DE102021112911A1

DE102021112911A1 - Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102021112911A1
Application number: DE102021112911.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) ein Drei-Wege-Katalysator (28) angeordnet ist, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage (20) eine erste Lambdasonde (32) vorgeschaltet und mindestens ein weiterer Abgassensor (34) nachgeschaltet ist, welches folgende Schritte umfasst.- Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses in der Abgasanlage (20) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (28),- Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses oder einer Schadstoffkonzentration stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (28)- Alternierender Wechsel zwischen einem unterstöchiometrischen und überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis, wenn am zweiten Abgassensor ein Umschaltsignal detektiert wird.Es ist vorgesehen, dass die Lambdaregelung des Verbrennungsmotors (10) durch eine asymmetrische Eigenfrequenzregelung oder eine Eigenfrequenzregelung mit Adaption der Lambdavorsteuerung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mittels Zündkerzen fremdgezündeten Verbrennungsmotors nach dem Ottoprinzip, sowie einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Verringerung der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wurden für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben. Mit Einführung der Abgasnorm EU7 werden die bestehenden Grenzwerte für limitierte Abgaskomponenten wie Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide weiter verschärft. Zusätzlich könnte diese Abgasnorm weitere Abgaskomponenten wie Ammoniak oder Lachgas limitieren. Bei Ottomotoren wird Ammoniak in der Abgasanlage gebildet, wenn es zu einem Fett-Durchbruch durch einen Drei-Wege-Katalysator kommt. Aus diesem Ammoniak kann über weitere Reaktionen in der Abgasanlage Lachgas entstehen. Die Bildung von Ammoniak und Lachgas sind zu vermeiden. Eine Limitierung dieser beiden Abgaskomponenten erhöht die Anforderung an eine Lambdaregelung des Verbrennungsmotors.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nach dem Prinzip der Eigenfrequenzregelung erfolgt ein Umschalten von einer Fettphase des Verbrennungsmotors auf eine Magerphase erst dann, wenn an einer Abgassonde stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators eine Änderung der Abgaszusammensetzung detektiert wird. Da nach Umschalten stets zunächst eine Abgassäule vom Brennraum über den Katalysator bis hin zum Abgassensor durch die Abgasanlage strömt, lassen sich Magerdurchbrüche mit einem Anstieg der Stickoxidemissionen und Fettdurchbrüche mit einem Anstieg der Ammoniak- (NH3) und Lachgas-(N2O) Emissionen nicht vollständig vermeiden.
Aus der DE 103 10 672 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung eines Kraftstoff-Luftverhältnisses in den Brennräumen eines Verbrennungsmotors bekannt. Das Kraftstoff-Luftverhältnis wird mittels einer Kennlinie des Regelsignals zwischen einem mageren Betriebszustand mit Sauerstoffüberschuss und einem fetten Betriebszustand mit Sauerstoffmangel hin- und hergeschaltet, wobei die Kennlinie des Regelsignals an einen aktuellen Katalysatorzustand angepasst wird.
Die EP 1 405 999 A2 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kraftstoffeinspritzsystem. In der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ist ein Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit angeordnet. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird zyklisch zwischen einem Magerbetrieb, bei dem der Sauerstoffspeicher des Katalysators beladen wird und einem Fettbetrieb, bei dem der Sauerstoffspeicher des Katalysators entladen wird, gewechselt, um durch die Reaktionswärme der Reaktion nicht verbrannter Kraftstoffkomponenten mit dem Sauerstoff im Katalysator denselben aufzuheizen.
Die DE 10 2005 044 729 A1 beschreibt ein Verfahren zur Lambdaregelung eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, wobei die Abgasanlage einen vorderen Lambdaregelkreis und einen hinteren Lambdaregelkreis mit zumindest einem stromabwärts des Katalysators angeordneten hinteren Sauerstoffsensor aufweist. Dabei wird von dem hinteren Lambdaregelkreis ein Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors verarbeitet, ein Differenzwert zu einem hinteren Soll-Lambdawert gebildet und eine auf den Soll-Lambdawert des vorderen Lambdaregelkreises wirkende Stellgröße ausgegeben. Es ist vorgesehen, dass nach einem Vorzeichenwechsel des Differenzwertes für ein Zeitintervall seit dem Vorzeichenwechsel eine in den Katalysator eingetragenen und ausgetragenen Sauerstoffmenge ermittelt und die Stellgröße des hinteren Lambdaregelkreises zusätzlich in Abhängigkeit von der bilanzierten Sauerstoffmenge gewählt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Ammoniak-, Lachgas- und Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors weiter zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors gelöst, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei ist in der Abgasanlage ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage eine erste Lambdasonde vorgeschaltet und mindestens ein weiterer Abgassensor nachgeschaltet ist, welches folgende Schritte umfasst.

- Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses in der Abgasanlage stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators,
- Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses oder einer Schadstoffkonzentration stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators,
- Umschalten von einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, wenn an dem weiteren Abgassensor ein Fettdurchbruch oder ein Anstieg der Ammoniak-Emissionen detektiert wird,
- Umschalten von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, wenn an dem weiteren Abgassensor ein Magerdurchbruch oder ein Anstieg der Stickoxidemissionen detektiert wird, wobei
- alternierend zwischen einem unterstöchiometrischen und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis gewechselt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis zumindest am Ende eines unterstöchiometrischen Betriebs eine geringere Abweichung von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis aufweist als ein Mittelwert des überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können die Ammoniak(NH₃)- und Lachgas(N₂O)-Emissionen eines Verbrennungsmotors deutlich reduziert werden, da ein Fettdurchbruch mit einem bereits nahezu stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgt und somit die gebildeten Mengen an Ammoniak und Lachgas gegenüber bekannten Verfahren reduziert sind. Durch die beschriebene Regelstrategie treten geringere Endrohremissionen im Schadenfall eines stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordneten zweiten Drei-Wege-Katalysators auf, da die Fett- und Magerphasen in geringerem Maße durchbrechen. Hierdurch ist es denkbar, dass das Gesamtsystem auch ohne einen zweiten Drei-Wege-Katalysator unterhalb der On-Board-Diagnose-Schwelle bleibt. Dies könnte dazu führen, dass eine aktive Diagnose des zweiten Katalysators entfallen kann. Aktive Diagnosen haben den Nachteil, dass das Durchführen einer solchen aktiven Diagnose zu einem kurzfristigen Anstieg der Endrohremissionen führt. Darüber hinaus sind für diese Diagnosen umfangreiche Entwicklungstätigkeiten notwendig, die durch das vorgeschlagene Verfahren gegebenenfalls entfallen können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch vorgeschlagenen Verfahrens zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein asymmetrisches Verhältnis von unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis gewählt wird, wobei die unterstöchiometrischen Betriebsphasen länger als die überstöchiometrischen Betriebsphasen sind und das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis näher an einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis liegt als das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis. Durch eine solche asymmetrische Lambda-Eigenfrequenzregelung können die Ammoniak- und Lachgasemissionen mit einer besonders einfachen Regelung minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis und das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis in einem Intervall von einem Umschaltevent bis zum nachfolgenden Umschaltevent jeweils konstant gehalten werden. Ein konstantes unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bei einem Fettbetrieb und ein weiteres konstantes überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bei einem Magerbetrieb sind die einfachste Form der Lambdaregelung, welche die erfindungsgemäßen Vorteile aufweist.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis im Bereich 0,99 < λ_E < 1 und das überstöchiometrisch Verbrennungsluftverhältnis im Bereich 1,01 < λ_E < 1,03 gewählt werden. Dadurch kann ein besonders „sanfter“ Sprung nach einem Fettdurchbruch durch den ersten Drei-Wege-Katalysator erzielt werden, wodurch der Anstieg der Ammoniak- und Lachgasemissionen besonders gering gehalten werden kann.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis gegen Ende eines unterstöchiometrischen Intervalls an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert. Durch eine Annäherung in der Endphase kann der gleich Effekt bezüglich geringer Emissionen nach einem Fettdurchbruch erzielt werden. Zusätzlich können die Anfangsphasen der Fettabschnitte entsprechend weiter entfernt von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis durchgeführt werden und somit die Reaktionsgeschwindigkeit im Drei-Wege-Katalysator erhöht werden.
Bevorzugt ist dabei, dass sich zusätzlich das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis gegen Ende eine überstöchiometrischen Intervalls an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert. Durch eine zusätzliche Annäherung an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis können auch die Stickoxidemissionen weiter minimiert werden, da Magerdurchbrüche bei gleichen Betriebsbedingungen ebenfalls weniger stark ausfallen als in den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Verbrennungsmotor nach einem Wechsel von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis zunächst mit einem konstanten unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und sich das Verbrennungsluftverhältnis ausgehend von diesem konstanten unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert, wenn ein Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators eine Restbeladung von 1% bis 30%, vorzugsweise von 5% bis 25%, besonders bevorzugt von 10% bis 20% aufweist. Durch eine Annäherung an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bei entweder fast vollständig gefülltem Sauerstoffspeicher in der Magerphase oder fast vollständig entleertem Sauerstoffspeicher in der Fettphase können die Vorteile einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit in der Anfangsphase und die geringeren Auswirkungen der jeweiligen Durchbrüche durch die jeweilige Anpassung in der Endphase kombiniert werden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass alle 50 bis 2000 Phasenwechsel ein bis zehn Intervalle ohne Annäherung an das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis durchgeführt werden, um die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators zu ermitteln. Durch eine regelmäßige Rekalibrierung der im Motorsteuergerät abgespeicherten Sauerstoffspeicher können die Reserven entsprechend ausgenutzt werden. Ferner kann sichergestellt werden, dass rechtzeitig vor einem Durchbruch eine Annäherung an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis erfolgt und somit die Auswirkungen eines Durchbruchs entsprechend gering ausfallen.
Ein zweiter Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Motorsteuergerät mit einer Speichereinheit und einer Recheneinheit sowie einem in der Speichereinheit abgelegten maschinenlesbaren Programmcode, wobei das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird. Durch ein entsprechendes Motorsteuergerät kann das beschriebene Verfahren und die dazugehörige Regelung des Verbrennungsmotors auf einfache Art und Weise durchgeführt werden.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betriff einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, in welcher mindestens ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage eine erste Lambdasonde vorgeschaltet und mindestens ein weiterer Abgassensor nachgeschaltet ist, sowie mit einem solchen Motorsteuergerät.
Ein solcher Verbrennungsmotor ermöglicht es, die Emissionen an bislang nicht limitierten Abgaskomponenten wie Ammoniak oder Lachgas ohne zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponenten signifikant zu reduzieren.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors;
2 ein Lambda-Eigenfrequenzregelung mit asymmetrischer Amplitude zur Minderung der Ammoniak- und Lachgasemissionen;
3 eine Lambda-Eigenfrequenzregelung mit Adaption der Lambdavorsteuerung zur Minderung der Ammoniak- und Lachgasemissionen;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Lambda-Eigenfrequenzregelung zur Minderung der Ammoniak- und Lachgasemissionen; und
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Lambda-Eigenfrequenzregelung zur Minderung der Ammoniak- und Lachgasemissionen.

1 zeigt einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip. Der Verbrennungsmotor weist mindestens einen Brennraum 12, vorzugsweise wie in 1 dargestellt mehrere Brennräume 12, auf. An den Brennräumen 12 sind jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 und eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 und stromabwärts der Turbine 26 ein erster Drei-Wege-Katalysator 28 und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet sind. Stromabwärts der Turbine 26 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 ist eine erste Lambdasonde 32, insbesondere eine Breitbandsonde 36, angeordnet. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ist eine zweite Abgassonde 34, insbesondere ein zweite Lambdasonde 38, angeordnet. Die zweite Lambdasonde 38 ist vorzugsweise als Sprungsonde 42 ausgeführt, kann aber auch als Breitbandsonde 44 ausgeführt sein. Alternativ kann die zweite Abgassonde 34 auch als NOx-NH3-Kombisensor 40 ausgeführt sein. Als weitere Alternative kann die zweite Abgassonde auch als NOx-Sensor 46 oder als NH3-Sensor 48 ausgeführt sein.
Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Motorsteuergerät 50 in Wirkverbindung, welches über Signalleitungen mit den Kraftstoffinjektoren 14 und den Abgassonden 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 verbunden ist. Das Steuergerät 50 umfasst eine Speichereinheit 52, in welcher ein maschinenlesbarer Programmcode 56 zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens abgelegt ist, sowie eine Recheneinheit 54, welche ein solches Verfahren ausführt, wenn der maschinenlesbare Programmcode 56 durch die Recheneinheit 54 ausgeführt wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor 10 auch als Saugmotor ausgeführt werden. In dieser Ausführungsform entfällt der Abgasturbolader 24 mit der Turbine 26. Dabei ist die erste Lambdasonde 32, welche bevorzugt als eine Breitbandsonde 36 ausgeführt ist, stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 angeordnet. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ist eine zweite Abgassonde 34, insbesondere ein zweite Lambdasonde 38, angeordnet. Die zweite Lambdasonde 38 ist vorzugsweise als Sprungsonde 42 ausgeführt, kann aber auch als Breitbandsonde 44 ausgeführt sein. Alternativ kann die zweite Abgassonde 34 auch als NOx-NH3-Kombisensor 40 ausgeführt sein. Als weitere Alternative kann die zweite Abgassonde auch als NOx-Sensor 46 oder als NH3-Sensor 48 ausgeführt sein. Alternativ kann der erste Drei-Wege-Katalysator auch als Lambdasondenkatalysator ausgeführt werden. Dabei wird die zweite Abgassonde 34 in den Drei-Wege-Katalysator 28 integriert. Ferner kann einer der Drei-Wege-Katalysatoren 28, 30 auch zusätzlich eine Partikelfilterfunktion aufweisen und als sogenannter Vier-Wege-Katalysator ausgeführt sein. Ferner kann in der Abgasanlage 20, vorzugsweise stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ein Partikelfilter angeordnet sein.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Um die Gefahr eines Fettdurchbruchs durch den ersten Drei-Wege-Katalysator 28 und die daraus resultierenden Anstiege der Ammoniak- und Lachgasemissionen zu verringern, wird der Verbrennungsmotor 10 mit einer asymmetrischen Lambda-Eigenfrequenzregelung betrieben. Dazu wird das Verbrennungsluftverhältnis λ_E in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 in den Fettphasen, also bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 näher an einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E = 1) als in den Magerphasen, also bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1. Daraus resultiert, dass die Fettphasen entsprechend länger und die Magerphasen entsprechend kürzer sind. Da die Fettphasen entsprechend dicht an einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere im Bereich 0,99 < λ_E <1 liegen, strömen nach Detektieren eines Fettdurchbruchs durch die zweite Abgassonde 34 und einem daraus resultierenden Umschalten auf einen überstöchiometrischen Betrieb nur noch sehr geringe Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen nach, sodass auf dem ersten Drei-Wege-Katalysator 28 nur minimale Mengen an Ammoniak gebildet werden. Somit wird auch die Bildung von Lachgas als Reaktionsprodukt aus dem auf diese Art und Weise entstehenden Ammoniak deutlich verringert.
In den Magerphasen wird der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, welches vorzugsweise im Bereich von 1,01 < λ_E <1,03 liegt. Somit kann der Sauerstoffspeicher des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 vergleichsweise schnell wieder aufgefüllt werden, um in einer nachfolgenden Fettphase die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren und somit die Emissionen effizient zu verringern.
In 3 ist ein weiterer Verlauf eines Verbrennungsluftverhältnisses bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen dargestellt. Dabei wird nach einem Umschaltevent sowohl im unterstöchiometrischen Betrieb als auch im überstöchiometrischen Betrieb zunächst ein jeweils konstantes Verbrennungsluftverhältnis gewählt, wobei in einem Endabschnitt einer Betriebsphase mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und in eine Endabschnitt einer Betriebsphase mit überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis jeweils in Richtung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses angepasst wird. Dabei erfolgt der Winkel und die Lage der Mager- bzw. Fettabsteuerung abhängig von der prognostizierten Sauerstoffbeladung des Drei-Wege-Katalysators 28. Dabei beginnt die magere Absteuerung, d.h. die Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses in Richtung stöchiometrisch in einer überstöchiometrischen Verbrennungsphase bei einer Beladung des Sauerstoffspeichers von 70% bis 99%. Die fette Absteuerung, d.h. die Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses in Richtung stöchiometrisch in einer unterstöchiometrischen Verbrennungsphase bei einer Beladung des Sauerstoffspeichers von 1% bis 30%. Der Phasenwechsel folgt weiterhin erst bei einem Spannungssprung, d.h. bei einem Mager- oder Fettdurchbruch beziehungsweise einem NOx- oder NH3-Durchbruch.
Optional kann wie in 3 alle 50 bis 2000 Phasenwechsel eine Rekalibrierung der Abschätzung des Sauerstoffspeichers des Drei-Wege-Katalysators 28 erfolgen. In diesen Rekalibrierungszyklen erfolgt ein Umschalten ohne vorhergehende Annäherung an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis.
In 4 ist ein weiterer Verlauf eines Verbrennungsluftverhältnisses bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Verlauf wie in 3 dargestellt, erfolgt in der überstöchiometrischen Betriebsphase keine Magerabsteuerung, d.h. keine Annäherung an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis. Dabei ergibt sich wie zu 2 ausgeführt ein asymmetrisches Verhältnis von längeren unterstöchiometrischen Intervallen und kürzeren überstöchiometrischen Intervallen, um im Mittelwert ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis zu erhalten.
In 5 ist ein weiterer Verlauf eines Verbrennungsluftverhältnisses bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen dargestellt. Nach einem Umschaltevent wird dabei sowohl in einer unterstöchiometrischen als auch bei einer überstöchiometrischen Betriebsphase das Verbrennungsluftverhältnis kontinuierlich in Richtung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses angepasst, so dass sich für beide Betriebssituationen jeweils der in 5 dargestellte Sägezahn-ähnliche Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses ergibt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: erster Drei-Wege-Katalysator
30: zweiter Drei-Wege-Katalysator
32: erste Lambdasonde
34: zweite Abgassonde
36: Breitbandsonde
38: zweite Lambdasonde
40: NOx-NH3-Sensor
42: Sprungsonde
44: Breitbandsonde
46: NOx-Sensor
48: NH3-Sensor
50: Steuergerät
52: Speichereinheit
54: Recheneinheit
56: Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10310672 A1 [0004]
EP 1405999 A2 [0005]
DE 102005044729 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Minimierung der Ammoniak- und Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) ein Drei-Wege-Katalysator (28) angeordnet ist, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage (20) eine erste Lambdasonde (32) vorgeschaltet und mindestens ein weiterer Abgassensor (34) nachgeschaltet ist, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses in der Abgasanlage (20) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (28), - Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses oder einer Schadstoffkonzentration stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (28), - Umschalten von einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (AE < 1) auf ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ_E > 1), wenn an dem weiteren Abgassensor (34) ein Fettdurchbruch oder ein Anstieg der Ammoniak-Emissionen detektiert wird, - Umschalten von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, wenn an dem weiteren Abgassensor ein Magerdurchbruch oder ein Anstieg der Stickoxidemissionen detektiert wird, wobei - alternierend zwischen einem unterstöchiometrischen und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis zumindest am Ende eines unterstöchiometrischen Betriebs des Verbrennungsmotors eine geringere Abweichung von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis aufweist als ein Mittelwert des überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein asymmetrisches Verhältnis von unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis gewählt wird, wobei die unterstöchiometrischen Betriebsphasen länger als die überstöchiometrischen Betriebsphasen sind und das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis näher an einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis liegt als das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis und das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis von einem Umschaltevent bis zum nachfolgenden Umschaltevent jeweils konstant gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis im Bereich 0,99 < λ_E < 1 und das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis im Bereich 1,01 < λ_E <1,03 gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis gegen Ende eines unterstöchiometrischen Intervalls an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis gegen Ende eines überstöchiometrischen Intervalls an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach einem Wechsel von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis zunächst mit einem konstanten unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und sich das Verbrennungsluftverhältnis ausgehend von diesem konstantem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis an ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis annähert, wenn ein Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators (28) eine Restbeladung von 1% bis 30% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle 50 bis 2000 Phasenwechsel ein bis zehn Intervalle ohne Annäherung an das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis durchgeführt werden, um die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators (28) zu ermitteln.
Motorsteuergerät (50) mit einer Speichereinheit (52) und einer Recheneinheit (54) sowie einem in der Speichereinheit (52) abgelegten maschinenlesbaren Programmcode (56), wobei das Motorsteuergerät (50) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode (56) durch die Recheneinheit (54) des Motorsteuergeräts (50) ausgeführt wird.
Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher mindestens ein Drei-Wege-Katalysator (28) angeordnet ist, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage (20) eine erste Lambdasonde (32) vorgeschaltet und mindestens ein weiterer Abgassensor (34) nachgeschaltet ist, sowie mit einem Steuergerät nach Anspruch 9.