Abgasnachbehandlung erfordern, werden Abgasreinigungsvorrichtungen, insbesondere Katalysatoreinrichtungen zusammen mit geeigneten Sensoren in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordnet. Für eine differenzierte Erfassung der Schadstoffemissionen ist es dabei bekannt, die Emissionswerte verschiedener Abgaskomponenten separat zu ermitteln. Ferner ist in diesem Zusammenhang aus der
US PS-5,329,764 ein Motorkontrollsystem zur Optimierung der Konversionseffizienz einer In der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysatoreinrichtung bekannt, die einen Stickoxyd(NOX)-Sensor und einen KohlenmoNOxyd(CO)- und Kohlenwasserstoff(HC)-Sensor aufweist. Beide Sensoren sind stromabwärts der Katalysatoreinrichtung angeordnet. Aus den Signalen beider Sensoren wird ein Differenzsignal gebildet, welches als Feedback-Variable einer Kraftstoffregelvorrichtung zugeführt wird, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis einzustellen. das Differenzsignal dient dabei als Korrektursignal für die Einstellung des Lambdawertes des Abgases, um eine maximale Konversionseffizienz der Katalysatoreinrichtung zu erreichen. Die mit diesem bekannten System zu erreichende Optimierung des Emissionsverhaltens ist jedoch beschränkt auf einen Bereich um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis, wobei auch dort aufgrund des Einflusses weiterer Größen wie Lecks in der Abgasanlage nur eine ungenaue Korrektur möglich ist.
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Aus der
DE 195 11 548 A1 ist ferner ein Verfahren zur Stickstoffreduzierung im Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem der Gehalt des Abgases an Kohlenwasserstoffen, KohlenmoNOxyd oder Stickoxyd stromabwärts eines Stickoxydspeichers gemessen wird, und wobei jeweils von einer stöchiometrischen oder Anreicherungsbetriebsphase auf eine Magerbetriebsphase umgeschaltet wird, sobald der Kohlenwasserstoff- oder KohlenmoNOxydgehalt über ein vorgegebenes Maß ansteigt oder sobald der Stickoxydgehalt unter ein vorgegebenes Maß absinkt. Von einer Magerbetriebsphase wird auf eine stochiometrische oder Anreicherungsbetriebsphase umgeschaltet, sobald der gemessene Stickoxydgehalt über ein vorgegebenes Maß ansteigt.
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Aus der
DE 195 432 19 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors bekannt mit einem in der Abgasleitung angeordneten Speicherkatalysator, in dem Stickoxyde absorbierbar, desorbierbar und reduzierbar sind, und mit einem stromab des Speicherkatalysators angeordneten Sensor zur Erfassung der NOX-Konzentration im Abgasstrom. Mittels dieses Sensors kann bei Erreichen eines in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last variierenden NOx-Speicherschwellwertes von einem Betrieb mit einem Lambda-Wert > 1 auf einen Betrieb mit einem Lambda-Wert < 1 umgeschaltet werden. Die Steuerung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei Lambda < 1 erfolgt über einen HC-Sensor. Über diesen Sensor kann die Vollständigkeit der Regeneration im Betrieb bei Lambda < 1 erkannt werden, da die HC-Emissionen im Fettbetrieb stark ansteigen, sobald die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators abgeschlossen ist. Ferner wird in diesem Dokument auch ein strukturiertes Katalysatorsystem mit einem motornahen NOx-Speicherkatalysator und einem Unterbodenkatalysator beschrieben, bei dem mit einer NOX- und abgastemperaturgeführten HC-Dosierstrategie das Temperaturfenster beider Katalysatoren angepaßt wird und so die Absorption, Desorption und Reduktion von NOX im Katalysatorsystem geführt und beeinflusst werden kann. Im wirksamen Temperaturfenster des NOx-Speicherkatalysators wird HC entsprechend der anfallenden NOX-Menge nachgespritzt. Zu Beginn des zur Desorption und Reduktion wirksamen Temperaturfensters wird die HC-Nacheinspritzung gezielt zur Erhöhung der Temperatur und Veränderung der Abgaszusammensetzung genutzt.
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Aus den
EP 0899563 ,
WO 79/47962 ,
EP 090941 und
DE 198 31 424 sind ferner Sensoren zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen von Abgasen, insbesondere zur Bestimmung eines oder mehrerer der Gase NOX, CO, H2 und vorzugsweise ungesättigter Kohlenwasserstoffe, bekannt. Diese Sensoren werden zur Optimierung von Verbrennungsreaktionen und zur Erkennung von Komponenten-Fehlfunktionen eingesetzt. Im Unterschied zu anderen bekannten Sensortypen, insbesondere der sog. Lambdasonden, zur Bestimmung des Luftwertes auf der Basis des Nernsteffektes, ermöglichen sie die Bestimmung der absoluten Werte von Komponenten des Abgases.
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Ferner ist aus der
DE 42 35 225 A1 die Verwendung von Infrarotsensoren bekannt, die CO-, CO2-, NOx- und HC-Abgasanteile simultan erfassen und dadurch die Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators ermöglichen.
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Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Optimierung des Betriebs einer Abgasreinigungsvorrichtung im Hinblick auf die Emissionssicherheit und die Effizienz, insbesondere bezüglich Lebensdauer der Abgasreinigungsvorrichtung und Verbrauch an Kraftstoff, zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
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Da das Verhalten der Abgasreinigungsvorrichtung für die Abgaskomponenten NOx, CO, HC, NH, SO2, H2S und COS in unterschiedlicher Weise von der Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung abhängig ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlich effizienteren Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung. Dabei wird die Betriebstemperatur im Bereich einer Light-Off-Phase der Abgasreinigungsvorrichtung variiert, womit eine Optimierung des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung unter Berücksichtigung von dieser Phase besonders unterschiedlichen Konvertierungsraten für verschiedene Abgaskomponenten möglich ist.
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Die Abgasreinigungsvorrichtung weist zumindest einen als 3-Wegekatalysator ausgebildeten Vorkatalysator auf. Es erfolgt eine Messung der Emissionswerte stromab des Vorkatalysators und gegebenenfalls stromaufwärts eines nachgeschalteten zweiten Katalysators, vorzugsweise eines NOx-Speicherkatalysators, wobei der Lambda-Wert des in den Vorkatalysator einströmenden Abgases auf einen vorgegebenen Wert gesteuert oder geregelt wird. Ausgehend von einem Lambda-Wert > 1 bei einem Vergleichsergebnis, weiches einem Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte der Emissionswerte entspricht, wird das Abgas auf einen niedrigeren Lambda-Wert, vorzugsweise Lambda = 1, zurückgeführt. Da in der Light-Off-Phase die Konvertierungsrate bei einem gegebenen Wert der Betriebstemperatur stark Lambda-Wert-abhängig ist, kann hiermit das Emissionsspektrum besonders stark beeinflusst werden.
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Eine größere Genauigkeit bei der Ausführung der Verfahren wird erreicht, wenn zur Messung der Konzentration der Abgaskomponenten optische Sensoren, insbesondere Infrarotsensoren, bevorzugt Infrarot-Reflektions-Spektroskopiesensoren verwendet werden. Damit wird die Messung von absoluten Konzentrationen der Schadstoffkomponenten ermöglicht. Die gegebenenfalls vorgenommene Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas bezieht sich dann auf den tatsächlichen Sauerstoffgehalt und nicht auf die bekannte Messung des Sauerstoffüberschusses durch sauerstoffsensitive Meßeinrichtungen.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Verwendung von Zeichnungen am Beispiel eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben.
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In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
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1: eine Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten Abgasanlage.
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2: ein Diagramm der Konvertierungsrate eines 3-Wege-Katalysators für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur.
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3: ein Diagramm der Konvertierungsrate eines 3-Wege-Katalysators für Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Katalysators, jeweils für einen frischen und für einen gealterten Katalysator für jeweils zwei verschiedene Lambdawerte.
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4–6: zeitliche Verläufe des Lambdawerts für einen NOx-Speicherkatalysator mit Regenerations- und Speicherphasen.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, beispielsweise ein mager-lauffähiger Ottomotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Abgasanlage 2 und einem Motorsteuergerät 3, vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Anzahl von Zylinderbänken 4 auf (entsprechende Komponenten sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener Abgaspfad 5 nachgeschaltet ist. In der Abgasanlage 2 ist zur Konvertierung von schädlichen oder unerwünschten Komponenten des Abgases in andere Komponenten eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Vorkatalysator 6 und einem Hauptkatalysator 7 angeordnet. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator 6 als 3-Wege-Katalysator und der Hauptkatalysator 7 als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet. Stromabwärts der Zylinderbänke 4 sind in den Abgaspfaden 5 Sensoren 8 angeordnet, mit denen die Konzentrationen von Abgaskomponenten des durch die Abgasanlage 2 geführten Abgases der Brennkraftmaschine 1 gemessen werden können. Beispielsweise können das HC, NOx, CO, CO2, H2O, NH3, CH4, O2, H2 oder ein Schwefelschadstoffs sein. Stromaufwärts des Vorkatalysators 6 ist zudem ein weiterer Sensor 8' zur Messung von Abgaskomponenten des Abgases angeordnet. In einem Bereich der Abgasanlage 2 zwischen dem Vorkatalysator 6 und dem Hauptkatalysator 7, stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7, ist ein weiterer Sensor 9 zur Ermittlung der Konzentration von Schadstoffen im Abgas angeordnet. Ein weiterer Sensor 10 ist stromabwärts des Hauptkatalysators 7 in der Abgasanlage 2 angeordnet. Es versteht sich von selbst, dass bei einer Abgasreinigungsvorrichtung mit mehreren Teilen, Sensoren stromauf oder stromab der jeweiligen Teile angeordnet sein können.
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Bei den Sensoren 8, 5, 9 und 10, die in der 1 nur schematisch dargestellt sind, kann es sich um Mehrkomponenten-Sensoren handeln, die jeweils in der Lage sind, mehr als eine Abgaskomponente im Abgas zu sensorieren, oder um mehrere in der Zeichnung zur Vereinfachung zusammengefasste Sensoren, die jeweils verschiedene Abgaskomponenten separat messen.
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Bevorzugt werden optische Mehrkomponenten-Sensoren, vorzugsweise Infrarot-Reflexions-Spektroskopiesensoren, für die Sensoren 8, 8', 9 und/oder 10 eingesetzt, die mittels eines an sich bekannten spektrografischen Verfahrens die absolute Konzentration von Abgaskomponenten im Abgas bestimmen können. Derartige Sensoren arbeiten extrem schnell, mit Messzeiten << als 500 Mikrosekunden. Die kurzen Messzeiten ermöglichen Messintervalle von beispielsweise 200 Mikrosekunden. Ferner weisen derartige Sensoren eine ausreichend hohe physikalische und chemische Stabilität, insbesondere was die Parameter Temperatur, Verschmutzung und chemische Reaktionen im Abgas angeht, auf. Neben optischen Sensoren kommen jedoch auch elektro-chemische Sensoren, beispielsweise auf Zirkon-Oxydbasis mit mehr als einer Sauerstoffpumpe, in Betracht. Vorzugsweise ermöglichen die eingesetzten Sensoren neben der Messung der Konzentration von Abgaskomponenten auch die Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses Lambda.
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Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren sind stromaufwärts des Vorkatalysators 6 und stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 Lambda-Sonden 11 bzw. 12 sowie zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtungen Temperatursensoren 13, 13' vorgesehen. Es versteht sich von selbst, dass alternativ oder zusätzlich weitere Temperatursensoren zur Messung der Betriebestemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung oder von Teilen dieser vorgesehen sein können. Zur Abgasrückführung weist die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführeinrichtung 14 mit einem steuerbaren Ventil 15 auf.
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Das Motorsteuergerät 3 erfasst in an sich bekannter Weise über nicht dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 1, wie beispielsweise Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt von Vor-/Haupt-/Nacheinspritzungen, Einspritzdruck, Tumble-Klappenstellung, Ladedruck, Phasensteller der Nockenwelle, Drehzahl, Fahrpedalstellung, Last, Fahrgeschwindigkeit und dergleichen, und kann diese über (nicht dargestellte) Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei zur Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät 3 und den Sensoren bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem 14 oder dergleichen vorgesehen ist.
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Insbesondere umfasst das Motorsteuergerät 3 eine Lambda-Regeleinrichtung zur Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. des Lambda-Werts. Über den Lambda-Wert kann auch auf die Rohemission von Abgaskomponenten, insbesondere HC, CO und NOX Einfluss genommen werden.
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Ferner hängt die Gesamtemission von Schadstoffen entscheidend vom Lambda-Wert ab, insbesondere, da die Reinigungseffezienz, insbesondere die Konvertierungsfunktionen von Abgasreinigungseinrichungen, insbesondere von Katalysatoreinrichtungen Lambda-Wert-abhängig sind. Ein NOx-Speicherkatalysator 7 wird üblicherweise in einem Speicherzyklus betrieben, der zumindest einen üblicherweise langsamen Absorptionsmodus und einen schnelleren Regenerationsmodus umfaßt. Die absorptive Speicherung erfolgt aber bei einem Lambda-Wert > 1, die Ausspeicherung zu einem späteren Zeitpunkt bei einem Lambda-Wert < 1 oder = 1. Derartige Speicherkatalysatoren werden daher vorwiegend bei magerlauffähigen Motoren eingesetzt. Im Unterschied zu derartigen Speicherkatalysatoren werden 3-Wege-Katalysatoren möglichst bei genauer Einhaltung eines Lambda-Werts = 1 betrieben. Sie werden dementsprechend überwiegend bei konventionellen Ottomotoren eingesetzt oder als Vorkatalysator während einer Warmlaufphase, bevor ein NOx-Speicherkatalysator die für die Speicherung von NOX notwendige Temperatur erreicht hat, bei mager-lauffähigen Ottomotoren. Da diese Brennkraftmaschinen mit einem Luftüberschuss, das heißt einem Lambda-Wert > 1 betreibbar sind, können zur Verminderung der NOX-Emission zwar NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden, jedoch sind zur Speicherentladung und zur NOX-Umsetzung bei einem Lambda-Wert < 1 besondere Maßnahmen wie eine erhöhte Abgasrückführung oder die Einspritzung von Kraftstoff in die Abgasanlage erforderlich.
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Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ist es wegen der auftretenden Partikelemissionen zweckmäßig die Abgasreinigungsvorrichtung zusätzlich um einen Partikelfilter, eine kontinuierlich reduzierendes Partikelminderungsvorrichtung oder einen Partikelkatalysator zu erweitern, was jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Konvertierungsrate eines 3-Wege-Katalysators für CO-HC-Emision in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Katalysators.
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Wie zu erkennen ist, überschreitet die Konvertierungsrate erst ab einer minimalen Temperatur, der sogenannten „Light-off-Temperatur”, einen Wert von 50%. Ferner ist in der 2 zu erkennen, dass die Light-off-Temperatur des Katalysators für die verschiedenen Abgaskomponenten unterschiedlich Ist, woraus ein für die verschiedenen Abgaskomponenten unterschiedliches temperaturabhängiges Emissionsspektrum stromabwärts des Katalysators resultiert. Bei dem in 2 dargestellten Szenario ist die Light-off-Temperatur TCO für die Abgaskomponente CO geringer als die Light-off-Temperatur THC für die Abgaskomponente HC.
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3 zeigt die HC-Konvertierungsrate eines 3-Wege-Katalysators im frischen und gealterten Zustand für unterschiedliche Lambdawerte Lambda = 1 und Lambda = 1,05. Es ist zu erkennen, dass die Light-off-Temperatur für einen gealterten Katalysator höher liegt, als für einen frischen. Ferner ist zu erkennen, dass für ein Lambda = 1,05 die Light-off-Temperatur niedriger liegt als für ein Lambda = 1. Letzteres resultiert daraus, dass durch den höheren O2-Anteil im mageren Abgas bei Lambda = 1,05 die HC-Oxydation erleichtert wird. Die Erhöhung der Light-off-Temperatur bei einem gealterten Katalysator ist das Ergebnis einer Desaktivierung der aktiven Edelmetalle im Katalysator, zum Beispiel durch Oxidbildung. Ferner führt die Alterung zu einer maximalen Konvertierungsrate von weniger als 100%, beispielsweise zu einer um 10% verringerten Konvertierungsrate. Die in der Zeichnung angegebenen Temperaturverschiebungen von 30 K bzw. 70 K sind typische Werte, die jedoch im Einzelfall von den hier angegebenen Werten abweichen können.
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Das Speicher- und Regenerationsverhalten von NOx-Speicherkatalysatoren ist ebenfalls temperaturabhängig. Eine Einlagerung von NOX findet in magerer Umgebung in einem Temperaturbereich von ca. 250 bis 500°C statt. In unterstöchiometrischer Atmosphäre erfolgen die NOx-Freisetzung und die Reduktion von NOX zu N2. Oberhalb einer Temperatur von ca. 250°C findet im mageren oder stöchiometrischen Abgas eine Oxydation von HC statt.
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Erfindungsgemäß werden die Emissionswerte beispielsweise der Abgaskomponenten HC und CO des Abgases stromab der Katalysatoreinrichtung gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird die Betriebstemperatur der Katalysatoren 6 bzw. 7 zur Optimierung der Konvertierungsrate variiert. Die vorgegebenen Sollwerte für die Emissionswerte bilden Kennfelder, die das Konvertierungsverhalten des NOx-Speicherkatalysators modellieren. Die Kennfelder werden vorzugsweise in Abhängigkeit von Parametern wie der Katalysatorbetriebstemperatur und/oder dem Lambdawert des in dem NOx-Speicherkatalysator einströmenden Abgases gewählt. Insbesondere kann in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis die Betriebstemperatur der Katalysatoren 6 bzw. 7 auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden. Die Betriebstemperatur der Katalysatoren 6, 7 kann, insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters solange erhöht werden, bis das Vergleichsergebnis einem Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte der Emissionswerte von zumindest einer Abgaskomponente entspricht. Hiermit kann insbesondere das Light-off-Verhalten der Katalysatoreinrichtung verbessert werden.
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Die Variation der Betriebstemperatur der Katalysator-Einrichtung wird in an sich bekannter Weise durch eine Veränderung des Werts einer Drosselklappenstellung, einer Abgasrückführrate oder durch zusätzlich zugeführte Kraftstoffmengen beeinflusst.
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Wenn wie in 1, die Katalysatoreinrichtung einen Vorkatalysator 6, vorzugsweise einen 3-Wege-Katalysator sowie einen NOx-Speicherkatalysator 7 aufweist, kann eine Messung der Emissionswerte stromabwärts zumindest des Vorkatalysators 6 und/oder des NOx-Speicherkatalysator 7 erfolgen.
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Ferner können, falls die Abgasreinigungsvorrichtung aus einem Vorkatalysator und einem NOx-Speicherkatalysator besteht, die Betriebstemperaturen von Vorkatalysator und NOx-Speicherkatalysator separat variiert werden.
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Das in den Vorkatalysator einströmende Abgas wird, ausgehend von einem Lambda > 1 Wert auf einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise Lambda = 1, zurückgeführt, wenn dass Vergleichsergebnis einem Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte der Emissionswerte stromab des 3-Wege-Katalysators entspricht.
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Es kann auch eine Katalysatorschädigung aus dem temperaturabhänigen Konvertierungsverhalten der Katalysatoreinrichtung ermittelt werden. Dabei wird die Betriebstemperatur des Vorkatalysators ermittelt und die Emissionswerte von zumindest einer der Abgaskomponenten CO, CO2, H2O, NH3, CH4, H2 oder zumindest zwei, optimal zumindest drei der Abgaskomponenten HO, NOx, CO, CO2, H2O, NH3, CH4, O2, H2 oder eines Schwefelschadstoffs stromab des Vorkatalysators gemessen und mit vom Wert der Betriebstemperatur abhängigen Sollwerten verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis werden Rückschlüsse auf eine Katalysatorschädigung gezogen. Vorzugsweise erfolgt dies in einem Temperaturfenster in einem Temperaturbereich zwischen 200 und 600°C, insbesondere 250 bis 400°C.
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Im Allgemeinen ist bei einem gealterten Vorkatalysator die Light-off-Temperatur höher als bei einem frischen. Insbesondere muss ein gealterter Vorkatalysator über einen längeren Zeitraum aufgeheizt werden als ein frischer Katalysator, um ihn in den Light-off-Temperaturbereich zu treiben. Daher wird insbesondere das Light-off-Verhalten eines Vorkatalysators zur Diagnose seiner möglichen Schädigung ausgewertet.
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Es können ferner die Emissionswerte von mindestens einer Abgaskomponente NOx, CO, HC NH3, SO2, H2S, COS, CH4, H2, O2, CO2, H2O stromaufwärts des Vorkatalysators gemessen und mit den gemessenen Emissionswerten stromab des Vorkatalysators verglichen werden. Hieraus kann eine Konvertierungsrate des Vorkatalysators ermittelt und mit von dem Wert der Betriebstemperatur des Vorkatalysators abhängigen Konvertierungssollwerten verglichen werden. Aus dem Vergleichsergebnis wird der Grad einer gegebenenfalls vorliegenden Katalysator-Schädigung ermittelt.
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Wie bereits erwähnt wurde, verändert sich die Light-off-Temperatur in Abhängigkeit vom Alterungsprozess des Katalysators. Daher kann aus der ermittelten Ligt-off-Temperatur im Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert die Katalysatorschädigung bestimmt werden. Der Sollwert der Light-off-Temperatur wird bevorzugt aus der Light-off-Temperatur einer noch nicht gebrauchten Katalysator-Einrichtung bestimmt, wobei eine individuelle Kalibrierung möglich ist, die Exemplarstreuungen berücksichtigt. Da die Light-off-Temperatur im Allgemeinen lambdawertabhängig ist, werden die vorgegebenen Sollwerte nicht nur vom Wert der Betriebstemperatur der Katalysator-Einrichtung, sondern auch vom Lambda-Wert des Abgases abhängig gewählt.
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Bei einer ermittelten Katalysator-Schädigung kann über das Motorsteuergerät 3 eine Anzeigeeinrichtung aktiviert werden und/oder es wird eine Störungsmeldung in einem Datenspeicher abgelegt.
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Die Auswertung der Emissionswerte von mindestens einer der Abgaskomponenten CO, CO2, H2O, NH3, CH4, H2 oder zumindest zwei, optimal zumindest drei der Abgaskomponenten HC, NOx, CO, CO2, H2O, NH3, CH4, O2, H2 oder eines Schwefelschadstoffs stromabwärts eines NOx-Speicherkatalysators erlaubt eine effizientere und eine höhere Emissionssicherheit aufweisende Regenerationssteuuerung. Es können daher die Emissionswerte von zumindest einer der Abgaskomponenten CO, CO2, H2O, NH3, CH4, H2 oder zumindest zwei, optimal zumindest drei der Abgaskomponenten HC, NOx, CO, CO2, H2O, NH3, CH4, O2, H2 oder eines Schwefelschadstoffs des Sensors 10 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 7 gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden. Während der Regenerationsphase werden NOx-Speicherkatalysatoren überwiegend mit einen Regenerations-Lambdawert < 1, höchstens aber mit einem Lambdawert = 1,05 betrieben. Da der Kraftstoffanteil bei Lambda < 1 den Sauerstoffanteil überwiegt, werden in größerem Umfang Reduktionsmittel gebildet, die zur Reduktion der eingelagerten Stickoxyde dienen. Die Hauptregenerationskomponente ist für diese Lambdawerte CO. Erfindungsgemäß wird der Regenerations-Lambdawert des Abgases während der Regenerationsphase in Abhängigkeit von den gemessenen Emissionen von zumindest einer Abgaskomponente festgelegt.
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Die vorgegebenen Sollwerte für die Emissionswerte bilden Kennfelder, die das Regenerationsverhalten des NOx-Speicherkatalysators modellieren. Die Kennfelder werden vorzugsweise in Abhängigkeit von Parametern wie der Katalysatorbetriebstemperatur und/oder dem Lambdawert des in dem NOx-Speicherkatalysator einströmenden Abgases gewählt. Aus dem Vergleich der gemessenen Emissionswerte der Abgaskomponenten mit den Sollwerten wird ein Regenerationslambda bestimmt.
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Unterschreiten die gemessenen Emissionswerte vorgegebene Schwellwerte, kann erfindungsgemäß das Regenerationslambda während einer Regenerationsphase verringert werden, um damit eine insgesamt kürzere Regenerationszeit zu erreichen.
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Ferner werden die Emissionswerte der Hauptreduktionskomponenten CO und HC gemessen und ausgewertet. Bei den HC-Komponenten kann auch eine differenzierte Messung von Komponenten wie CH4 vorgenommen werden. Ferner können die Emissionswerte von Schwefel-Abgaskomponenten und/oder NH3 mit entsprechenden Kennfeldgrößen verglichen werden. Zusätzlich können ferner NOX-Emissionswerte bei der Festlegung des Lambdawerts in der Regenerationsphase berücksichtigt werden.
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Durch eine Erhöhung des Lambdawerts können während der Regenerationsphase die CO, HC, NH3 sowie Schwefel-Abgaskomponenten durch Oxydation vermindert werden. Insbesondere kann die Regenerationsphase in Abhängigkeit von einem Zeitpunkt, zu dem ein Durchbruch eines oder mehrerer der erwähnten Abgaskomponenten auftritt, beendet werden. Als Durchbruch wird in diesem Zusammenhang das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes bezeichnet. Ferner kann ausgehend von dem Beginn einer Regenerationsphase der Zeitpunkt detektiert werden, bei der ein Durchbruch einer oder mehrerer der Abgaskomponenten auftritt. Das entsprechende Zeitintervall wird gespeichert. Erfolgt in einer späteren Regenerationsphase ein Durchbruch zu einem früheren Zeitpunkt, so kann der Regenerations-Lambdawert während zumindest einer folgenden Regenerationsphase um einen vorgegebenen Betrag erhöht werden.
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4 veranschaulicht für zwei Szenarien den zeitlichen Verlauf eines Regenerationslambdas in einem Regenerationszeitintervall zwischen T1 und T2. Ausgehend von einem niedrigeren Wert und des Regenerationslambdas bei T1 wird für den Fall A der Lambdawert bis zu dem Zeitpunkt T2, dem Ende der Regenerationsphase erhöht. Der gestrichelte Verlauf B weist eine höhere Steigung im Vergleich zum dem des Verlaufs A auf. Erfindungsgemäß wird ein zeitlicher Verlauf des Regenerations-Lambdawerts mit erhöhter Steigung vorzugsweise dann gewählt, wenn die Emissionswerte von zumindest einer der genannten Abgaskomponenten vorgegebene Sollwerte überschreiten.
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5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Regenerations-Lambdas während zweier Zeitintervalle T1, T2 und T1', T2'. Hierbei bezeichnet T1 den Beginn und T2 das Ende einer Regenerationsphase. Die Beendigung der Regeneration zum Zeitpunkt T2 kann in Abhängigkeit von an sich bekannten Kriterien festgelegt werden. In 5 bezeichnet TD einen Zeitpunkt innerhalb des Intervalls T1, T2 zu dem ein Durchbruch einer oder mehrerer Abgaskomponenten ermittelt wurde. In diesem Fall wird in dem folgenden Regenerationsintervall T1', T2' das Regenerationslambda angehoben; der entsprechende Lambdaverlauf ist in 5 mit D bezeichnet.
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In 6 ist ein weiterer bevorzugter zeitlicher Verlauf des Regenerationslambdas dargestellt. Hierbei wird innerhalb des Regenerationsintervalls T1, T2 das Regenerationslambda ausgehend vom Zeitpunkt T1 bis zu einem Zeitpunkt TS angehoben. Der Zeitpunkt TS, wird dadurch bestimmt, dass das Regenerationslambda hierbei den Schwellwert Lambda S erreicht hat. Im weiteren Verlauf der Regeneration wird das Regenerationslambda auf dem Wert Lambda S gehalten. Hierbei kann sowohl der Anfangswert des Regenerationslambdas als auch der Schwellwert Lambda S in Abhängigkeit von gemessenen Emissionswerten der genannten Abgaskomponenten bestimmt werden.
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Ferner werden die genannten Emissionswerte des Abgases mit dem stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 7 angeordneten Sensor 9 ermittelt. Nach dem Vergleich der mit dem stromabwärts angeordneten Sensor 10 gemessenen Emissionswerte kann eine Umsetzungsbilanz für die einzelnen Abgaskomponenten im NOx-Speicherkatalysator 7 berechnet werden. Hierzu wird die Differenz zwischen dem stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Emissionswerten ermittelt. Diese Mehrkomponenten-Umsetzungsbilanz wird mit vorgegebenen Sollwerten, die im Allgemeinen lambdawert- und temperaturabhängig sind verglichen und zur Festlegung des Regenerationslambdas verwendet.
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Um eine bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff mögliche Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 7 zu ermitteln, kann mit dem stromaufwärts angeordneten Sensor 9 die Belastung des Abgases mit zumindest einer Schwefel-Abgaskomponente SO2, H2S, COS ermittelt werden.
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Alternativ können auch die Emissionswerte von zumindest einer der genannten Schwefel-Abgaskomponenten und zumindest einer der Abgaskomponenten NOX, HC, CO und/oder NH3 gemessen werden. Die gemessenen Werte werden mit Sollwerten verglichen und aus dem Vergleichsergebnis ein Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators ermittelt. Der Zusammenhang zwischen Vergleichsergebnis und dem Verschwefelungsgrad kann aus einer Modellrechnung und/oder experimentell bestimmt werden.
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Ferner kann mit dem stromabwärts eines NOx-Speicherkatalysators 7 angeordneten Sensor 10 die Belastung des Abgases mit Schwefel-Abgaskomponenten SO2, H2S, COS sowie den Abgaskomponenten NOX, HC, CO, H2 und/oder NH3 ermittelt werden. Ein Vergleich mit durch den Sensor 9 ermittelten Emissionswerten stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 7, ermöglicht die Berechnung einer Schwefelbilanz für den NOx-Speicherkatalysator 7. Aus der Schwefelbilanz wird durch zeitliche Integration der Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators 7 ermittelt.
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Da die mit der Verschwefelung verbundene Sulfatbildung zu einer schleichenden Deaktivierung von NOx-Speicherkatalysatoren führt und wegen einer höheren chemischen Stabilität der Sulfate eine Entschwefelung erst bei Temperaturen größer als ca. 650°C Katalysatortemperatur erfolgt, muss im Interesse einer ausreichenden Emissionssicherheit der Schwefeleintrag in einem NOx-Speicherkatalysator nicht nur überwacht, sondern es müssen gegebenenfalls Maßnahmen zur Entschwefelung getroffen werden. Während einer Entschwefelung werden die eingelagerten Sulfate bei einem Lambda < 1 und höheren Temperaturen reduziert. Die Entschwefelung kann bedarfsgerecht durch Festlegung eines Entschwefelungs-Zeitintervalls, dessen Beginn und Länge in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators bestimmt werden. Ferner werden die Entschwefelungstemperatur und der Lambdawert während der Entschwefelung in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschwefelungsgrad festgelegt. Damit sind insbesondere eine zu häufige und/oder zu lange Entschwefelung und der damit verbundene unnötige Mehrverbrauch an Kraftstoff vermeidbar. Ferner ist damit auch eine hohe Emissionssicherheit bei Betankung mit hochschwefelhaltigen Kraftstoffen > 500 ppm ist gewährleistet. Bei einem gemessenen vollständigen Schwefelaustrag kann eine aktive Entschwefelung sofort beendet werden.
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Da in einem NOx-Speicherkatalysator unter dem Einfluss der reduzierenden Bedingungen während der Entschwefelung im Schwefeldioxid vor allem bei hohen Katalysatortemperaturen und niedrigem Lambdawert Schwefelwasserstoff entsteht und in die Umwelt ausgetragen werden kann, wird ferner mittels des Sensors 10 das Auftreten von Schwefelwasserstoff im Abgas überwacht. Bei Überschreiten der vorgegebenen Emissionswerte von H2S wird der Lambdawert sowie gegebenenfalls die Katalysatortemperatur entsprechend verändert. Insbesondere kann um eine schnelle Beendigung eines H2S-Austrags zu erreichen, der Lambdawert des Abgases von Lambda < 1 auf Lambda > 1 verändert werden.
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Ferner können die Emissionswerte von HC, CO, H2 und/oder NH3 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 7 während einer Entschwefelung gemessen werden und bei dem Auftreten von Durchbrüchen dieser Abgaskomponenten von Fett- auf Magerbetrieb umgeschaltet werden. Bei Vorliegen einer Mindest-Entschwefelungstemperatur wird der NOx-Speicherkatalysator 7 solange mit magerem Abgas weiter beaufschlagt, bis stromabwärts des Katalysators ein NOX-Durchbruch gemessen wird. Daraufhin kann wieder in Fettbetrieb umgeschaltet werden, bis zu einem späteren Zeitpunkt erhöhte Emissionswerte von HC, CO, H2, NH3 und/oder H2S gemessen werden. Durch einen periodischen Wechsel zwischen fetter und magerem Abgas wird dabei ein vollständiger Verbrauch des in den Katalysator eingelagerten Sauerstoff vermieden und die H2S-Bildung weitgehend unterdrückt. Es kann daher sowohl eine vollständige Entschwefelung erreicht und als auch ein bemerkbarer Austrag von H2S vermieden werden.
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Bei den erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Sensoren für die Abgaskomponenten CO, NO, NO2, NH3, SO2, H2S, COS, CH4, H2 sowie weitere HO-Komponenten verwendet, die getrennt voneinander gleichzeitig detektierbar sind. Die Messung kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
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Die spezifische Funktionsweise der Sensoren ist für die vorstehend beschriebene Erfindung grundsätzlich ohne Belang. Jedoch werden bevorzugt optische, insbesondere Infrarot-Sensoren, optimal Infrarot-Reflexions-Spektroskopie-Sensoren, die insbesondere eine Bestimmung der absoluten Konzentration der Abgaskomponenten im Abgas erlauben, eingesetzt. Diese ermöglichen sehr kurze Messzeiten, beispielsweise von weniger als 500 Mikrosekunden und Messintervalle von beispielsweise weniger als 200 Mikrosekunden und eine entsprechend schnelle und präzise Auswertung der jeweiligen Emissionswerte.
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Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Möglichkeit geschaffen, das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine mit geringem zusätzlichen Aufwand beträchtlich zu verbessern. Besonders vorteilhaft ist, dass die Verfahren bei den verschiedensten Arten von Brennkraftmaschinen, konventionellen oder magerlauffähigen Otto-Motoren, Dieselbrennkraftmaschinen oder dergleichen und in Kombination mit verschiedenen Katalysatoreinrichtungen und Strategien zur Verminderung der Abgasemissionswerte einsetzbar sind.
