DE10321311B4

DE10321311B4 - Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators und Kraftmaschine mit Steuereinheit

Info

Publication number: DE10321311B4
Application number: DE2003121311
Authority: DE
Inventors: Dr. Zillmer Michael; Dr. Pott Ekkehard; Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: DE10321311A1

Abstract

Verfahren zum Aufheizen mindestens eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysators (24), insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators, dem zumindest ein Vorkatalysator (22) vorgeschaltet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) alternierend in Intervallen mit einem mageren Lambdawert (λM) und einem fetten Lambdawert (λF) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdaabsenkung während eines Wechsels von einem mageren in ein fettes Betriebsintervall mehrphasig durchgeführt wird, wobei zunächst eine Übergangsphase durchgeführt wird, in welcher der Lambdawert derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass am Ende der Übergangsphase ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen Vorkatalysators (22) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist und wobei zumindest über einen Teilbereich der Lambdaabsenkung der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise abgesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines einer Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit zur Steuerung des Verfahrens.
Zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen wird dieses üblicherweise katalytisch gereinigt. Dazu wird das Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases vornimmt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NO_x) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NO_x) gleichzeitig zu katalysieren. Daneben sind auch Speicherkatalysatoren, beispielsweise NO_x-Speicherkatalysatoren, bekannt. Letztere werden bei der Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, die aus Gründen einer Verbrauchsoptimierung wenigstens zeitweise in einem mageren Betriebsmodus, das heißt mit einem sauerstoffreichen (mageren, überstöchiometrischen) Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Lambda größer 1, betrieben werden. Die hierbei entstehenden Stickoxide NO_x können wegen des Sauerstoffüberschusses im Magerbetrieb 3-Wege-katalytisch nicht vollständig zu umweltneutralem Stickstoff umgesetzt werden. Statt dessen wird NO_x in der NO_x-Speicherkomponente des Speicherkatalysators eingelagert und in zwischengeschalteten Regenerationsphasen bei unterstöchiometrischem (fettem) bis stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei λ ≤ 1 wieder desorbiert und an Edelmetallen einer 3-Wege-katalytischen Komponente des NO_x-Speicherkatalysators reduziert.
DE 198 01 815 A1 beschreibt ein Verfahren zur NO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators, bei dem der Katalysator abwechselnd mit einem mageren und einem fetten Abgas beaufschlagt wird, wobei der mittlere Lambdawert größer oder gleich eins ist, d. h. im mageren Bereich liegt. Dabei kann der zeitliche Verlauf des motorischen Lambdawertes sinusförmig sein oder eine Dreiecks-, insbesondere Sägezahnschwingung.
Ein Problem für NO_x-Speicherkatalysatoren stellt im Kraftstoff vorhandener Schwefel dar, der in Form von Sulfat ebenfalls in den NO_x-Speicher eingelagert wird. Dies führt dazu, dass Speicherplätze für die Stickoxideinlagerung blockiert werden, wodurch die NO_x-Speicherkapazität des Katalysators abnimmt und die Magerbetriebszeiten bis zur Auslösung einer NO_x-Regeneration kontinuierlich verkürzt werden. Dies führt zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs. Langfristig kann es zudem zu irreversiblen Schädigungen des Katalysators kommen. Überschreitet die eingelagerte Schwefelmenge bestimmte Schwellenwerte, so muss, um unzulässig hohe Stickoxidemissionen zu vermeiden, der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine teilweise oder sogar ganz unterdrückt werden.
Zur Aufrechterhaltung der NO_x-Speicherkapazität und damit des wirkungsgradgünstigen Magerbetriebs sind daher Entschwefelungen des NO_x-Speicherkatalysators erforderlich. Aufgrund der vergleichsweise hohen Stabilität der eingelagerten Sulfate muss der Speicherkatalysator während der Entschwefelung auf Temperaturen oberhalb von etwa 650°C aufgeheizt und mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt werden. Wird das Kraftfahrzeug mit höheren Drehzahlen und Motorbelastungen, beispielsweise auf Landstraßen oder Autobahnen, betrieben, können sich im NO_x-Speicherkatalysator die erforderlichen Entschwefelungstemperaturen einstellen, wodurch der Schwefel im normalen Fahrbetrieb wieder ausgetragen wird. Wird das Fahrzeug dagegen im Schwachlastbereich, beispielsweise im Stadtverkehr, betrieben, liegen die Temperaturen im Katalysator in der Regel unterhalb der Entschwefelungstemperatur, weswegen hier eine aktiv eingeleitete Entschwefelung erforderlich werden kann. Zum Erreichen ausreichend hoher Temperaturen sind somit spezielle Katalysatorheizmaßnahmen erforderlich. Da diese einen Kraftstoffmehrverbrauch verursachen, wird grundsätzlich ein effektives Verfahren angestrebt, um den NO_x-Speicherkatalysator möglichst schnell aufzuheizen.
Gegenüber thermischen Katalysatorheizverfahren, wie der Zündwinkelspätverstellung, bieten chemische Verfahren, die eine Katalysatoraufheizung durch Eintragung erhöhter Mengen brennbarer Abgaskomponenten bewirken, den Vorteil, dass die exotherme Reaktionswärme beim Umsetzen dieser Komponenten direkt im Katalysator freigesetzt wird. Dadurch werden zusätzliche Wärmeverluste über die Abgasstrecke vermieden. Eine bekannte Variante des chemischen Aufheizens ist das periodische Füllen und Entleeren eines Sauerstoffspeichers des zu beheizenden Katalysators, wofür die Verbrennungskraftmaschine alternierend in Intervallen mit einem mageren und fetten Lambdawert betrieben wird (siehe z. B. EP 1 036 927 A2 ). Die dabei frei werdende Reaktionswärme kann durch die Wahl der fetten und mageren Luftverhältnisse (Amplitude) sowie die Dauer der Mager- und Fettintervalle beeinflusst werden. Eine schnelle Katalysatoraufheizung ist insbesondere mit einem sehr geringen Lambdawert in den Fettintervallen möglich.
Bei diesem Verfahren besteht jedoch das Problem, dass auch der Sauerstoffspeicher eines dem zu beheizenden Katalysator vorgeschalteten Vorkatalysators periodisch geleert und gefüllt wird, so dass es auch bei diesem zu einem Temperaturstieg kommt. Da der Vorkatalysator aufgrund seiner motornahen Anordnung im Fahrbetrieb ohnehin ein höheres Temperaturniveau aufweist, besteht die Gefahr, dass dieser beim chemischen Katalysatorheizen über seine maximal zulässige Temperatur aufgeheizt wird, wodurch eine unzulässig starke Alterung eintreten kann. Um diesen Alterungseffekten entgegenzutreten, ist bekannt, den Vorkatalysator mit übermäßig hohen Edelmetallbeladungen als Sicherheitsreserve auszustatten, so dass diese das Nachlassen der katalytischen Leistung abpuffern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, das chemische Heizverfahren für Katalysatoren dahin weiterzuentwickeln, dass ein dem zu beheizenden Katalysator vorgeschalteter Katalysator eine möglichst geringe thermische Belastung erfährt. Ferner soll ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt werden, welches in der Lage ist, dieses Verfahren durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem eine Lambdaabsenkung während eines Wechsels von einem mageren in ein fettes Betriebsintervall mehrphasig, das heißt mindestens zweiphasig, durchgeführt wird, wobei zumindest über einen Teilbereich der Lambdaabsenkung der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise abgesteuert wird. Hierdurch wird bei jedem Wechsel von mager nach fett ein Sauerstoffspeicher eines dem zu beheizenden Katalysator, insbesondere dem NO_x-Speicherkatalysator, vorgeschalteten Vorkatalysators nicht schlagartig, sondern allmählich entleert. Dementsprechend erfolgt eine allmähliche Flutung des Vorkatalysators mit Reduktionsmitteln (HC und CO), so dass Temperaturspitzen infolge der exothermen Umsetzung am Vorkatalysator weitgehend unterdrückt werden. Infolgedessen findet eine geringere thermische Belastung des Vorkatalysators statt und seine Überhitzung auf unzulässig hohe Temperaturen kann weitgehend vermieden werden. Dies führt zu einer langsameren Alterung des Vorkatalysators, wodurch wiederum seine Edelmetallbeladung gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden kann.
Nach der vorliegenden Erfindung wird während der Lambdaabsenkung zunächst eine Übergangsphase durchgeführt, in welcher der Lambdawert derart gesteuert oder geregelt oder nacheinander gesteuert und geregelt wird, dass am Ende der Übergangsphase ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen Vorkatalysators zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Diese Sauerstoffentleerung kann in verschiedenen Varianten durchgeführt werden.
Nach einer ersten vorteilhaften Variante umfasst die Übergangsphase zunächst eine Stufe, in welcher der Lambdawert auf ein zumindest annähernd stöchiometrisch oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda abgesenkt wird, und eine anschließende Phase, in welcher der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise auf den fetten Lambdawert des fetten Betriebsintervalls weiter abgesenkt wird, bis der mindestens eine Vorkatalysator zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Diese Absteuerung kann gesteuert und/oder geregelt durchgeführt werden. Das Übergangslambda dieser Ausführungsvariante beträgt vorteilhaft 0,90 bis 1,05, insbesondere 0,93 bis 1,02. Besonders vorteilhaft wird ein Übergangslambda von 0,97 bis 1,00 gewählt.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die Übergangsphase ebenfalls eine Stufe, in welcher der Lambdawert auf ein zumindest annähernd stöchiometrisches oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda abgesenkt wird, und eine anschließende Phase, in welcher das Übergangslambda weitgehend konstant gehalten wird, so lange, bis der mindestens eine Vorkatalysator zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Anschließend wird der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise auf den vorgegebenen fetten Lambdawert des Fettintervalls abgesenkt. Gemäß dieser Ausführungsvariante ist ein Übergangslambda von 0,90 bis 1,00, insbesondere 0,92 bis 0,98, vorteilhaft vorgesehen. Vorzugsweise wird ein Übergangslambda von 0,94 bis 0,96 eingestellt. Tendenziell ist also ein leicht fetteres Übergangslambda vorzuziehen.
Die Übergangsphase, insbesondere die kontinuierliche und/oder stufenweise Absenkung des Lambdawerts gemäß Variante 1 und die Länge der Konstanthaltung des Übergangslambdas gemäß Variante 2, kann gesteuert oder geregelt durchgeführt werden.
Im Falle der Steuerung wird etwa auf ein gespeichertes Rechenmodell zurückgegriffen, welches die Sauerstoffspeicherkapazität des Vorkatalysators sowie das Sauerstoffausspeicherverhalten in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt. Hierzu können gespeicherte betriebspunktabhängige Kennfelder Verwendung finden. Das Rechenmodell kann ferner einen typischen Alterungsverlauf des Vorkatalysators berücksichtigen.
Vorzugsweise ist stromab des Vorkatalysators eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung angeordnet, insbesondere eine Lambdasonde, welche die Sauerstoffausspeicherung überwacht und so eine geregelte Durchführung der Übergangsphase ermöglicht. Insbesondere kann die Übergangsphase beendet werden, wenn der gemessene Lambdawert eine vorgegebene oder vorgebbare Lambdaschwelle unterschreitet (zweite Variante). Diese kann in Abhängigkeit des eingestellten Übergangslambdas 0,95 bis 1,03, insbesondere 0,97 bis 1,01, vorzugsweise 0,98 bis 0,9995, betragen. Alternativ kann die Anreichungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der tatsächlichen gemessenen Sauerstoffausspeicherung variiert werden (erste Variante).
Im Falle der gesteuerten Durchführung kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ebenfalls die Sauerstoffausspeicherung aus dem Vorkatalysator mittels der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung gemessen werden, wobei das gespeicherte Rechenmodell anhand der gemessenen Werte korrigiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich besonders vorteilhaft über die Laufzeit sich ändernde Katalysatorzustände berücksichtigen.
Alle verfahrensrelevanten Parameter der Übergangsphase, insbesondere das Übergangslambda und/oder die Anreicherungsgeschwindigkeit, mit der die degressive Lambdaabsenkung durchgeführt wird, können in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Temperatur des Vorkatalysators und/oder des zu beheizenden Katalysators, der Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, der Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens einen Vorkatalysators, einer seit Beginn der Übergangsphase verstrichenen Zeit einer Abgaszusammensetzung und/oder weiterer Parameter vorgegeben werden.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit zur Steuerung des Aufheizverfahrens nach Anspruch 16 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst die Steuereinheit Mittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Kraftfahrzeugs sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeitliche Lambda- und Katalysatortemperaturverläufe bei einem Aufheizverfahren gemäß Stand der Technik;
3 zeitliche Verläufe von Lambda, Katalysatortemperatur und Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators gemäß einer ersten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
4 Lambdaverläufe gemäß einer zweiten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung und
5 Verläufe der Katalysatortemperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine 10 und einer dieser nachgeschalteten, insgesamt mit 12 bezeichneten Abgasanlage. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird in bekannter Weise durch eine Motorsteuerung 14 in Abhängigkeit einer Vielzahl von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise eines von dieser angetriebenen Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) gesteuert. Beispielsweise steuert die Motorsteuerung 14 eine der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luftmasse durch Stellung einer in einem Ansaugrohr 16 angeordneten Drosselklappe 18 in Abhängigkeit von einer angeforderten Motorlast. Desgleichen wird eine insbesondere direkt eingespritzte Kraftstoffmenge von der Motorsteuerung 14 gesteuert.
Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommendes Abgas wird durch einen Abgaskanal 20 der Abgasanlage 12 geleitet. Dort wird es über ein Katalysatorsystem gereinigt, welches einen kleinvolumigen und motornah angeordneten Vorkatalysator 22, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator, sowie einen großvolumigen, üblicherweise an einer Unterbodenposition des Fahrzeuges angeordneten NO_x-Speicherkatalysator 24 umfasst. Der Vorkatalysator 22 dient insbesondere der Reinigung des Abgases nach einem Motorkaltstart, bis der Speicherkatalysator 24 seine Betriebstemperatur von mindestens etwa 250°C erreicht hat. Der NO_x-Speicherkatalysator 24 speichert in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Luftüberschuss bei λ > 1 betrieben wird, Stickoxide NO_x des Abgases. Ist die Speicherkapazität ausgeschöpft, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 kurzzeitig mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch bei λ ≤ 1 betrieben, wobei eingelagertes NO_x freigesetzt und an den Edelmetallkomponenten des Katalysators 24 zu Stickstoff reduziert wird.
Hingegen sind, um unerwünschte Schwefeleinlagerungen im NO_x-Speicherkatalysator 24 zu entfernen, Temperaturen oberhalb von etwa 650°C erforderlich. Sofern diese im gewöhnlichen Fahrzeugbetrieb nicht auftreten, sind aktiv eingeleitete Entschwefelungen mit entsprechenden Heizmaßnahmen erforderlich. Ein bekanntes Verfahren zur Katalysatorheizung sieht vor, den Speicherkatalysator 24 alternierend mit fettem und magerem Abgas zu beaufschlagen. Dabei wird während der Magerintervalle der Katalysator 24 mit Sauerstoff beladen und in den fetten (unterstöchiometrischen) Intervallen eine katalytische Umsetzung der im fetten Abgas enthaltenen Reduktionsmittel HC, CO und H₂ mit dem im Speicherkatalysator 24 vorhandenen Sauerstoff bewirkt. Durch die exotherme Umsetzung erfolgt die Katalysatoraufheizung. Dieses Aufheizverfahren gemäß dem Stand der Technik sowie nach der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung wird weiter unten anhand der 2 bis 5 beschrieben.
Das der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft-Kraftstoff-Verhältnis (motorisches Lambda λ_mot) wird in üblicher Weise mit einer der Verbrennungskraftmaschine 10 nachgeschalteten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 26 geregelt, insbesondere mit einer λ-Sonde. Eine weitere sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 28, vorzugsweise ebenfalls eine λ-Sonde, ist stromab des Vorkatalysators 22 angeordnet und ermöglicht die Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Stromab des Speicherkatalysators 24 kann optional eine weitere Gassonde 30 angeordnet sein, beispielsweise ein NO_x-Sensor, der zur Regelung des Betriebs des Speicherkatalysators 24 eingesetzt wird.
Die Motorsteuerung 14 beinhaltet eine Steuereinheit 32, die einen Algorithmus zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Katalysatoraufheizung beinhaltet. Ferner sind in der Steuereinrichtung betriebspunktabhängige Kennfelder sowie Rechenmodelle enthalten, die zur Ausführung des Verfahrens notwendig sind.
2 zeigt im oberen Teil Lambdaverläufe an verschiedenen Positionen des Abgaskanals 20 im Laufe des chemischen Heizverfahrens gemäß Stand der Technik. Zu sehen ist das motorische Lambda λ_mot, wie es stromauf des Vorkatalysators 22 vorliegt, das stromab des Vorkatalysators 22 vorliegende Lambda λ_VK sowie das stromab des NO_x-Speicherkatalysators 24 vorliegende Lambda λ_HK. Während des Aufheizens wird die Verbrennungskraftmaschine 10 alternierend in Magerintervallen mit dem mageren Lambdawert λ_M und in Fettintervallen mit dem fetten Lambdawert λ_F betrieben. Typische Lambdawerte betragen für λ_M 1,3 bis 3,0 und für λ_F = 0,7 bis 0,9. Die Dauern der Mager- und Fettintervalle liegen üblicherweise zwischen 0,2 und 5 s. Diese Werte hängen von Katalysatorvolumen sowie von der Sauerstoffspeicherfähigkeit der Beschichtungen ab. Entsprechend dieser Vorgaben weist das motorische Lambda λ_mot den Verlauf einer Rechteckskurve auf.
Stromab des Vorkatalysators 22 nimmt das Abgas die vorgegebenen Lambdawerte λ_M und λ_F jeweils mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung an (siehe Verlauf λ_VK). Dabei weist der Verlauf λ_VK nach einem Umschalten in ein fettes Intervall mit λ_F eine Stufe auf, bei der λ_VK bei etwa 1,0, das heißt einem stöchiometrischen Wert, kurzzeitig verharrt. In dieser Phase erfolgt eine katalytische Umsetzung der einströmenden Reduktionsmittel HC, CO und H₂ mit dem während des Magerintervalls in dem Vorkatalysator 22 eingelagerten Sauerstoff, der auf diesem Wege verbraucht wird. Erst nachdem der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 22 entleert ist, fällt λ_VK auf den fetten Lambdawert λ_F ab.
Stromab des NO_x-Speicherkatalysators 24 werden die motorisch eingestellten Lambdawerte λ_M und λ_F erst mit einer deutlichen Verzögerung registriert, was durch die lange Abgaslaufzeit verursacht wird (siehe Verlauf λ_HK). Sobald hier die mageren und fetten Werte oder vorgegebene Schwellenwerte detektiert werden, erfolgt eine Umschaltung auf Fett- beziehungsweise Magerbetrieb.
Im unteren Teil der 2 sind die Verläufe der Temperaturen des Vorkatalysators T_HK und des NO_x-Speicherkatalysators T_HK dargestellt. Wunschgemäß steigt die Temperatur des Speicherkatalysators T_HK infolge der exothermen Umsetzung der Reduktionsmittel des Abgases während der Fettintervalle kontinuierlich an. Gleichermaßen erfolgt allerdings eine Aufheizung des Vorkatalysators 22, da auch dessen Sauerstoffspeicher periodisch gefüllt und entleert wird. Da der Vorkatalysator 22 aufgrund seiner motornahen Anordnung jedoch bereits eine höhere Ausgangstemperatur als der Speicherkatalysator 24 aufweist, besteht die Gefahr, dass der Vorkatalysator 22 unzulässig hohe Temperaturen erreicht und somit vorzeitig altert beziehungsweise irreversibel geschädigt wird.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem überwunden, indem die Lambdaabsenkung während eines Wechsels von λ_M nach λ_F mehrphasig durchgeführt wird, das heißt mit mindestens zwei Phasen, wobei zumindest über einen Teilbereich der Lambdaabsenkung der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise abgesteuert wird. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, während der Lambdaabsenkung zunächst eine Übergangsphase durchzuführen, in welcher das motorische Lambda derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass am Ende der Übergangsphase der mindestens eine Vorkatalysator 22 zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens ist in 3 anhand der Verläufe verschiedener Parameter dargestellt. Im Einzelnen zeigt der obere Teil der Darstellung den Verlauf des motorischen Lambdawerts λ_mot, der mittlere Teil den Verlauf der Vorkatalysatortemperatur T_VK sowie der untere Teil den Verlauf des relativen Füllstands des Sauerstoffspeichers O2_VK des Vorkatalysators 22 während eines Wechsels von einem Magerintervall in ein Fettintervall. Die gestrichelten Linien zeigen zum Vergleich jeweils die entsprechenden Verläufe nach dem herkömmlichen Verfahren gemäß 2. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt die Entleerung des Sauerstoffspeichers in zwei Schritten, die zusammen vorliegend als Übergangsphase bezeichnet werden. In einem ersten Schritt wird zunächst der motorische Lambdawert λ_mot in einer Stufe auf ein annähernd stöchiometrisches oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda λ_S, das besonders bevorzugt zwischen 0,97 und 1,00 liegt, abgesenkt (Zeitpunkt t₁). Unmittelbar anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt eine kontinuierliche Absteuerung des Lambdawerts auf den angestrebten fetten Lambdawert λ_F. Die Absteuerungsfunktion wird so gewählt, dass am Ende der Übergangsphase der Sauerstoffspeicher O2_VK des Vorkatalysators 22 praktisch sauerstofffrei ist. Im dargestellten Beispiel erfolgt die Absteuerung mit einer linearen Funktion, andere degressive Verläufe sind aber ebenso möglich. Der Vorteil dieser kontinuierlichen Lambdaabsteuerung besteht in der allmählich zunehmenden Beaufschlagung des Vorkatalysators 22 mit Reduktionsmitteln. Infolgedessen wird der Sauerstoffspeicher O2_VK langsamer geleert als beim herkömmlichen einstufigen Verfahren. Auf diese Weise wird die nach dem Stand der Technik beobachtete Temperaturspitze im Vorkatalysator 22 vermieden.
Die Funktion, mit der λ_mot abgesteuert wird, beziehungsweise die Steilheit der Funktion, kann durch ein in der Steuereinheit 32 abgespeichertes Rechenmodell vorgegeben werden. Dieses Rechenmodell erlaubt die Vorhersage des Verlaufs der Sauerstoffausspeicherung in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 10. Hierfür kann auf betriebspunktabhängige Kennfelder zurückgegriffen werden, die ebenfalls in der Steuereinheit 32 abgespeichert sind. Besonders bevorzugt wird die Übergangsphase beziehungsweise die Lambdaabsteuerung derart ausgelegt, dass sie innerhalb von mindestens 10 Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere von mindestens 30 Arbeitsspielen, abläuft. Dabei werden durchschnittliche Anreicherungsgeschwindigkeiten von –0,01 bis –0,3 s^–1, insbesondere von etwa –0,1 s^–1, angestrebt. Sowohl der Lambdaübergangswert λ_S zu Beginn der Absteuerphase als auch die Anreicherungsgeschwindigkeit können in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Temperatur des Vorkatalysators 22 und/oder des zu beheizenden NO_x-Speicherkatalysators 24, der Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators 22, einer lambdabezogenen Abgaszusammensetzung und/oder einer seit Beginn der Übergangsphase verstrichenen Zeit vorgegeben werden.
Im Falle einer stromab des Vorkatalysators 22 angeordneten λ-Sonde 28 können die mit dem Rechenmodell berechneten Sauerstoffausspeicherzeiten beziehungsweise die Absteuerungsfunktion anhand von den gemessenen Lambdawerten korrigiert werden. Dies erlaubt insbesondere die Berücksichtigung eines sich über die Lebensdauer ändernden Zustands des Vorkatalysators 22.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand der Verläufe der Lambdawerte vor und nach dem Vorkatalysator 22 in 4 dargestellt. Nach dieser Variante umfasst die Übergangsphase zunächst eine Stufe, in welcher der Lambdawert auf ein zumindest stöchiometrisches oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda λ_S eingestellt wird, das vorzugsweise zwischen 0,94 und 0,96 liegt (Zeitpunkt t₁). Anschließend wird das Übergangslambda λ_S so lange zumindest annähernd konstant gehalten, bis der Vorkatalysator 22 zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Auch hier kann die Dauer der Übergangsphase, das heißt die Dauer der Sauerstoffausspeicherung, gemäß einem gespeicherten Rechenmodell gesteuert werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch vorgesehen, diese Dauer mit Hilfe der Lambdasonde 28 zu regeln. Dabei wird der stromab des Vorkatalysators 22 vorliegende Lambdawert λ_VK gemessen und die Übergangsphase beendet, wenn λ_VK eine vorgegebene Lambdaschwelle unterschreitet. In Abhängigkeit von dem Übergangslambda λ_S beträgt die Lambdaschwelle vorzugsweise zwischen 0,98 und 0,9995. Der Zeitpunkt des Entleerens des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators 22 und der Unterschreitung des vorgegebenen Schwellenwertes ist in 4 mit dem Zeitpunkt t₂ bezeichnet. Nach dem Unterschreiten der Lambdaschwelle durch λ_VK kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, das Übergangslambda λ_S noch für eine vorbestimmte Zeitspanne von beispielsweise 0 bis 4000 ms, insbesondere von 100 bis 1000 ms, vorzugsweise von 200 bis 500 ms, zu verzögern. Eine typische Zeitdauer, in der das Übergangslambda λ_S gehalten wird (Zeitpunkt t₁ bis t₃), beträgt bei einem λ_S von beispielsweise 0,95 etwa 0,5 s.
Nach Entleerung des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators 22 zum Zeitpunkt t₂ beziehungsweise nach Verstreichen der Zeitverzögerung zum Zeitpunkt t₃ erfolgt eine weitere Absteuerung des motorischen Lambdawertes λ_mot auf den vorgegebenen fetten Lambdawert λ_F. Diese Absteuerung kann in einem Schritt erfolgen, oder wie oben beschrieben, kontinuierlich und/oder stufenweise.
Die Regelung der Übergangsphase mittels der Lambdasonde 28 hat gegenüber dem durch das Rechenmodell gesteuerten Verfahren den Vorteil, dass die Zeitdauer der Sauerstoffausspeicherung an den aktuellen Zustand des Vorkatalysators 22 angepasst wird und die Phase des verminderten Fettgaseintrags in den NO_x-Speicherkatalysator 24 so kurz wie möglich und so lang wie erforderlich gehalten werden kann.
Nach beiden Varianten kann der Wechsel von λ_M nach λ_F auch vorgesteuert durchgeführt werden, wobei zunächst eine in das Katalysatorsystem eingetragene Heizleistung, das heißt die Fettigkeit des motorischen Lambdas λ_mot, proportional zu einem Heizleistungsbedarf des zu heizenden NO_x-Speicherkatalysators 24 und reziprok proportional zur Temperatur des Vorkatalysators 22 vorgegeben wird. Dadurch wird eine ausreichende Heizleistung bei einem kalten Gesamtsystem sichergestellt und gleichzeitig eine zu hohe thermische Belastung für den Fall einer relativ hohen Vorkatalysatortemperatur T_VK ausgeschlossen.
5 zeigt die Verläufe der Temperaturen des Vorkatalysators 22 und des Hauptkatalysators während des Heizverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung (durchgezogenen Linien T_VK und T_HK) im Vergleich mit den entsprechenden Verläufen gemäß dem Stand der Technik nach 2 (gepunktete Linien T_VK' und T_HK'). Durch beide beschriebenen Verfahrensvarianten nach 3 und 4 wird die Geschwindigkeit der Aufheizung des NO_x-Speicherkatalysators 24 gegenüber dem Stand der Technik nur geringfügig vermindert, da der Vorkatalysator 22 in der Regel ein deutlich geringeres Volumen und damit auch eine deutlich geringere Sauerstoffspeicherfähigkeit als der NO_x-Speicherkatalysator 24 aufweist. Gleichzeitig wird aber die thermische Entwicklung in dem Vorkatalysator 22 durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zeitlich gestreckt. Mit anderen Worten wird die katalytische Umsetzung des im Washcoat des Vorkatalysators 22 gespeicherten Sauerstoffs mit den brennbaren Abgasbestandteilen verlangsamt. Auf diese Weise wird eine Endtemperatur, die im Vorkatalysator 22 erreicht wird, signifikant niedriger gehalten als gemäß dem Stand der Technik. Insbesondere können erfindungsgemäße lokale Temperaturüberhöhungen im Vorkatalysator 22 sowie unzulässige Gesamttemperaturen vermieden werden. Im Ergebnis wird eine Alterung des Vorkatalysators 22 verzögert.
Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung wird ferner ermöglicht, den Edelmetallgehalt von Katalysatoren abzusenken. Fahrzeuge mit magerlauffähigen Brennkraftmaschinen, die im Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ mit thermisch ungeschädigten Katalysatoren (mit einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 Gramm/Liter Katalysatorvolumen) und einem zeitlichen gefeuerten Magerbetriebsanteil (ohne Schubphasen) mit Lambda > 1,15 von zumindest 250 s (insbesondere mindestens 350 s) eine HC-Emission von < 0,07 g/km und eine NO_x-Emission von < 0,05 g/km erreichen, werden heute im Stand der Technik mit Katalysatoren ausgerüstet, die Edelmetallgehalte von mindestens 100 g/ft³ (3,59 g/dm³) aufweisen.
Bei Einsatz von Katalysatorsystemen, bestehend aus zumindest einem NO_x-Speicherkatalysator und eventuell zumindest einem vorgeschalteten Vorkatalysator, kann der Edelmetallgehalt zumindest eines Katalysators auf weniger als 100 g/ft³ (3,59 g/dm³), insbesondere auf ≤ 80 g/ft³ (2,87 g/dm³) und vorzugsweise auf ≤ 60 g/ft³ (2,15 g/dm³) abgesenkt werden, ohne dass sich die Emissionen im NEFZ mit zunehmender Fahrzeuglaufleistung gegenüber der ursprünglichen Ausführung mit höherem Edelmetallgehalt und ohne dem erfindungsgemäßen Verfahren verschlechtern.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgasanlage
14: Motorsteuerung
16: Ansaugrohr
18: Drosselklappe
20: Abgaskanal
22: Vorkatalysator
24: NO_x-Speicherkatalysator
26: λ-Sonde
28: λ-Sonde
30: NO_x-Sensor
32: Steuereinheit
λ_mot: Lambdawert (= Verbrennungslambda)
λ_F: fetter Lambdawert
λ_M: magerer Lambdawert
λ_S: Übergangslambda
λ_HK: Lambda nach Hauptkatalysator/NO_x-Speicherkatalysator
λ_VK: Lambda nach Vorkatalysator
T: Temperatur
T_HK: Temperatur des Hauptkatalysators/NO_x-Speicherkatalysators
T_VK: Temperatur des Vorkatalysators

Claims

Verfahren zum Aufheizen mindestens eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysators (24), insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, dem zumindest ein Vorkatalysator (22) vorgeschaltet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) alternierend in Intervallen mit einem mageren Lambdawert (λ_M) und einem fetten Lambdawert (λ_F) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdaabsenkung während eines Wechsels von einem mageren in ein fettes Betriebsintervall mehrphasig durchgeführt wird, wobei zunächst eine Übergangsphase durchgeführt wird, in welcher der Lambdawert derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass am Ende der Übergangsphase ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen Vorkatalysators (22) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist und wobei zumindest über einen Teilbereich der Lambdaabsenkung der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise abgesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des NO_x-Speicherkatalysators (24) zur Einleitung seiner Entschwefelung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase eine Stufe umfasst, in welcher der Lambdawert auf ein zumindest annähernd stöchiometrisches oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda (λ_S) abgesenkt wird, und eine anschließende Phase, in welcher der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise auf den fetten Lambdawert (λ_F) abgesenkt wird, bis der Sauerstoffspeicher des mindestens einen Vorkatalysators (22) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangslambda (λ_S) 0,90 bis 1,05, insbesondere 0,93 bis 1,02, vorzugsweise 0,97 bis 1,00, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase eine Stufe umfasst, in welcher der Lambdawert auf ein zumindest annähernd stöchiometrisches oder geringfügig unterstöchiometrisches Übergangslambda (λ_S) abgesenkt wird, und eine anschließende Phase, in welcher das Übergangslambda (λ_S) gehalten wird, bis der Sauerstoffspeicher des mindestens einen Vorkatalysators (22) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und nach der Übergangsphase der Lambdawert kontinuierlich und/oder stufenweise auf den fetten Lambdawert (λ_F) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangslambda (λ_S) 0,90 bis 1,00, insbesondere 0,92 bis 0,98, vorzugsweise 0,94 bis 0,96, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase unter Verwendung eines Rechenmodells gesteuert durchgeführt wird, insbesondere in Abhängigkeit eines betriebspunktabhängigen Kennfeldes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase geregelt durchgeführt wird, wobei ein stromab des mindestens einen Vorkatalysators (22) vorliegender Lambdawert gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase beendet wird, wenn der stromab des mindestens einen Vorkatalysators (22) gemessene Lambdawert eine Lambdaschwelle unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaschwelle 0,95 bis 1,03, insbesondere 0,97 bis 1,01, vorzugsweise 0,98 bis 0,9995, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten der Lambdaschwelle das Absenken des Lambdawertes für eine Zeitspanne von 0 bis 4000 ms verzögert wird, insbesondere von 100 bis 1000 ms, vorzugsweise von 200 bis 500 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase über eine Dauer von mindestens 10 Arbeitsspielen, insbesondere mindestens 30 Arbeitsspielen, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Lambdaabsenkung mit einer durchschnittlichen Anreicherungsgeschwindigkeit von –0,01 bis –0,3 s^–1, insbesondere von etwa –0,1 s^–1, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangslambda (λ_S) und/oder die Anreicherungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, einer Temperatur des Vorkatalysators (22) und/oder des zu beheizenden Katalysators (24), einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens einen Vorkatalysators (22), einer seit Beginn der Übergangsphase verstrichenen Zeit und/oder einer Abgaszusammensetzung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel von einem mageren in ein fettes Betriebsintervall vorgesteuert durchgeführt wird, wobei der Lambdawert proportional zu einem Heizleistungsbedarf des zu heizenden Katalysators (24) und reziprok proportional zu einer Temperatur des mindestens einen Vorkatalysators (22) eingestellt wird.
Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) und einer Steuereinheit (32) zur Steuerung eines Aufheizens mindestens eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysators (24), insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, dem mindestens ein Vorkatalysator (22) vorgeschaltet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) während des Aufheizens alternierend in Intervallen mit einem mageren Lambdawert (λ_M) und einem fetten Lambdawert (λ_F) betreibbar ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (32), die Mittel umfasst, die eingerichtet sind, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Vorkatalysators (22) eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung (28), insbesondere eine Lambdasonde angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Algorithmus zur Steuerung abgas- und leistungsrelevanter Maßnahmen umfassen.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Kennfelder und/oder Rechenmodelle umfassen.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zu beheizende Katalysator (24) und/oder der Vorkatalysator (22) einen Edelmetallgehalt von weniger als 3,59 g/dm³, insbesondere höchstens 2,87 g/dm³, vorzugsweise höchstens 2,15 g/dm³, aufweist.