DE102006008400B4

DE102006008400B4 - Direkteinspritzende, fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit SCR-Katalysator und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102006008400B4
Application number: DE102006008400.4A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Ing. Pischinger Stefan; Bastian Holderbaum
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: DE102006008400A1; WO2007096064A1

Abstract

Direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, mit einem 3-Wege-Katalysator und mit einem SCR-Katalysator, wobei eine Einrichtung mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen ist, die ein Angebot an einem Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung anpasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine erste Überwachung aufweist, die bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicherstellt

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Verbrennungskraftmaschine.
Eine Verbesserung der Abgasqualität bei einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs setzt voraus, dass die diesbezüglichen Systeme nicht nur störungsfrei betrieben werden, sondern dass auch deren Betrieb so ausgelegt ist, dass keine unerwünschten Abgase entstehen. Dieses betrifft insbesondere eine NOx-Reduktion. Aus der DE 101 50 170 A1 geht für einen fremdgezündeten Benzin-Direkteinspritz-Ottomotor mit einem 3-Wege-Katalysator als Vorschlag eine Abgasrückführung hervor. Dort wird ein spezielles, eine Gasströmung aufteilendes Element zur Abgasrückführung vorgeschlagen. Entsprechendes ist beispielsweise auch aus der DE 102 40 131 A1 bekannt. Mit der Abgasrückführung soll eine Temperaturabsenkung erzielt und damit eine NOx-Produktion abgesenkt werden. Aus der DE 199 06 344 A1 geht eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Katalysator und mit einem SCR-Katalysator hervor. Es ist dort vorgesehen, dass ein Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion im SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung anzupassen. Aus der DE 699 10 605 T2 wiederum geht die Anwendung eines SCR-Katalysators bei einem magerlauffähigen Benzinmotor hervor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgassystem einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, weist einen 3-Wege-Katalysator und einen SCR-Katalysator auf. Eine Einrichtung ist mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen, die ein Angebot an einem Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung anpasst. Die Einrichtung weist eine erste Überwachung auf, die bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicherstellt. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, ein Angebot an einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxid an einen Lastwechselsprung anzupassen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass ein Durchschlagen eines ammoniakhaltigen Stoffes und Ausströmen desselben aus einer Abgasleitung bei einem Lastwechsel aus einem Magerbetrieb in einen homogenen Betrieb verhindert ist. Vorzugsweise weist die Verbrennungskraftmaschine die Einrichtung derart ausgelegt auf, dass bei einem Lastsprung aus einem Homogenbetrieb kommend ein Angebot an Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung gestellt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Einrichtung eine modellbasierte Vorsteuerung aufweist, über die eine Reduktionsmittelzufuhr steuerbar ist. Beispielsweise kann diese mit einer Überwachung gekoppelt sein. Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Modell des SCR-Katalysators hinsichtlich seiner Ammoniakspeicher- und Desorptionsfähigkeit in der Vorsteuerung hinterlegt. Auch besteht die Möglichkeit, ein Modell der lambdaabhängigen NOx-Rohemissionen zu hinterlegen. Alternativ kann auch ein NOx-Sensor verwendet werden. Vorzugsweise kann das Modell auch in einem neuronalen Netz und/oder mit zumindest einem Fuzzy-System verbunden bzw. Bestandteil davon sein. Insbesondere kann es sich um ein selbstlernendes System handeln. Beispielsweise kann dieses an die Fahrweise unterschiedlicher Fahrer in einem Fahrzeug angepasst werden, so dass Lastwechsel aufgrund von Beschleunigungsvorgängen und Abbremsungen individuell unterschiedlich vorhersagbar werden. Beispielsweise kann das Modell in einem Steuergerät hinterlegt sein, dass ein neuronales Netz nutzt, wie es aus der DE 10 2004 030 782 hervorgeht. Auf diese Druckschrift wird diesbezüglich im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich verwiesen.
Zusätzlich oder an Stelle der ersten Überwachung kann die Einrichtung der Verbrennungskraftmaschine eine zweite Überwachung aufweisen, die bei einem Lastsprung von einem Homogenbetrieb kommend, zumindest zwischen einer Bereitstellung eines kurzfristigen Überangebots an Reduktionsmittel bei einem Lastbetrieb bei Lambda > 1 und einem an eine Speicherfähigkeit des SCR-Speichers angepasste Reduktionsmittelzufuhr auswählt. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die erste und die zweite Überwachung in einer Einheit zusammengefasst sind. Die Einheit kann beispielsweise ein getrennt vorliegendes Steuergerät oder auch eine Motorsteuerung selbst sein. Die Einheit ist gemäß einer Weiterbildung zumindest mit einem der folgenden Sensoren verbunden: Kraftstoff-Sensor zur Feststellung einer Kraftstoffzusammensetzung, Lambda-Sensor, Temperatursensor des SCR-Katalysators, NO_x-Sensor, einen Sensor zur Messung eines NH₃-Gehaltes im Abgas.
Der SCR-Katalysator kann aus einem einzelnen Katalysator bestehen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, auch zwei oder mehr verschiedene SCR-Katalysatoren hintereinander anzuordnen. Beispielsweise kann ein Niedertemperatur- und ein Hochtemperatur-SCR-Katalysator vorgesehen werden. Diesbezüglich wie auch hinsichtlich verschiedener SCR-Systeme und deren Materialien, Betriebsweisen von SCR-Systemen sowie ammoniakhaltiger Reduktionsmittel wird auf die DE 699 10 605 T2 im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine NO_x-Falle ebenfalls im Abgasstrang mitangeordnet wird. Hinsichtlich der Anordnung, des Aufbaus, verwendbarer Materialien, wie auch der Kopplung mit einem SCR-Katalysator wird auf die DE 699 16 312 T2 im Rahmen der Offenbarung verwiesen.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, zur Verfügung gestellt, bei der zur Abgasreduzierung ein 3-Wege-Katalysator und ein SCR-Katalysator eingesetzt werden. Es wird ein Lastsprung ermittelt und an die Art des Lastsprunges angepasst ein Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator zur Verfügung gestellt. Eine erste Überwachung einer Einrichtung der Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine stellt bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicher. Insbesondere besteht auch die Möglichkeit, eine ammoniakhaltiges Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung zu stellen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Motorsteuerung in Abhängigkeit vom Lastsprung und vom Reduktionsmittelbedarf die Verbrennungskraftmaschine ansteuert. Vorzugsweise wird bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb die Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich mit Lambda > 1 betrieben, bevor eine Lambda = 1-Reglung eingestellt wird.
Der Übergang vom mageren in den homogenen Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-Verbrennungskraftmaschine mit 3-Wege- und SCR-Katalysator wird beispielsweise durch eine modellbasierte Vorsteuerung so gestaltet, dass zunächst die Reduktionsmittelzufuhr unterbrochen wird und anschließend das Luftverhältnis solange auf einem Wert > 1 gehalten wird, bis das auf dem SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak zumindest annähernd vollständig durch Reduktion der Stickoxide umgesetzt wurde. Auf diese Weise wird ein ungewollter Ammoniakdurchbruch vermieden. Hierzu wird vorzugsweise der 3-Wege-Katalysator vor dem SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung wird erst nach dem vollständigen Umsatz des eingespeicherten Ammoniaks bei Lasterhöhung in den homogenen Betrieb umgeschaltet, so dass die Stickoxide im 3-Wege-Katalysator reduziert werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Falle des Rücksprungs vom homogenen in den Schub- oder Magerbetrieb die Reduktionsmittelzufuhr so eingestellt wird, dass rechtzeitig ein ausreichendes Angebot an Ammoniak zur Reduktion der Stickoxide im SCR-Katalysator zur Verfügung steht. Beim Sprung in den Schubbetrieb wird vorzugsweise berücksichtigt, dass je nach verwendetem Reduktionsmittel für die Ammoniakbildung eine spezielle Temperatur und ein spezieller Wassergehalt hinter einer Eindüsung vorliegen sollten. Die Temperatur wie auch der Wassergehalt können beispielsweise ermittelt und in eine Steuerung oder Regelung mit eingehen. Eine derartige Betriebsweise wird vorzugsweise bei einer Anordnung des 3-Wege-Katalysators vor wie auch nach dem SCR-Katalysators zur Verfügung gestellt.
Das Verfahren sieht gemäß einer Weiterbildung vor, das bei Lasterniedrigung durch eine kurzzeitige Überdosierung an Reduktionsmittel dafür gesorgt wird, dass der Ammoniakspeicher wieder aufgefüllt wird.
Bei einer Ausgestaltung der direkteinspritzenden Otto-Verbrennungskraftmaschine wird bei einer Lasterhöhung vom mageren Betrieb in den homogenen Betrieb (Lambda = 1) entsprechend umgeschaltet. Es wird jedoch zumindest ein Zwischenschritt zusätzlich vollzogen, in dem Lambda > 1 seitens der Motorsteuerung eingestellt wird. Ein möglicher Betriebsablauf sieht dann wie folgt aus: Im Magerbetrieb wird über eine Eindüsung Ammoniak in einen Abgastrakt eingeleitet, welches aus unterschiedlichen Reduktionsmitteln, z. B. Harnstoff-Wasser-Lösung, Festharnstoff, Ammoniumcarbamat, aus Feststoff oder aus flüssigen Stoffen, beispielweise katalytisch oder thermisch gebildet, oder direkt aus einer Gasflasche entnommen wird. Auch besteht die Möglichkeit, ein Produkt in den Abgasstrang einzuführen, aus dem in Verbindung mit heißem Abgas ein ammoniakhaltiger Stoff, insbesondere Ammoniak selbst gebildet wird. Beispielswiese kann eine Harnstoff-Wasserlösung oder auch ein Ammoniumsalz hierfür eingesetzt werden. Der ammoniakenthaltende oder -bildende Ausgangsstoff kann in Pulverform, als Pellet, gasförmig wie auch flüssig zur Verfügung gestellt werden. Das Ammoniak reduziert im SCR-Katalysator die Stickoxide unter Bildung von Stickstoff und Wasserdampf. Bei niedrigen Temperaturen wird abhängig vom Typ des SCR-Katalysators ein Anteil des Ammoniaks im SCR-Katalysator eingespeichert. Im homogenen Betrieb werden die Stickoxide nicht im SCR-Katalysator, sondern im 3-Wege-Katalysator reduziert. Das bis zu diesem Zeitpunkt im SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak kann daher nicht über eine NOx-Reduktionsreaktion verbraucht werden und würde aufgrund der bei hohen Katalysatortemperaturen deutlich reduzierten Ammoniakspeicherfähigkeit unmittelbar nach dem Lastsprung in die Umgebung abgegeben werden. Ein solcher Ammoniakdurchbruch ist jedoch zu vermeiden, da er zu Geruchsbelästigung und bei hohen Konzentrationen sogar zu Gesundheitsschäden führen kann. Die Vermeidung erfolgt beispielsweise durch ein Fahren im Homogenbetrieb bei Lambda > 1.
Beim Rücksprung in den Magerbetrieb wird ebenfalls dafür gesorgt, dass das Motormanagement so eingestellt wird, dass sofort ein ausreichendes Angebot an Ammoniak im SCR-Katalysator zur Verfügung steht, um die nun vorhandenen Stickoxide unmittelbar reduzieren zu können.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung wird nachfolgend beschrieben: Zur Nachbehandlung des Abgases wird beispielsweise ein Abgassystem mit einem 3-Wege-Katalysator und einem SCR-Katalysator sowie der vor diesem befindlichen Reduktionsmitteleindüsung vorgesehen. Je nach verwendetem Reduktionsmittel kann ein zusätzlicher Hydrolysekatalysator eingesetzt werden. Vorzugsweise wird der 3-Wege-Katalysator vor dem SCR-System angeordnet, um die für den SCR-Katalysator unter Umständen schädlichen HC-Emissionen des Motors zu minimieren. Es ist darüber hinaus auch die Anordnung des 3-Wege-Katalysators hinter dem SCR-Katalysators möglich.
Im Magerbetrieb werden die Stickoxide in bekannter Weise durch ein Ammoniak bildendes Reduktionsmittel im SCR-Katalysator reduziert. Als Reduktionsmittel kann gasförmiges Ammoniak verwendet werden. Es können auch alternative Stoffe eingesetzt werden, z. B. Harnstoff-Wasser-Lösung, Festharnstoff, Ammoniumcarbamat, die über einen Zwischenschritt, z. B. einer Hydrolyse oder einer Thermolyse, Ammoniak bilden. Bei höheren Lasten wird die Verbrennungskraftmaschine mit Lambda = 1 betrieben, so dass die Stickoxide nahezu vollständig im 3-Wege-Katalysator umgesetzt werden. In diesem Fall wird eine Reduktionsmittelzufuhr unterbrochen.
Um eine Gefahr des Ammoniakdurchbruchs beim Umschalten vom Mager- in den Homogenbetrieb für die Anordnung mit SCR-Katalysator hinter dem 3-Wege-Katalysator zu vermeiden, wird vorgeschlagen, unmittelbar bei Erkennung einer Lasterhöhung, die zum Umschalten in den Homogenbetrieb führt, die Reduktionsmittelzufuhr zu unterbrechen. Gleichzeitig befindet sich im SCR-Katalysator eine Restmenge an eingespeichertem Ammoniak. Dieses ist durch ein ausreichendes Angebot an Stickoxiden zu verbrauchen, um einen Ammoniakdurchbruch zu unterbinden. Um die benötigten Stickoxide vor dem SCR-Katalysator darzustellen, wird das Luftverhältnis des Motors nach dem Lastsprung nicht unmittelbar auf 1 eingestellt, sondern zunächst auf einen höheren Wert, z. B. Lambda = 1.1. Bei diesem Luftverhältnis produziert der Motor zum einen besonders hohe NOx-Rohemissionen, zum andere können die Stickoxide aufgrund des Sauerstoffüberschusses nicht bereits im 3-Wege-Katalysator reduziert werden. Außerdem steigt die Temperatur des Abgases langsamer an als beim unmittelbaren Sprung auf Lambda = 1, so dass dieses einer schnellen Desorption des gespeicherten Ammoniaks zusätzlich entgegen wirkt.
Eine andere Ausgestaltung ergibt sich bei der Anordnung des SCR-Katalysators vor dem 3-Wege-Katalysators. Dabei werden die Stickoxide im Magerbetrieb mit aktivierter Reduktionsmittelzufuhr im SCR-Katalysator reduziert.
Bei einer Umschaltung vom Mager- in den Homogenbetrieb ist eine kurzzeitige Regelung des Luftverhältnisses auf Werte > 1 für diese Anordnung nicht unbedingt erforderlich, da die Stickoxide hier zuerst mit dem auf dem SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniak reagieren, bis dieses verbraucht ist. Ein Ammoniakdurchbruch tritt hier bei direkter Umschaltung auf Lambda = 1 bei entsprechender Auslegung der Systeme nicht zwangsläufig auf.
Dagegen ist bei beiden Varianten bei einer Lasterniedrigung, die zum Rücksprung vom homogenen in den mageren Betrieb führt, vorgesehen, dass die nun auf den SCR-Katalysator treffenden Stickoxide ohne Verzögerung reduziert werden können. Dazu sind zwei Fälle zu unterscheiden. Zum einen kann es zu einem Sprung in den Schubbetrieb kommen. In diesem Fall werden keine Stickoxide produziert und die Temperatur des SCR-Katalysators wird schnell zurückgehen. Dadurch nimmt die Speicherfähigkeit für Ammoniak zu. Um beim Einsetzen des Lastbetriebs sofort eine SCR-Aktivität zu erreichen, ist vorzugsweise eine gewisse Menge Ammoniak auf dem SCR-Katalysator einzuspeichern. Dazu wird bereits während des Schubbetriebs kurzzeitig die Reduktionsmittelzufuhr aktiviert. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass je nach verwendetem Reduktionsmittel eine ausreichende Temperatur für die Thermolyse und eine ausreichende Wasserkonzentration für die Hydrolyse vorliegen sollte.
Im zweiten Fall wird die Last erniedrigt, aber es findet weiterhin Lastbetrieb, diesmal mit Lambda > 1 statt. Dadurch werden unmittelbar Stickoxide zum SCR-Katalysator geleitet, dessen Ammoniakspeicher geleert ist. Um nun sofort eine ausreichende SCR-Aktivität zu realisieren, wird, vorzugsweise abhängig von der Temperatur des SCR-Katalysators, kurzzeitig das Reduktionsmittel überdosiert, um den Ammoniakspeicher des SCR-Katalysators zu einem gewissen Grade aufzufüllen und zugleich genug Ammoniak zur NOx-Reduktion zur Verfügung zu stellen.
Wird eine Vorsteuerung eingesetzt, um geringe Reaktionszeiten zu ermöglichen, wird bevorzugt eine Modellierung genutzt, insbesondere eine Modellierung einerseits des Katalysatorverhaltens bezüglich der Ammoniakspeicher- bzw. Desorptionsfähigkeit und andererseits des lambda-abhängigen NOx-Rohemissionsniveaus. Auf diese Weise kann von der Motorsteuerung kalkuliert werden, wie viel Ammoniak beim Lastsprung noch auf dem SCR-Katalysator gespeichert ist und wie lange der Motor im Übergangsbereich zwischen Mager- und Homogenbetrieb gehalten werden muss, um das gespeicherte Ammoniak vollständig über die NOx-Reduktion abzubauen bzw. wie viel Reduktionsmittel beim Rücksprung in Schub- oder Homogenbetrieb wieder zudosiert werden muss, um rechtzeitig genügend Stickoxide reduzieren zu können.
Ebenfalls ist es möglich, dass bei einem vorhandenem Ammoniak- oder NO_x-Sensor auch eine geregelte Vorsteuerung der Ammoniakzugabe und des Lambdawertes vorgenommen werden, sofern die Regelstrecke ausreichend schnell reagiert.
Eine zusätzliche Unterstützung kann die Abgasstrategie durch weitere Maßnahmen wie beispielsweise einer Abgasrückführung erhalten. Die Abgasrückführung kann beispielweise mittels einer inneren Abgasrückführung durch eine Ventilüberschneidung bei Einlass- und Auslassventil und/oder durch eine Abgasrückführung über ein AGR-Ventil gesteuert erfolgen. Die Abgasrückführung wird vorzugsweise durch die Motorsteuerung ausgelöst, wobei diese hierbei einen Lastsprung miteinfließen lässt. Hinsichtlich verschiedener Ausgestaltungen einer Abgasrückführung wird auf die DE 102 40 131 A1 und auf die DE 101 50 170 A1 verwiesen, die diesbezüglich vollumfänglich mitaufgenommen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung sind aus den nachfolgenden Zeichnungen zu entnehmen. Diese sind jedoch nicht beschränkend sondern nur als beispielhafte Ausgestaltungen zu verstehen. Die dort jeweils dargestellten wie auch beschriebenen Merkmale sind mit denjenigen der obigen Beschreibung wie auch mit denjenigen anderer Zeichnungen zu Weiterbildungen verknüpfbar. Es zeigen:
1: eine erste Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeordnetem Abgasstrang,
2: eine zweite Ausgestaltung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeordnetem Abgasstrang,
3: eine Darstellung eines Verhaltens eines SCR-Katalysators über der Temperatur, und
4: eine beispielhafte Ausgestaltung eines möglichen Zuflusses an Reduktionsmittel zur Verhinderung eines Durchschlags an Ammoniak.
1 zeigt eine direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine 1, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet. Hierbei ist eine Vierzylindermaschine dargestellt. Es können jedoch auch andere Zylinderzahlen, beispielsweise ein 2-Zylinder, 6-Zylinder oder 8-Zylinder eingesetzt werden. Die Zylinder können in Reihe wie auch als V-Motor oder in sonstiger Anordnung vorhanden sein. Jedem Zylinder sind zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil zugeordnet. Vorzugsweise sind zumindest vier bzw. 5 Ventile an jedem Zylinder angeordnet. Darüber kann beispielsweise eine interne Abgasrückführung in dem System ermöglicht werden. Auch besteht die Möglichkeit, beispielsweise über eine AGR-Ventil 2 einen Teil des Abgasstromes 3 nicht in das Abgassystem 4, sondern in eine Bypass-Leitung 5 überströmen zu lassen. Die Ventile wiederum können über eine Ventilsteuerung 6 in ihrem Hubverlauf bzw. in den Hubsteuerzeiten verändert werden. Das AGR-Ventil 2 wie auch die Ventilsteuerung 6 sind mit einer Motorsteuerung 7 verbunden. Diese ist in der Lage, eine Regelung bzw. Steuerung für jeweilige angeschlossene Bauteile bzw. zusätzliche Steuergeräte vorzusehen. Hierzu kann beispielsweise ein Bussystem zur Signalübertragung vorhanden sein. Das Abgas 3 strömt in einen 3-Wege-Katalysator 8. Vor, im und/oder nach dem 3-Wege-Katalysator 4 kann jeweils ein Sensor 9 vorgesehen sein. Zumindest einer der Sensoren 9 ist eine Lambda-Sonde. Dem 3-Wege-Katalysator 8 nachfolgend ist eine Zuführung 10 für ein Reduktionsmittel 11 angeordnet. In der Zuführung 10 ist ein Steuerventil 12 angeordnet. Das Steuerventil 12 ist beispielsweise mit einer Überwachung 13 verbunden. Das Steuerventil 12 kann jedoch auch zusätzlich oder stattdessen mit der Motorsteuerung 7 verbunden sein. Die Überwachung ist beispielsweise ein getrennt von der Motorsteuerung 7 vorgesehenes Steuergerät. Diese erhält beispielsweise von der Motorsteuerung 7 ein Signal, aus dem ein spezieller Lastsprung hervorgeht. Die Überwachung 13 ist aufgrund einer Auswertung in der Lage, auf Basis des mitgeteilten Lastsprunges das Steuerventil 12 so zu betätigen, dass entweder frühzeitig das ammoniakhaltige Reduktionsmittel freigegeben wird. Die Überwachung kann hierfür beispielsweise mit einem oder mehreren Sensoren bezüglich eines Betriebszustandes des SCR-Katalysators 14 in Verbindung stehen. Ein derartiger zweiter Sensor 15 kann beispielsweise ein Temperatursensor sein. Die Überwachung 13 weist gemäß einer Weiterbildung eine modellbasierte Steuerung bzw. Regelung der Zuführung des Reduktionsmittels auf. Dieses erfolgt insbesondere im Zusammenspiel mit der Motorsteuerung 7. Wird beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine 1 im Magerbetrieb bei Teillast gefahren und kommt ein plötzlicher Lastsprung, beispielsweise bei einem Überholvorgang, so weist die Motorsteuerung 7 eine Reaktion bei einem bestimmten Zustand des SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der Höhe des Lastsprunges auf, so dass anstelle einer Lambda = 1-Regelung eine Lambda > 1-Regelung kurzzeitig an der Verbrennungskraftmaschine 1 eingestellt wird. Gleichzeitig erhält die Überwachung 13 die notwendigen Signale, um eine modellbasierte Auswertung hinsichtlich einerseits des notwendigen Reduktionsmittels und andererseits hinsichtlich des Verhaltens des SCR-Katalysators 14 zum momentanen Betriebszustand zu ermöglichen. Vorzugsweise ist eine Feedback-Schaltung zur Überwachung 13 vorgesehen. Mittels dieser kann in das Modell ein Ist-Zustand, beispielsweise des SCR-Katalysators 14 einfließen. Die Überwachung 13 erteilt nach Erreichen einer vorgebbaren Anreicherung des Reduktionsmittels 11 im SCR-Katalysator 14 die Anweisung, dass die Motorsteuerung 7 wieder in Homogenbetrieb, d. h. in eine Regelung von Lambda = 1 zurückkehren kann. Vorzugsweise ist dem SCR-Katalysator 14 eine Lambda-Sonde 16 vorgeordnet. Dem SCR-Katalysator 14 kann beispielsweise ein NOx-Sensor 17 nachgeordnet sein. Dieser ist in der Lage, den tatsächlichen NO_x-Gehalt aufzunehmen und damit eine zusätzliche Sicherheit bezüglich des Betriebsverhaltens des Abgasstranges durch Auswertung der Überwachung 13 und/oder der Motorsteuerung 7 gewährleisten zu können.
Im Folgenden werden gleiche oder gleichartige Elemente mit gleichem Bezugszeichen versehen:
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Verbrennungskraftmaschine 1 wiederum mit einem Abgassystem 4 verbunden ist. Dabei ergibt sich gegenüber dem Aufbau aus 1 eine andere Anordnung der einzelnen Elemente. Der Zuführung 10 für das Reduktionsmittel folgt direkt die Lambda-Sonde 16, welcher der SCR-Katalysator 14 folgt. Erst danach wird der 3-Wege-Katalysator 8 durch das Abgas 3 durchströmt. Eine derartige Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Gefahr eines Ammoniakdurchbruches gegenüber derjenigen Anordnung aus 1 geringer ist.
3 zeigt in schematischer Ansicht die Speicherfähigkeit eines SCR-Katalysators hin sichtlich eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einer Temperatur des SCR-Katalysators. Der schematischen Darstellung ist entnehmbar, dass bei einer niedrigen Temperatur eine höhere Speicherfähigkeit vorliegt als bei einer höheren Temperatur. Insbesondere nimmt die Speicherfähigkeit mit ansteigender Temperatur annähernd linear ab und nähert sich nach Überschreiten einer Temperatur T_s asymtotisch einer nicht mehr vorhandenen Speicherfähigkeit. Diesem Rechnung tragend, weist vorzugsweise das Modell eine entsprechende Berücksichtigung des Temperaturverhaltens des jeweiligen SCR-Katalysators auf. Insbesondere kann das Modell des SCR-Katalysators so ausgestaltet werden, wie es aus dem SAE-Paper 2004-01-0153 mit dem Titel ”Control-Oriented Model of an SCR Catalytic Converter System” von Schär et al. hervorgeht. Vorzugsweise wird ein derartiges Modell auch in einer Feedback-Regelung und/oder Forward-Regelung eingesetzt. Auf den Inhalt dieses Papers wird diesbezüglich im Rahmen dieser Offenbarung vollständig Bezug genommen.
4 zeigt in beispielsweise schematischer Ansicht einen möglichen Verlauf einer Reduktionsmitteldosierung bei einer Laständerung in Bezug auf einen Verlauf von Lambda bei einer Anordnung eines 3-Wege-Katalysators in Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator, wie es aus 1 beispielhaft hervorgeht. Die Verbrennungskraftmaschine wird zuerst in niedriger Last betrieben. Lambda ist hierbei im Magerbereich eingestellt. Aufgrund beispielsweise eines Beschleunigungsvorganges wird ein Lastsprung erforderlich. Dieses ist dargestellt durch die Anforderung ”hohe Last”. Anstatt dass nun Lambda den Wert 1 einnimmt, um im Rahmen einer Homogenregelung die Verbrennungskraftmaschine zu fahren, wird Lambda in einem Bereich eingestellt, der geringer als Lambda = 1,3 ist. Das heißt, der Magerbereich wird verlassen und Lambda wird dem Wert 1 angenähert, ohne dass jedoch Lambda = 1 eingestellt wird. Dieses erfolgt erst zu einem Zeitpunkt, wenn die Speicherung von Ammoniak soweit abgebaut ist, dass kein Ammoniakdurchbruch mehr möglich ist. Dieses kann so wie oben dargestellt berechnet und/oder geregelt werden. Gleichzeitig wird bei einer Änderung der Lastanforderung die Zuführung des ammoniakhaltigen Reduktionsmittels vorzugsweise vollständig unterbrochen, zumindest aber weitestgehend reduziert. Eine weitere Ausgestaltung kann dabei vorsehen, dass die Zuführung des Reduktionsmittels nicht vollständig unterbrochen wird, sondern nur allmählich absinkt.
Des Weiteren geht aus 4 auch die umgekehrte Betriebsweise hervor. Die Verbrennungskraftmaschine wird bei hoher Last gefahren und erfährt einen Lastsprung hinein in einen Schubbetrieb oder in einen Magerbetrieb. Hier ist dargestellt, dass aus dem Homogenbetrieb in einen Magerbetrieb hinein eine Laständerung angestrebt wird. Wird dieser Lastsprung detektiert, ist das System in der Lage, durch sofortige Reduktionsmittelzuführung eine Anreicherung des Reduktionsmittels als Vorrat im SCR-Katalysator anzureichern, so dass nach Erreichen eines stabilen Lastzustandes dort ausreichend Reduktionsmittel für die NO_x-Umsetzung zur Verfügung steht. Ist eine ausreichende Bevorratung des SCR-Katalysators mit ammoniakhaltigem Reduktionsmittel erfolgt, kann die Zuführung an Reduktionsmittel wieder absinken. Die in 4 dargestellten Verläufe sind jeweils nur schematisch dargestellt. Sie können in dieser Art verlaufen, können jedoch auch andere kurvenförmige Übergänge wie auch Schwingungen, kleinere Plateaus oder ähnliches wie auch konvergente Verhaltensmuster beinhalten.

Claims

Direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, mit einem 3-Wege-Katalysator und mit einem SCR-Katalysator, wobei eine Einrichtung mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen ist, die ein Angebot an einem Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung anpasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine erste Überwachung aufweist, die bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicherstellt
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass ein Durchschlagen eines ammoniakhaltigen Stoffes und Ausströmen desselben aus einer Abgasleitung bei einem Lastwechsel aus einem Magerbetrieb in einen homogenen Betrieb verhindert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass bei einem Lastsprung aus einem Homogenbetrieb kommend ein Angebot an Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung gestellt wird.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine modellbasierte Vorsteuerung aufweist, über die eine Reduktionsmittelzufuhr steuerbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine zweite Überwachung aufweist, die bei einem Lastsprung von einem Homogenbetrieb kommend, zumindest zwischen einer Bereitstellung eines kurzfristigen Überangebots an Reduktionsmittel bei einem Lastbetrieb bei Lambda > 1 und einem an eine Speicherfähigkeit des SCR-Speichers angepasste Reduktionsmittelzufuhr auswählt.
Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, und bei der zur Abgasreduzierung ein 3-Wege-Katalysator und ein SCR-Katalysator eingesetzt werden, wobei ein Lastsprung ermittelt wird und an die Art des Lastsprunges angepasst ein Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb mittels einer Einrichtung der Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten Überwachung ein kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sichergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung in Abhängigkeit vom Lastsprung und vom Reduktionsmittelbedarf die Verbrennungskraftmaschine ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb die Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich mit Lambda > 1 betrieben wird, bevor eine Lambda = 1-Reglung eingestellt wird.