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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors,
der eine erste Gruppe von Zylindern und eine zweite Gruppe von Zylindern
sowie einen ersten Katalysator und einen zweiten Katalysator aufweist,
wobei der erste Katalysator vom Abgas der ersten Gruppe, nicht aber
vom Abgas der zweiten Gruppe durchströmt wird, und der zweite
Katalysator vom Abgas der zweiten Gruppe, nicht aber vom Abgas der
ersten Gruppe durchströmt wird, und wobei der erste und
der zweite Katalysator durch periodisch abwechselnden Betrieb des
Verbrennungsmotors mit Luftzahlen größer als 1
und kleiner als 1 aufgeheizt wird. Die Erfindung betrifft ferner
ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Bei
dem ersten und/oder dem zweiten Katalysator handelt es sich jeweils
um einen Katalysator, der eine Sauerstoffspeicherfähigkeit
aufweist. Dies ist sowohl bei sogenannten Speicherkatalysatoren als
auch bei Drei-Wege-Katalysatoren der Fall.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils
aus der
DE 103 12
587 A1 für Anordnungen mit NOx-Speicherkatalysatoren
bekannt. Das bekannte Verfahren unterscheidet Betriebsphasen Ph1
und Ph2 beim Betreiben des Verbrennungsmotors. In der Betriebsphase
Ph1 wird der Verbrennungsmotor im Schichtbetrieb und in der Betriebsphase
Ph2 im Homogenbetrieb betrieben. Der Schichtbetrieb zeichnet sich
dadurch aus, dass der Verbrennungsmotor mit weit geöffneter
Drosselklappe betrieben wird, wobei die Drehmomententwicklung im
Wesentlichen durch die Kraftstoffmenge gesteuert wird, die zu einer
Brennraumfüllung mit Luft eingespritzt wird. Im Homogenbetrieb
wird die Drehmomententwicklung dagegen durch die Stellung der Drosselklappe
und damit durch die Luftmasse der Brennraumfüllungen bestimmt.
Die Kraftstoffmasse wird passend zur Luftmasse dosiert, so dass
sich eine gewünschte Luftzahl Lambda ergibt.
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Um
die Speicherkatalysatoren von eingelagerten Schwefeloxiden zu regenerieren,
schlägt die
DE 103
12 587 vor, sowohl die Luftzahl Lambda, mit der die erste
Gruppe von Zylindern betrieben wird, als auch die Luftzahl Lambda,
mit der die zweite Gruppe von Zylindern betrieben wird, innerhalb
der zweiten Betriebsphase, also innerhalb des Homogenbetriebs, zumindest
zeitweise einen periodischen Wechsel um den Wert 1 ausführen
zu lassen. Durch die resultierenden exothermen Reaktionen sollen
die Speicherkatalysatoren auf eine Temperatur aufgeheizt werden,
bei der eingelagerte Schwefeloxide zerfallen und damit eine Regeneration
der Speicherkatalysatoren eintritt. Beide Speicherkatalysatoren werden
dabei zeitlich parallel regeneriert. Während der Regeneration
wird die aktuelle Beladung der Speicherkatalysatoren mit SOx mit
einem Rechenmodell individuell für jeden der beiden Speicherkatalysatoren
geschätzt. Wenn die Regeneration von einem der beiden Speicherkatalysatoren
früher abgeschlossen ist als die Regeneration des anderen,
wird der andere Speicherkatalysator weiter geheizt, während
die Zylindergruppe des bereits fertig regenerierten Speicherkatalysators
mit einer vergleichsweise konstanten Luftzahl Lambda in der Nähe
von 1 betrieben wird. Dadurch wird die Aufheizung des fertig regenerierten
Speicherkatalysators beendet oder zumindest verringert.
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Das
bekannte Verfahren stellt eine Ausgestaltung des sogenannten chemischen
Katalysatorheizens dar. Dabei speichert der Speicherkatalysator beim
Betrieb mit Luftzahlen größer als 1 Sauerstoff ein,
der beim anschließenden Betrieb mit Luftzahlen kleiner
als 1 an katalytisch wirksamen Flächen mit CO und HC im
Abgas exotherm reagiert. Diese Art der Wärmefreisetzung,
die direkt im aufzuheizenden Speicherkatalysator erfolgt, stellt
einen großen Vorteil des chemischen Katalysatorheizens
gegenüber anderen Verfahren dar, bei denen auch an anderen Stellen
Wärme freigesetzt wird.
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Bei
konstantem Abgasmassenstrom und konstanten Abweichungen der Luftzahl
vom Wert 1 nach oben und unten legt die Periodendauer der periodischen
Veränderung der Luftzahlen in Verbindung mit den Sauerstoffspeicherfähigkeiten
der Sauerstoff speichernden Katalysatoren im Abgassystem die Heizleistung
fest.
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Bei
Anordnungen mit getrennten Katalysatoren für verschiedene
Gruppen von Zylindern kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit
auf Grund von Alterungseffekten der Katalysatoren von Gruppe zu
Gruppe unterschiedlich sein. Die periodische Veränderung der
Luftzahlen kann dann nicht für beide Speicherkatalysatoren
gleichzeitig optimal sein.
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Ist
sie zum Beispiel optimal für den Speicherkatalysator mit
der kleineren Speicherkapazität, wird das Heizleistungspotenzial
des Speicherkatalysators mit der größeren Speicherkapazität
nicht optimal ausgenutzt. Ist vor dem Speicherkatalysator oder vor dem
NOx-speichernden katalytischen Volumen noch ein Dreiwege-Katalysatorvolumen
angeordnet, verschiebt sich die Wärmefreisetzung dann in
den Dreiwege-Katalysator. Grundsätzlich werden die Dreiwege-Katalysatorvolumina
immer mitgeheizt, da sie die Fett-Mager-Wechsel mitmachen und ebenfalls
eine Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzen. Da diese Sauerstoffspeicherfähigkeit
kleiner ist als die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Speicherkatalysatoren,
wird in den Dreiwege-Katalysatoren auch entsprechend weniger Wärme
freigesetzt. Dabei wird der dahinter angeordnete Speicherkatalysator
unter Umständen nur unzureichend aufgeheizt. Die unzureichende
Aufheizung führt dazu, dass die Regenerationsphase für eine
vollständige Regeneration verlängert werden muss,
was den Kraftstoffverbrauch unerwünscht erhöht.
Wegen der Verschiebung der Wärmefreisetzung in das Dreiwege-Katalysatorvolumen
kann sich darüber hinaus die Gefahr einer thermischen Schädigung
des Dreiwege-Katalysatorvolumens ergeben.
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Ist
die periodische Veränderung der Luftzahlen dagegen optimal
für den Speicherkatalysator mit der größeren
Speicherkapazität, wird der Speicherkatalysator mit der
kleineren Speicherkapazität regelmäßig
zuviel Sauerstoff und zuviel Reduktionsmittel wie HC und CO erhalten,
was sowohl die Abgasemissionen als auch den Kraftstoffverbrauch
unerwünscht ansteigen lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in einer Verbesserung
der Aufheizung eines ersten und eines zweiten Katalysators in der eingangs
genannten Anordnung, mit dem die genannten Nachteile vermieden oder
zumindest verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und für ein Steuergerät mit den Merkmalen des
Anspruchs 9 gelöst.
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Die
Erfindung zeichnet sich demnach sowohl in ihren Verfahrensaspekten
als auch in ihren Vorrichtungsaspekten dadurch aus, dass eine Periodendauer
des periodisch abwechselnden Betriebs in einer ersten Aufheizphase
auf eine Eigenschaft des ersten Katalysators und in einer zweiten
Aufheizphase auf eine Eigenschaft des zweiten Katalysators abgestimmt
ist.
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Dadurch
kann jeder der beiden Speicherkatalysatoren in der ihm jeweils zugeordneten
Aufheizphase mit optimalem Wirkungsgrad beheizt werden, was in der
Summe zu einer Minimierung des Mehrbedarfs an Kraftstoffs führt,
der für eine Schwefel-Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren
erforderlich ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
Verbrennungsmotor mit einer ersten Gruppe von Zylindern und einem
ersten Speicherkatalysator und mit einer zweiten Gruppe von Zylindern
und einem zweiten Speicherkatalysator;
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2 ein
Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens; und
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3 zeitliche
Verläufe verschiedener Größen, wie sie
bei Ausgestaltungen des Verfahrens auftreten.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Im
einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit
einer ersten Gruppe 12 von Zylindern 1, 2, 3 und
einer zweiten Gruppe 14 von Zylindern 4, 5, 6.
Sämtliche Zylinder 1 bis 6 werden über ein
gemeinsames Ansaugsystem 16 mit Luft gefüllt, wobei
die Füllmengen mit Luft über ein für
alle Zylinder 1 bis 6 gemeinsames Luftmassenstellglied 18 eingestellt
werden. Das Luftmassenstellglied 18 ist in der Regel eine
Drosselklappe 18, die mit einem Drosselklappensteller 20 verstellt
wird. Die gesamte, in den Verbrennungsmotor 10 strömende
Luftmasse mL wird von einem Luftmassenmesser 22 erfasst.
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Jeder
Zylinder 1 bis 6 weist einen zugeordneten Injektor 20.1 bis 20.6 auf,
der zur Zumessung von Kraftstoff zu seiner Füllung mit
Luft dient. Dabei wird der Kraftstoff direkt in die Zylinder 1 bis 6 dosiert. Das
als Folge der Dosierung des Kraftstoffs in die Luftfüllung
der Zylinder 1 bis 6 entstandene Kraftstoff/Luft-Gemisch
wird in den Zylindern 1 bis 6 gezündet
und verbrannt. Dabei kann die Zündung durch eine Fremdzündung,
wie bei Otto-Motoren, oder auch durch eine Selbstzündung,
wie bei Diesel-Motoren, erfolgen.
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Das
aus der Verbrennung der Zylinderfüllungen resultierende
Abgas wird durch Abgasstränge 22 und 24 gesammelt
und abgeleitet. Die Abgase der ersten Gruppe 12 von Zylindern 1 bis 3 werden
durch einen ersten Abgasstrang 22 gesammelt und abgeleitet,
während die Abgase der zweiten Gruppe 14 von Zylindern 3 bis 6 durch
den zweiten Abgasstrahl 24 gesammelt und abgeleitet werden.
Der erste Abgasstrang 22 weist einen ersten Speicherkatalysator 26 und,
optional, einen ersten Drei-Wege-Katalysator 28 oder ein
Drei-Wege-Katalysatorvolumen 28 im Strömungsweg
der Abgase vor dem ersten Speicherkatalysator 26 auf. Analog
weist der zweite Abgasstrang 24 einen zweiten Speicherkatalysator 30 und, ebenfalls
optional, einen im Strömungsweg der Abgase vor dem zweiten
Speicherkatalysator 30 angeordneten Drei-Wege-Katalysator 32 oder
ein entsprechendes Drei-Wege-Katalysatorvolumen 32 auf.
In einer solchen Anordnung wird der erste Speicherkatalysator 26 vom
Abgas der ersten Gruppe 12, nicht aber vom Abgas der zweiten
Gruppe 14 durchströmt und der zweite Speicherkatalysator 30 wird
vom Abgas der zweiten Gruppe 14, nicht aber vom Abgas der
ersten Gruppe 12 durchströmt. Der erste Abgasstrang
weist wenigstens einen ersten Abgassensor 34 auf. Analog
weist der zweite Abgasstrang wenigstens einen zweiten Abgassensor 36 auf.
Bei den Abgassensoren 34, 36 handelt es sich bevorzugt
um Lambda-Sensoren, die ein Maß für die Luftzahl Lambda
des Kraftstoff/Luft-Gemisches liefern, mit dem die jeweilige Zylindergruppe 12 oder 14 betrieben
wird. In einer Ausgestaltung weist der erste Abgasstrang 22 ferner
einen Temperatursensor 38 auf, der eine Temperatur T_26
des ersten Speicherkatalysators 26 erfasst. Alternativ
oder ergänzend weist der zweite Speicherkatalysator 30 einen
zweiten Temperatursensor 40 auf, der die Temperatur T_30 des
zweiten Speicherkatalysators 30 erfasst. In einer bevorzugten
Ausgestaltung werden die Temperaturen T_26 und T_30 jedoch aus Betriebsparametern des
Verbrennungsmotors 10 und der Abgasstränge 22 und 24 durch
Rechenmodelle alternativ oder ergänzend zu einer Messung
mit wenigstens einem der Sensoren 38, 40 nachgebildet.
Zu den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 zählen
insbesondere Werte der Zylinderfüllungen mit Luft, und/oder
der angesaugten Luftmasse mL, der zugemessenen Kraftstoffmassen,
und der Zündzeitpunkte. Zu den Betriebsparametern der Abgasstränge zählen
insbesondere Werte von Sauerstoffspeicherkapazitäten der
Speicherkatalysatoren 26 und 30 in den Abgassträngen 22 und 24.
Selbstverständlich stellen auch die Sauerstoffspeicherkapazitäten
der Drei-Wege-Katalysatoren 28 und 32 Betriebsparameter
der Abgasstränge 22 und 24 dar, die bei
einer Temperaturmodellierung ergänzend berücksichtigt werden
können.
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Die
Steuerung des Verbrennungsmotors 10 erfolgt durch ein Steuergerät 42,
das dazu Signale verschiedener Sensoren zu Stellsignalen zur Ansteuerung
verschiedener Stellglieder verarbeitet und die Stellglieder entsprechend
ansteuert. Das Steuergerät 42 ist im übrigen
dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das erfindungsgemäße
Verfahren und/oder eine seiner hier vorgestellten Ausgestaltungen
durchzuführen. Dabei wird unter der Durchführung
die Steuerung des Ablaufs eines Verfahrens verstanden. In der Ausgestaltung
der 1 verarbeitet das Steuergerät 42 insbesondere
das Signal mL des Luftmassenmessers 22, das Signal n eines
Drehzahlmessers 4, das Signal FW eines Fahrerwunschgebers 44 und
die Signale L_12, L_14 der beiden Abgassensoren 34 und 36.
Dabei stellt das Signal L_12 ein Maß für die Luftzahl
Lambda des Kraftstoff/Luft-Gemisches dar, mit dem die Zylinder 1 bis 3 der
ersten Zylindergruppe 12 betrieben werden. Entsprechend
repräsentiert das Signal L_14 die Luftzahl Lambda für
das Kraftstoff/Luft-Gemisch der Zylinder 4 bis 6 der
zweiten Gruppe 14. Ferner verarbeitet das Steuergerät 42 die
Temperatursignale T_26 und T_30 und/oder bildet entsprechende Temperaturen
T_26 und T_30 durch Rechenmodelle nach.
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Es
versteht sich, dass moderne Verbrennungsmotoren eine Vielzahl weiterer
Sensoren aufweisen, deren Signale ebenfalls vom Steuergerät 42 verarbeitet
werden. Die Angabe der in der 1 dargestellten
Sensoren ist daher nicht als abschließende Aufzählung
zu verstehen.
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Als
Stellglieder dienen in der Ausgestaltung der 1 die Drosselklappe 18 und
die Injektoren 20.1 bis 20.6. Um ein dem Fahrerwunsch
FW entsprechendes Drehmoment vom Verbrennungsmotor 10 erzeugen
zu lassen, gibt das Steuergerät 42 ein Stellsignal
S_L zur Einstellung der Luftfüllung der Zylinder und Stellsignale
S_K zur Steuerung der Kraftstoffzumessung zu den Zylindern aus.
Moderne Verbrennungsmotoren können darüber hinaus
weitere Stellglieder wie Tankentlüftungs-Ventile, Sekundärluft-Ventile,
Abgasrückführ-Ventile, Stellglieder für variable
Steuerungen von Gaswechselventilen, etc. aufweisen. Daher ist auch
die Angabe der in der 1 dargestellten Stellglieder
nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen.
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In
weiten Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors 10 kann
ein gefordertes Drehmoment entweder in einem sogenannten Schichtbetrieb
mit geschichteten Brennraumfüllungen oder in einem sogenannten
Homogen-Betrieb mit homogenen Brennraumfüllungen erzeugt
werden. Im Schichtbetrieb erfolgt die Kraftstoffeinspritzung vergleichsweise
spät vor einer Zündung, so dass sich ein kraftstoffreicher Bereich
im Brennraum ausbildet, der von Luft oder einem kraftstoffärmeren
Bereich umgeben ist. In dieser Betriebsart wird der Verbrennungsmotor
weitgehend entdrosselt betrieben, was in der Ausgestaltung der 1 durch
eine weitgehend offene Drosselklappe 18 erzielt wird. Dabei
werden die Zylinder 1 bis 6 mit einer vom Fahrerwunsch
FW weitgehend unabhängigen und großen Luftfüllung
betrieben. Das gewünschte Drehmoment wird im Schichtbetrieb
nicht über die Quantität der Zylinderfüllung,
sondern über die Luftzahl und damit über die Qualität
der Zylinderfüllung eingestellt. Die Luftzahl wird dabei
bei weitgehend maximaler Luftfüllung über die
Menge an eingespritztem Kraftstoff eingestellt. Kleine Lambda-Werte ergeben
sich bei großen Drehmomentwerten und umgekehrt.
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Durch
die Entdrosselung ergibt sich ein guter Wirkungsgrad und damit ein
Kraftstoff sparender Motorbetrieb. Daher wird der Verbrennungsmotor 10 bevorzugt
im Teillastbereich in dieser Betriebsart mit geschichteten Brennraumfüllungen
betrieben.
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Zur
Bereitstellung großer Drehmomentwerte und/oder zur Realisierung
bestimmter Lambda-Werte, die für eine Abgasnachbehandlung
oder einen Schutz von Bauteilen vor zu hohen Temperaturen erforderlich
sind, wird der Verbrennungsmotor dagegen mit homogenen Brennraumfüllungen
betrieben, die jeweils durch eine vergleichsweise früh
im Arbeitstakt erfolgende Einspritzung erzeugt werden. Durch die frühe
Einspritzung steht bis zur Zündung vergleichsweise viel
Zeit zur Verfügung, in der sich der eingespritzte Kraftstoff
homogen im Zylinder verteilen kann. In dieser Betriebsart wird das
vom Verbrennungsmotor 10 erzeugte Drehmoment durch eine
Variation der Luftfüllung der Zylinder durch Ansteuern der
Drosselklappe 18, also durch eine Variation der Quantität
der Zylinderfüllung, eingestellt. Verschiedene Drehmomentwerte
können mit dem gleichen Lambda-Wert realisiert werden.
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Im
aus ökonomischen Gründen bevorzugten Schichtbetrieb
mit großen Luftzahlen Lambda stehen im Abgas nicht genügend
reduzierende Abgasbestandteile wie CO und HC zur Verfügung,
um die emittierten Stickoxide (NOx) in ausreichendem Umfang zu molekularem
Stickstoff zu reduzieren. Die Stickoxide werden in dieser Betriebsart
in den Speicherkatalysatoren 26, 30 gespeichert.
Wenn die Speicherkatalysatoren 26, 30 gefüllt
sind, was im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 nach
einer Zeit in der Größenordnung einer Minute der
Fall ist, müssen sie durch eine reduzierende Abgasatmosphäre
regeneriert werden. Die reduzierende Abgasatmosphäre wird
in der Regel durch ein vorübergehendes kurzzeitiges Betreiben
des Verbrennungsmotors 10 mit homogenen Zylinderfüllungen
und Luftzahlen kleiner als 1 erzeugt. Für eine NOx-Regeneration
reicht eine Dauer des Homogen-Betriebs in der Größenordnung
einer Sekunde aus, so dass sich in der Summe vieler Einspeicherphasen
mit großen Luftzahlen und Regenerationsphasen mit kleinen Luftzahlen
ein im Vergleich zum durchgehenden Betrieb mit Lambda = 1 ökonomischerer
Betrieb des Verbrennungsmotors 10 ergibt.
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Parallel
zur Speicherung von Stickoxiden werden auch Schwefeloxide (SOx)
in den Speicherkatalysatoren 26 und 30 gespeichert.
Dies ist unerwünscht, weil es die Fähigkeit zur
Speicherung der Stickoxide verringert. Um den eingelagerten Schwefel
wieder zu beseitigen, werden die Speicherkatalysatoren von Zeit
zu Zeit auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die eingelagerten
Schwefelverbindungen verfallen und der eingelagerte Schwefel wieder freigesetzt
wird. Diese Aufheizung ist relativ selten erforderlich. Die für
eine solche SOx-Regeneration erforderliche Temperatur ist jedoch
vergleichsweise hoch und wird zum Beispiel bei der regulären
Stickoxid-Regeneration nicht erreicht.
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Im
Folgenden wird unter Bezug auf die 2 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Im Einzelnen zeigt die 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens
zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10, wie es im Steuergerät 42 ausgeführt
wird. Dabei repräsentiert der Schritt 45 ein übergeordnetes
Hauptprogramm HP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 in
einem Normalbetrieb. Dabei wird hier unter einem Normalbetrieb jede
Betriebsart mit der Ausnahme der im Folgenden erläuterten
Betriebsart zur Schwefelregeneration verstanden.
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Aus
dem Hauptprogramm im Schritt 45 wird von Zeit zu Zeit zu
einem Schritt 46 gesprungen, in dem ein Maß m_S
für die Masse an Schwefel gebildet wird, die in einen der
beiden Speicherkatalysatoren 26 und 30 oder in
beide Speicherkatalysatoren 26, 30 seit der letzten
Schwefelregeneration eingelagert worden ist. Die Größe
m_S wird im Folgenden auch als Schwefelbeladung bezeichnet. Im Schritt 48 erfolgt
ein Vergleich der Schwefelbeladung m_S mit einem Schwellenwert S1,
der einen weitgehend mit Schwefel beladenen Speicherkatalysator
charakterisiert. Solange der Schwellenwert S1 im Schritt 48 nicht überschritten
wird, verzweigt das Programm zurück in das Hauptprogramm
des Schrittes 45, in dem der Normalbetrieb des Verbrennungsmotors
fortgesetzt wird. Bei einer Überschreitung des Schwellenwertes
S1 im Schritt 48 schließt sich dagegen die im Folgenden
erläuterte Regeneration der Speicherkatalysatoren 26 und 30 an.
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Dazu
wird in einem Schritt 50 ein Soll-Wert T_soll_26 für
eine Temperatur gebildet, auf die der erste Speicherkatalysator 26 zum
Zweck der Schwefelregeneration aufgeheizt werden soll. Anschließend wird
im Schritt 52 ein Wert der Ist-Temperatur T_ist_26 des
ersten Speicherkatalysators 26 gebildet. Wie bereits erwähnt
worden ist, kann die Bildung des Ist-Wertes T_ist_26 durch Messungen
mit einem Temperatursensor 38 und/oder durch Modellierung der
Temperatur T_ist_26 auf der Basis von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 und
des Abgasstrangs 22 im Steuergerät 42 erfolgen.
Die Art der Ermittlung der Ist-Temperatur T_ist_26 ist daher für
die Erfindung nicht wesentlich.
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Anschließend
wird im Schritt 54 eine Regelabweichung dT = T_soll_26
minus T_ist_26 gebildet. Mit dieser Regelabweichung dT bildet das
Steuergerät 42 im Schritt 56 durch einen
Regelalgorithmus die Stellgrößen S_L zur Steuerung
der Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor 10 und S_K_12 zur
Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu der ersten Zylindergruppe 12, deren
Abgas den ersten Speicherkatalysator 26 aufheizen soll.
Da der Verbrennungsmotor 10 mit der Drosselklappe 18 nur
ein Stellglied zur Einstellung der Luftzufuhr besitzt, kann die
Luftzufuhr nur gleichzeitig für beide Gruppen 12 und 14 der
Zylinder 1 bis 6 des Verbrennungsmotors 10 verstellt
werden. Die Kraftstoffzufuhr kann dagegen individuell für
jede der Gruppen 12 und 14 von Zylindern 1 bis 3 und 4 bis 6 vorgegeben
werden. Dadurch, dass der Regelalgorithmus im Schritt 56 Stellsignale
S_K_12 als Funktion der Regelabweichung dT individuell für
die erste Gruppe 12 bildet, kann die Bildung dieser Stellgrößen für
eine optimale Aufheizung des Speicherkatalysators 26 optimiert
werden. Durch eine wiederholte Abarbeitung der Schritte 52 bis 56,
die sich beim Durchlaufen der Schleife aus den Schritten 52 bis 60 ergibt, realisiert
das Steuergerät 42 einen auf die Eigenschaften
des ersten Speicherkatalysators 26 abgestimmten Temperaturregler.
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Zur
Aufheizung des ersten Speicherkatalysators 26 werden die
Stellgrößen S_L und S_K_12 insbesondere so gebildet,
dass der Speicherkatalysator 26 abwechselnd einer reduzierenden
und einer oxidierenden Abgasatmosphäre ausgesetzt ist,
wobei die wechselnden Abgasatmosphären durch periodisch
abwechselnden Betrieb der Zylindergruppe 12 mit Luftzahlen
Lambda größer als 1 und kleiner als 1 erzeugt
werden. Die Luftzahlen größer als 1 und kleiner
als 1 werden dabei durch Vergrößern und Verringern
der Luftzufuhr oder Verringern und Vergrößern
der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor 10 erzeugt.
Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 bei einem Betrieb mit
Luftzahlen Lambda größer als 1 weitgehend entdrosselt
im Schichtbetrieb betrieben, während er im Betrieb mit
Luftzahlen Lambda kleiner als 1 im Homogen-Betrieb betrieben wird,
so dass der Verbrennungsmotor bei vergrößerter
Luftzufuhr im Schichtbetrieb und bei verringerter Luftzufuhr im Homogenbetrieb
betrieben wird. Die Realisierung der großen Luftzahlen
im Schichtbetrieb ist deshalb vorteilhaft, weil die Magerlauffähigkeit
im Homogenbetrieb begrenzt ist. Bei der Erzeugung der oxidierenden
Abgasatmosphäre im Schichtbetrieb ergibt sich der Lambdawert
aus dem Lastpunkt, also aus dem Drehmomentbedarf des Motors. Beide
Gruppen von Zylindern müssen bei Systemen mit einem gemeinsamen
Luftsteller im Schichtbetrieb mit gleichem Lambda betrieben werden,
sonst gibt es unterschiedliche Drehmomentbeiträge beider
Bänke.
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Die
bei reduzierender Abgasatmosphäre kleinen Luftzahlen werden
dagegen im Homogenbetrieb eingestellt, da die Forderung nach einer
Konstanz des Drehmoments größere Schwankungen
der eingespritzten Kraftstoffmengen im Schichtbetrieb nicht zulässt.
Beim Betrieb mit Luftzahlen kleiner als 1 wird die Luftzahl für
die erste Zylindergruppe 12 durch Ausgabe entsprechender
Kraftstoffstellgrößen S_K_12 so betrieben, dass
sich vor den ersten Speicherkatalysator 26 eine reduzierende
Abgasatmosphäre ergibt. Durch die Reaktionswärme,
die bei der chemischen Reaktion der reduzierenden Abgasatmosphäre
mit dem vorher bei oxidierender Abgasatmosphäre im Speicherkatalysator 26 gespeicherten Sauerstoff
frei wird, wird der erste Speicherkatalysator 26 auf seine
Soll-Temperatur T_soll_26 aufgeheizt. Im Gegensatz zum Schichtbetrieb
können beide Gruppen von Zylindern im Homogenbetrieb zumindest
zeitweise mit unterschiedlicher Luftzahl Lambda betrieben werden.
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Dabei
erfolgt der Wechsel zwischen reduzierender und oxidierender Abgasatmosphäre
so, dass sich eine optimale Aufheizung des ersten Speicherkatalysators 26 ergibt.
Die zweite Gruppe 14 der Zylinder kann während
der Temperaturregelung für den ersten Speicherkatalysator 26 in
Phasen mit Homogen-Betrieb (Fettphasen) ebenfalls Fett betrieben werden,
oder in den Fettphasen der Temperaturregelung für den ersten
Speicherkatalysator 26 mit einer Luftzahl Lambda = 1 betrieben
werden. Im letzteren Fall findet keine Aufheizung des zweiten Speicherkatalysators 30 statt.
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Im
Schritt 58 wird eine Schwefelbeladung m_S_26 des ersten
Speicherkatalysator 26 gebildet und in einem Schritt 60 mit
einem zweiten Schwellenwert S2 verglichen, der kleiner als der erste
Schwellenwert S1 ist und der einen von Schwefel weitgehend regenerierten
Speicherkatalysator repräsentiert. Solange der Schwellenwert
S2 im Schritt 60 nicht unterschritten wird, verzweigt das
Programm zurück in den Schritt 52, so dass die
Regelschleife aus den Schritten 52 bis 60 wiederholt
durchlaufen wird. Erst wenn die Schwefelbeladung m_S_26 des ersten
Speicherkatalysator 26 durch die mit der Aufheizung verbundene
Regeneration so weit verringert wurde, dass sie den zweiten Schwellenwert
S2 im Schritt 60 unterschreitet, wird die genannte Schleife aus
den Schritten 52 bis 60 verlassen und die Temperaturregelung
für den ersten Speicherkatalysator 26 beendet.
Im Flussdiagramm der 2 wird dies dadurch verdeutlicht,
dass die Bildung des Kraftstoff-Stellsignals S_K_12 für
die erste Gruppe von Zylindern 12 im Schritt 62 nicht
mehr als Funktion der Regelabweichung dT erfolgt (S_K_12 ≠ f(dT)).
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Nach
der Beendigung der Schwefelregeneration des ersten Speicherkatalysators 26 wird
im Schritt 64 eine Soll-Temperatur T_soll_30 nur für
den zweiten Speicherkatalysator 30 vorgegeben. In den folgenden
Schritten 66 bis 76 findet dann eine Temperaturregelung
für den zweiten Speicherkatalysator 30 statt,
die vom Ablauf her der bereits beschriebenen Temperaturregelung
der Schritte 52 bis 62 für den ersten
Speicherkatalysator 26 entspricht. Die Schritte 64 bis 66 entsprechen
insofern, mutadis mutandis, den Schritten 50 bis 62.
Während der Regelung der Temperatur des zweiten Speicherkatalysators 30 wird
die erste Gruppe 12 von Zylindern 1 bis 3 in
den Phasen, in denen die Zylinder 4 bis 6 der zweiten
Gruppe 14 von Zylindern fett betrieben werden, bevorzugt
mit einer Luftzahl Lambda = 1 betrieben, so dass der erste Speicherkatalysator 26,
der ja bereits vollständig regeneriert wurde, nicht weiter
geheizt wird.
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Insgesamt
werden die beiden Speicherkatalysatoren 26 und 30 damit
nicht parallel, sondern sequentiell aufgeheizt und regeneriert.
Die Temperaturregelung kann daher jeweils für die Aufheizung
des einen oder des anderen Speicherkatalysators in optimierter Weise
erfolgen. Die Zylindergruppe des Speicherkatalysators, dessen Temperatur
dabei gerade nicht geregelt wird, kann dabei so betrieben werden, dass
in ihm auch keine Heizleistung frei wird. Als Folge ergibt sich
ein verminderter Kraftstoffverbrauch. Vorteilhaft ist auch, dass
dadurch unerwünscht hohe und möglicherweise kritische
Bauteiltemperaturen vermieden werden. Insgesamt ergibt sich dadurch eine
schnelle, vollständige, kraftstoffsparende und temperatur-unkritische
Regeneration beider Speicherkatalysatoren 26 und 30.
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Die
Temperaturregelungen können zum Beispiel dadurch für
jeden Speicherkatalysator 26 oder 30 optimiert
werden, dass die Länge der Phasen mit oxidierender Abgasatmosphäre
und/oder die Abweichung der Luftzahl Lambda vom Wert 1 auf die individuelle
Sauerstoffspeicherkapazität des jeweiligen Speicherkatalysators 26 oder 30 abgestimmt
wird. Die Werte der Sauerstoffspeicherkapazität werden bei
modernen Verbrennungsmotoren durch On Board-Diagnoseroutinen zur
Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Katalysatoren ohnehin
ermittelt und sind daher im Steuergerät 42 bekannt.
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Mit
dem hier vorgestellten Verfahren wird also jeweils ein Temperatur-Soll-Wert
für einen von zwei Speicherkatalysatoren vorgegeben, wobei
für den jeweils anderen Speicherkatalysator keine Soll-Temperatur
angefordert wird. Anschließend stellt eine in das Steuergerät 42 integrierte
Funktion zur Regelung der Temperatur eines Speicherkatalysators 16 oder 30 die
gewünschte Temperatur in dem jeweils aufzuheizenden Katalysator 16 oder 30 durch das
sogenannte chemische Katalysatorheizen mit einem Wechsel zwischen
einem Homogen-Betrieb und reduzierender Abgasatmosphäre
und Schichtbetrieb mit oxidierender Abgasatmosphäre ein.
In den Phasen mit Homogen-Betrieb wird die andere Zylindergruppe
entweder mit einer Luftzahl Lambda = 1 oder ebenfalls mit Luftzahlen
kleiner als 1 betrieben. Beim Betrieb mit Lambda = 1 wird der Speicherkatalysator der
anderen Zylindergruppe nicht geheizt, während er beim Betrieb
mit Luftzahlen Lambda kleiner 1 gewissermaßen mitgeheizt
wird, ohne dass eine spezielle Temperaturanforderung für
ihn gebildet und ausgegeben worden ist.
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Wenn
die Schwefelbeladung des Katalysators, der gerade bei einer für
ihn bestimmten Soll-Temperatur regeneriert wird, auf Null abgenommen
hat oder zumindest den Schwellenwert S2 unterschritten hat, wird
die Temperaturanforderung für diesen Speicherkatalysator
zurückgenommen und eine Temperaturanforderung für
den anderen Speicherkatalysator ausgegeben. Die Temperaturregelfunktion
stellt dann ebenfalls durch chemisches Katalysatorheizen die entsprechende
Temperatur in dem anderen Speicherkatalysator ein. Auch hier kann
die Zylindergruppe, für deren Speicherkatalysator gerade
keine eigene Temperatur gefordert wird, in den Phasen mit Homogen-Betrieb
entweder mit Luftzahlen Lambda = 1 (keine Heizleistung) der Luftzahlen kleiner
als 1 (Heizwirkung tritt auf) betrieben werden.
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Es
versteht sich, dass die Reihenfolge der Regenerationen der Speicherkatalysatoren 26 und 30 im
Prinzip frei wählbar ist, so dass auch der Speicherkatalysator 30 vor
dem Speicherkatalysator 26 regeneriert werden kann. Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, gerade den
Speicherkatalysator zuerst zu regenerieren, der die größere
Schwefelbeladung aufweist.
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Alternativ
kann auch der Speicherkatalysator mit der kleineren Sauerstoffspeicherfähigkeit
zuerst regeneriert werden. Eine andere Ausgestaltung sieht vor,
dass Sauerstoffspeicherfähigkeit beider Katalysatoren 26, 30 ermittelt
wird und dass der Katalysator 26 mit der größeren
Sauerstoffspeicherfähigkeit als erster Katalysator 26 ausgewählt
wird. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass zunächst
ein erster Speicherkatalysator ausschließlich, also ohne
Mitheizen des anderen Speicherkatalysators, geheizt wird. Wenn dann
seine Schwefelbeladung so weit abgenommen hat, dass das Ende seiner
Regenerationsphase absehbar ist, wird mit dem Heizen des zweiten
Speicherkatalysators begonnen, wobei der zweite Speicherkatalysator
zunächst ohne eigene Temperaturanforderung mitgeheizt wird.
Auf diese Weise kann die zur Entschwefelung des zweiten Speicherkatalysators
notwendige Aufheizzeit reduziert werden, was ebenfalls zu einer
Reduzierung der für die Regeneration benötigten
Kraftstoffmenge beiträgt.
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3 zeigt
zeitliche Verläufe von Temperaturanforderungen und Schwefelbeladungen
der Speicherkatalysatoren 26 und 30 bei Ausgestaltungen
erfindungsgemäßer Verfahren. Dabei repräsentiert
der hohe Signalpegel in der 3a, dass
ein Temperatur-Soll-Wert T_soll_26 für den ersten Speicherkatalysator 26 vorgegeben
wird, während ein hoher Signalpegel in der 3b entsprechend
die Vorgabe eines Temperatur-Soll-Wertes T_soll_30 für
den zweiten Speicherkatalysator 30 repräsentiert.
Wie aus der 3 ersichtlich ist, erfolgen
die Temperaturanforderungen nicht parallel, sondern sequentiell.
Die Kurve 78 in der 3c gibt
den zeitlichen Verlauf der Schwefelbeladung m_S_26 des ersten Speicherkatalysators 26 in
Korrelation zu der Temperaturanforderung aus der 3a an.
Wie man sieht, wird zum Zeitpunkt t_0 mit der Aufheizung des Speicherkatalysators 26 durch
Anfordern der erhöhten Temperatur begonnen. Mit der Aufheizung
beginnt die Regeneration des Speicherkatalysators 26, was
zu einer Abnahme seiner Beladung m_S_26 mit Schwefel führt. Zum
Zeitpunkt t_1 ist die Schwefelbeladung m_S_26 des ersten Speicherkatalysators 26 auf
den Wert Null abgesunken und die Temperaturanforderung für
den ersten Speicherkatalysator 26 wird zurückgenommen.
Folglich ändert sich für Zeiten t > t_1 zunächst nichts
mehr an der Schwefelbeladung des ersten Speicherkatalysators 26.
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In
der Ausgestaltung der 3 wird gleichzeitig mit der
Zurücknahme der Temperaturanforderung für den
ersten Speicherkatalysator 26 eine erhöhte Temperatur
für den zweiten Speicherkatalysator 30 angefordert.
Es versteht sich aber, dass der Übergang zwischen diesen
beiden Temperaturanforderungen nicht gleichzeitig erfolgen muss,
sondern dass zwischen beiden Temperaturanforderungen auch eine Pause
liegen kann oder dass es zu einer Überlappung der Anforderungen
kommen kann. Wie bereits erwähnt wurde, kann der zweite
Speicherkatalysator 30 beim Aufheizen des ersten Speicherkatalysators 26 entweder
ohne eigene Temperaturanforderungen mitgeheizt werden oder ohne
Heizleistung betrieben werden, was durch Luftzahlen = 1 in den Homogen-Betriebsphasen
erreicht werden kann.
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Die
Kurve 80 repräsentiert den zeitlichen Verlauf
der Schwefelbeladung des zweiten Speicherkatalysators 30 bei
der Ausgestaltung, in der er nicht mit beheizt wird. Dadurch, dass
der zweite Speicherkatalysator 30 zwischen den Zeiten t_0
und t_1 nicht beheizt wird, verändert sich seine Schwefelbeladung in
dieser Zeitspanne nicht. Sie geht daher erst ab dem Zeitpunkt t_1
zurück, ab dem der zweite Speicherkatalysator 30 durch
eine eigene Temperaturanforderung und eine dadurch ausgelöste
Temperaturregelung aufgeheizt wird.
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Im
Gegensatz dazu repräsentiert die Linie 82 einen
Fall, bei dem der zweite Speicherkatalysator 30 bereits
während der Temperaturregelung für den ersten
Speicherkatalysator 26 mit beheizt wurde. Das Mitheizen
erfolgt in einer Ausgestaltung dadurch, dass der zweite Speicherkatalysator 30 in
den Phasen mit Homogen-Betrieb ebenfalls mit Luftzahlen Lambda kleiner
1 betrieben wird. Da die Regelung der Temperatur in dem Zeitabschnitt
zwischen den Zeitpunkten t_0 und t_1 jedoch für den ersten
Speicherkatalysator 26 optimiert ist, wird sich im Normalfall
keine optimale Regeneration des zweiten Speicherkatalysators 30 ergeben,
weil dieser in der Regel eine andere Sauerstoffspeicherfähigkeit
aufweist als der erste Speicherkatalysator 26. Daher wird
die Kurve 82 zwischen den Zeitpunkten t_0 und t_1 in der Regel
flacher verlaufen als die Kurve 78, die die Abnahme der
Schwefelbeladung des ersten Speicherkatalysators 26 in
dieser Zeitspanne angibt. Erst wenn ab dem Zeitpunkt t_1 eine für
die Eigenschaften des zweiten Speicherkatalysators 30 optimierte Temperaturregelung
folgt, nimmt die Schwefelbeladung des zweiten Speicherkatalysators 30 ähnlich schnell
ab. Durch einen Vergleich der Kurven 80 und 82 ergibt
sich jedoch, dass die Regeneration beider Speicherkatalysatoren 26 und 30 in
der Summe früher beendet werden kann, wenn der zweite Speicherkatalysator 26 beim
Regenerieren des ersten Speicherkatalysators 30 mitgeheizt
wird.
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3 verdeutlicht
damit insbesondere, dass in der ersten Aufheizphase die Temperatur
des ersten Speicherkatalysators geregelt wird und in der zweiten
Aufheizphase die Temperatur des zweiten Speicherkatalysators geregelt
wird.
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In
einer Ausgestaltung wird die zweite Gruppe von Zylindern zu Beginn
der ersten Phase im Homogenbetrieb mit einer größeren
Luftzahl (das heißt: weniger fett oder stöchiometrisch
oder sogar mager) betrieben als die erste Gruppe. Dadurch wird die Heizleistung
der zweiten Gruppe dann beschränkt, wenn die Temperaturregelung
für den ersten Speicherkatalysator erfolgt. Analog kann
die erste Gruppe in der zweiten Phase im Homogenbetrieb mit einer größeren
Luftzahl betrieben werden als die zweite Gruppe, was die Heizleistung
der ersten Gruppe dann beschränkt, wenn die Temperaturregelung
für den zweiten Speicherkatalysator erfolgt. Dadurch wird
eine Überhitzung des jeweils nur mitgeheizten Speicherkatalysators
wirksam verhindert.
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Die
Vorteile der Erfindung werden noch klarer, wenn man als Gegenbeispiel
einen Fall betrachtet, bei dem beide Speicherkatalysatoren zeitlich
parallel mit gleichen Luftzahlen beheizt werden. Der Wechsel zwischen
Schicht- und Homogenbetrieb erfolgt mit einer Periodendauer in der
Größenordnung einer oder weniger Sekunden. Wenn
die Temperatur-Regelung für beide Gruppen und Speicherkatalysatoren
parallel erfolgen würde, wäre die Periodendauer
durch den Kälteren der beiden Speicherkatalysatoren bestimmt.
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Dies
liegt daran, dass jeder Speicherkatalysator ein Potenzial für
die exotherme Generation von Wärme besitzt, das mit seiner
Fähigkeit zur Speicherung der oxidierenden Abgaskomponenten
korreliert. Der Kältere der beiden Speicherkatalysatoren
ist kälter, weil er weniger Wärme generiert. Er
nutzt das angebotene Potenzial an oxidierenden und reduzierenden
Abgasbestandteilen daher nicht aus. Mit Blick auf den für
die Aufheizung aufgewendeten Kraftstoff würde sich dann
ein schlechter Wirkungsgrad der Aufheizung, als Folge eine an sich
unnötige Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und
eine Erhöhung von Emissionen ergeben.
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Ferner
könnte eine durch den kälteren Speicherkatalysator
bestimmte hohe Frequenz bei einem System mit Vorkatalysator und
Speicherkatalysator dazu führen, dass der Schwerpunkt der
Wärmefreisetzung im anderen Strang auf den Vorkatalysator verschoben
wird. Als Folge könnte der Vorkatalysator des anderen Strangs überhitzt
werden während der Speicherkatalysator des anderen Strangs
unter Umständen nur unzureichend geheizt würde.
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Die
Erfindung wurde zwar im Zusammenhang mit Anordnungen beschrieben,
die einen ersten Speicherkatalysator als ersten Katalysator 26 und
einem zweiten Speicherkatalysator als zweiten Katalysator 30 aufweisen,
sie ist aber nicht auf Anordnungen mit solchen Speicherkatalysatoren
beschränkt. Es sind auch Anordnungen mit gleicher Topologie
bekannt, bei denen statt Speicherkatalysatoren Drei-Wege-Katalysatoren
als Hauptkatalysatoren als erster Katalysator 26 und zweiter
Katalysator 30 verwendet werden. Die Schadstoffkonvertierungs-Fähigkeiten
solcher Drei-Wege-Katalysatoren korreliert mit ihrer Sauerstoffspeicherfähigkeit,
die ebenfalls durch eine Einlagerung von Schwefeloxiden beeinträchtigt
werden kann. Um solche Drei-Wege-Katalysatoren von eingelagertem
Schwefel oder Schwefeloxiden zu regenerieren, ist ebenfalls eine
Aufheizung der Katalysatoren erforderlich. Diese Aufheizung kann
mit der gleichen Strategie erfolgen, wie sie weiter oben in Verbindung
mit Speicherkatalysatoren als Katalysatoren 26 und 30 erläutert
worden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10312587
A1 [0003]
- - DE 10312587 [0004]