DE19543219C1 - Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines DieselmotorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines
Dieselmotors gemäß Patentanspruch 1.
Aus der DE 43 34 763 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine bekannt, wobei in einer Abgasreinigungsanlage
eine Adsorptionseinrichtung für Stickoxide (NOx) angeordnet ist,
die NOx adsorbiert, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis Lambda
des in die Adsorptionseinrichtung strömenden Abgases mager
(Lambda größer 1) ist und adsorbiertes NOx freisetzt, wenn das
Luft-Brennstoff-Verhältnis Lambda des in die Adsorptionseinrich
tung strömenden Abgases fett (Lambda kleiner 1) wird. Die Tempe
ratur der NOx-Adsorptionseinrichtung wird durch Einspritzen von
Brennstoff in das Abgas, wenn die Temperatur der NOx-Speicher
einrichtung fällt, und durch Einblasen von Luft in das Abgas,
wenn die Temperatur der NOx-Adsorptionseinrichtung zu hoch wird,
innerhalb eines festgelegten Bereiches gehalten.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck
schriften DE 43 19 294 C1 und EP 0 560 991 A1 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzu
schlagen, bei dem der NOx-Speicher- und Regenerationsprozeß ge
genüber dem gattungsbildenden Stand der Technik derart verbes
sert wird, daß eine weitere Verminderung der Stickoxid-Emissio
nen besonders von Dieselmotoren möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent
anspruches 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vor
teilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung an.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es
besonders auch für die nachmotorische Stickoxid (NOx) -Minderung
von Dieselmotoren einsetzbar ist, wobei eine Regeneration des
NOx-Speicherkatalysators nicht durch einen einfachen Lambda-Sprung
realisiert wird, sondern es sind andere, auf den Diesel
motor angepaßte Maßnahmen erforderlich. Derartige Maßnahmen sind
beispielsweise eine auf das Abgasnachbehandlungssystem opti
mierte Abgasrückführung, eine angepaßte Ansaugluftdrosselung und
eine zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff. Ziel dieser Maß
nahmen ist es, zum einen ausreichend Reduktionsmittel in Form
von Kohlenwasserstoffen (HC) zur NOx-Reduktion zur Verfügung zu
stellen und zum anderen kurzzeitig im Abgas eine reduzierend
wirkende Atmosphäre zu erzeugen, die den Regenerationsprozeß un
terstützt. Mit dem vorschlagsgemäßen Speicherkatalysator ist be
reits bei einer Temperatur ab etwa 120°C und somit bei relativ
niederen Abgastemperaturen eine Adsorption von NOx erreichbar.
Bei Temperaturen ab etwa 200°C findet gemeinsam mit einer
HC-Oxidation eine mehr als 60%-ige NOx-Reduktion der im Abgas ent
haltenen NOx statt. Zusätzlich werden die zuvor bei tiefen Tem
peraturen adsorbierten Stickoxide zum Großteil reduziert, wo
durch eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erreicht
wird. Bei der Reduktion der Stickoxide werden sowohl die laufend
erzeugten Stickoxide als auch die bei niederen Abgastemperaturen
im Adsorber adsorbierten Stickoxide durch die Kohlenwasserstoffe
reduziert.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schemazeichnung eines Dieselmotors mit Abgasrück
führung und einer Motorsteuerung nebst zugehörigen Lei
tungen, die einzelne Aggregate wie Einspritzanlage,
NOx-Sensor, Speicherkatalysator, Drosselklappe und
O₂-Sonde mit der Motorsteuerung verbinden und
Fig. 2 einen Konzentrationsverlauf von aus dem NOx-Adsorber
ausgestoßenen NOx und HC in Abhängigkeit von einer Re
aktortemperatur des Speicherkatalysators (NOx-Adsor
bers) bei einer vorgegebenen Eingangskonzentration von
HC = 900 ppm und NOx = 300 ppm.
Fig. 1 zeigt in einer Schemazeichnung einen Dieselmotor 1 mit
einer Ansaugleitung 2 und einer Abgasleitung 3 sowie einer Mo
torregelung 4, die über Leitungen mit unten näher bezeichneten
Bauteilen, Meß- und Regeleinrichtungen 7-16 des Dieselmotors
verbunden ist.
Der Dieselmotor 1 umfaßt eine Einspritzanlage 5 sowie eine Ab
gasrückführeinrichtung 6 (Abgasrückführleitung), in der ein
Stellglied 7 (Abgasrückführventil) angeordnet ist, das zur Betä
tigung der Abgasrückführeinrichtung 6 von einem hilfskraftbetä
tigten, nicht näher dargestellten Stellantrieb in Abhängigkeit
von Signalen einer elektronischen Steuereinrichtung bzw. von der
Motorregelung 4 aus betätigbar ist.
In der Ansaugleitung 2 befindet sich eine Drosselklappe 8 sowie
ein Luftmassenmesser 9 und ein Drucksensor 10 und in der Abgas
leitung 3 ist eine Lambda-Sonde 11, ein Speicherkatalysator
(NOx-Adsorber) 12 zur Speicherung von Stickoxiden, einen Tempe
ratursensor 13, ein HC-Sensor 14 und ein NOx-Sensor 15 zur Er
fassung der NOx-Bestandteile im Abgasstrom sowie eine Abgas
klappe 16 angeordnet.
Die Motorregelung 4 umfaßt eine Einlese-Einheit 17
(Eingangsseite) und eine Ausgabe-Einheit 18 (Ausgangsseite) so
wie eine Rechner-Einheit 19, in der einzelne Kennfelder KF und
Regelalgorithmen RA für die Regelung des Dieselmotors 1 abgelegt
sind. Die Kommunikation der Motorregelung 4 mit den Bauteilen,
Meß- und Regeleinrichtungen 7-16 des Dieselmotors 1 erfolgt über
Leitungen 20 und eingangsseitigen Analog/Digital-Wandlern 21
bzw. ausgangsseitigen Digital/Analog-Wandlern 22.
Der Speicherkatalysator 12 (NOx-Adsorber) ist im wesentlichen
ein Dreiwege-Katalysator mit zusätzlichen NOx-Speicherkomponen
ten wie etwa Perowskite (z. B. LaCoO₃) und umfaßt in prinzipiell
bekannter Weise einen Träger aus Aluminium-Oxid, auf dem eine
Katalysator-Edelmetall-Dispersion aufgetragen ist, die aus einer
Kombination von Elementen aus einer oder mehreren der folgenden
Gruppen des Periodensystems besteht: der Gruppe der Alkalime
talle (z. B. Kalium, Lithium) und/oder der Gruppe der Erdalkali
metalle (z. B. Barium, Strontium) und/oder der Seltenen Erdme
talle (z. B. Lanthan) und/oder der Gruppe der Edelmetalle (z. B.
Platin, Palladium).
In Fig. 2 ist ein Konzentrationsverlauf von Stickoxiden (NOx)
und Kohlenwasserstoffen (HC) am Ausgang des Speicherkatalysators
12 in Abhängigkeit von dessen Reaktortemperatur dargestellt, wo
bei beim Einströmen in den Adsorber die Eingangskonzentration
der Stickoxide NOx = 300 ppm und die der Kohlenwasserstoffe
HC = 900 ppm beträgt. Auf der Abszisse ist die Reaktortemperatur in °C
(Grad Celsius) und auf der Ordinate die Konzentration in ppm
(parts per million) von NOx bzw. HC im Abgas nach dem Durchströ
men des Speicherkatalysators 12 aufgetragen. Die durchgezogene
Linie stellt den Konzentrationsverlauf des NOx und die
strichlierte Linie die HC-Konzentration in Abhängigkeit der Re
aktortemperatur dar.
In einem Temperaturbereich von 100-200°C findet vor allem Ad
sorption von NOx aber auch bereits beginnende Reduktion von NOx
im Speicherkatalysator 12 statt. Ab einer Temperatur von ca. 200°C
erfolgt durch die Oxidation der HC und simultane Reduktion von
NOx eine katalytische Umsetzung von NOx in N₂ und O₂.
Der leicht ansteigende Kurvenverlauf der NOx-Konzentration auf
der Ausströmseite des Speicherkatalysators 12 bei höheren Tempe
raturen (T < 250°C) rührt daher, daß eine Direktoxidation der
Kohlenwasserstoffe bei höheren Temperaturen im sauerstoffhalti
gen Abgas begünstigt wird und die Umsatzrate der NOx-Reduktion
zunehmend abnimmt. Im Verlauf der HC-Konzentration ist deutlich
zu sehen, daß ab ca. 250°C Reaktortemperatur nahezu sämtliches
HC verbraucht ist. Bei höheren Reaktortemperaturen T (T größer
400°C) kommt es im Speicherkatalysator 12 zu einer Thermodesorp
tion von zuvor gespeichertem NOx. Man kann jedoch eindeutig er
kennen, daß es über den gesamten dieselrelevanten Abgastempera
turbereich insgesamt zu einer signifikanten Verringerung von NOx
im Abgas kommt.
Hierzu kann man die beiden Flächen A₁ und A₂ vergleichen, die
zwischen der NOx-Konzentrationskurve und einer Parallelen zur
Abszisse bei 300 ppm NOx (= Konzentration von NOx beim Einströ
men in den Speicherkatalysator 12) aufgespannt werden und die
den NOx-Gehalt des aus dem Adsorber strömenden Abgas es repräsen
tieren. Die Fläche A₁ verläuft dabei in Abszissenrichtung von
100°C bis zum Schnittpunkt S der NOx-Konzentrationskurve mit der
Parallelen zur Abszisse bei 300 ppm (Schnittpunkt S ca. bei 350°C)
und die Fläche A₂ verläuft von besagtem Schnittpunkt S bis zu
500°C. Man erkennt deutlich, daß die unterhalb der 300 ppm-Linie
aufgespannte Fläche A₁ größer ist als die oberhalb der 300 ppm-Linie
aufgespannte Fläche A₂. Somit wird über den gesamten Tem
peraturbereich betrachtet wesentlich mehr NOx durch Adsorption
und katalytische Umsetzung in unschädliche Bestandteile umge
setzt als NOx durch Temperaturdesorption freigesetzt wird.
Die Fläche A₁ ist noch in Flächenbereiche Aa und Ak unterteil
bar, wobei die Fläche Aa das im Speicherkatalysator 12 vorwie
gend adsorbierten NOx und die Fläche Ak die im Speicherkatalysa
tor 12 katalytisch umgesetzten NOx repräsentiert.
Die Motorregelung 4 ermöglicht nun eine fett/mager-Regelung des
Dieselmotors 1 in Abhängigkeit Betriebsparametern wie Last,
Drehzahl und Einspritzmenge. Vom NOx-Sensor 15 wird bei Errei
chen eines kennfeldmäßig in Abhängigkeit von Drehzahl und Last
variierenden NOx-Speicher-Schwellwertes von einem Betrieb des
Dieselmotors 1 mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambda-Wert)
größer eins ("Normalbetrieb") auf einen Betrieb mit einem Lamb
da-Wert kleiner eins umgeschaltet.
Bei einem Betrieb mit Lambda kleiner 1 wird der NOx-Speicherka
talysator 12 regeneriert, d. h. gespeichertes NOx wird durch HC
reduziert, wobei der Regenerationsbetrieb durch Abgasrückfüh
rung, Erhöhung des Abgasgegendruckes oder eine im Bereich des
Verbrennungsendes zugeführte zusätzliche Kraftstoffmenge oder
auch durch Ansaugluftdrosselung eingeleitet und unterstützt
wird. So wird zur optimalen Regeneration des NOx-Speicherkataly
sators 12 speziell in einem Temperaturfenster von 200-250°C zu
sätzlicher Kraftstoff vor den NOx-Speicherkatalysator 12 einge
spritzt.
Bei einem Motorbetrieb von Lambda größer 1 erfolgt eine Adsorp
tion von NOx, solange der NOx-Adsorber noch nicht gesättigt ist.
Als Reduktionsmittel für die NOx kann zusätzlich Ruß eingesetzt
werden.
Die Einleitung des Regenerationsbetriebes durch Veränderung der
Abgaszusammensetzung wird durch im folgenden beschriebene moto
rische Regelungsmaßnahmen vorgenommen: Zunächst wird der Motor
zwischen Speicher- und Regenerationsbetrieb des Speicherkataly
sators betrieben. Es erfolgt eine Erfassung des NOx-Massenstro
mes über ein Kennfeld (Drehzahl, Last, Einspritzmenge). Stromab
des Speicherkatalysators ist ein NOx-Sensor angeordnet, der in
Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Einspritzmenge bei Erreichen
eines NOx-Schwellwertes automatisch auf Regenerationsbetrieb um
schaltet, was bedeutet, daß die Abgaszusammensetzung entspre
chend verändert wird. Diese Veränderung der Abgaszusammensetzung
erfolgt durch folgende Motorregelungs-Maßnahmen in Abhängigkeit
von Betriebsparametern des Motors:
- - elektronisch geregelte Abgasrückführung,
- - Ansaugluftdrosselung,
- - zusätzliche Nacheinspritzung von Diesel-Kraftstoff (insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen),
- - Optimierung der Abgaszusammensetzung mittels Messung der Ruß partikel,
- - Steuerung der Regeneratortemperatur des Speicherkatalysators 12 (NOx-Adsorber) über die Abgasklappe 16 oder über einen strom auf des Adsorbers 12 angeordneten, nicht dargestellten Brenner.
Die fett/mager-Regelung des Dieselmotors 1 erfolgt in Abhängig
keit des Restsauerstoffgehaltes im Abgas. Dieser wird durch eine
im Abgassystem angeordnete O₂-Sonde (z. B. Lambda-Sonde) gemessen
oder anhand der eingespritzten Kraftstoffmenge und der angesaug
ten Luftmasse rechnerisch ermittelt.
Ziel der oben beschriebenen motorischen Maßnahmen ist es, zum
einen ausreichend Reduktionsmittel beispielsweise in Form von
Kohlenwasserstoffen zur NOx-Reduktion zur Verfügung zu stellen
und zum anderen kurzzeitig im Abgas und/oder auf der
Katalysatoroberfläche eine reduzierend wirkende Atmosphäre zu
erzeugen, die den Regenerationsprozeß unterstützt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verbesse
rung der NOx-Reduktion in einem Temperaturbereich des NOx-Spei
cherkatalysators 12 im Bereich von 200-300°C zusätzlich HC als
Reduktionsmittel zugeführt. Dies bewirkt eine Vermeidung der
oben beschriebenen Thermodesorption NOx und somit eine weitere
Verringerung der NOx-Emissionen.
Bei Untersuchungen wurde festgestellt, daß in NOx-Speicher
katalysatoren in oxidierender Atmosphäre unerwünschtes Lachgas
(N₂O) gebildet wird. Vorschlagsgemäß kann die Produktion von
Lachgas dadurch verhindert werden, daß die Abgaszusammensetzung
durch gezielte HC-Zudosierung derart geregelt wird, daß das Ab
gas im NOx-Speicherkatalysator 12 reduzierend wirkt. Um die
N₂O-Bildung wirksam zu verhindern, ist es zudem nötig, daß die Reak
tortemperatur des NOx-Speicherkatalysators 12 größer gleich etwa
350°C ist. Um diese Reaktortemperatur zu erreichen, wird neben
den bereits oben ausgeführten motorischen Maßnahmen als weitere
innermotorische Maßnahme vorgeschlagen, einen Einspritzbeginn in
Richtung "spät" zu legen, was eine Steigerung der Abgastempera
tur bewirkt. Über die so gesteigerten Abgastemperaturen ist die
erforderliche Aufheizung des NOx-Speicherkatalysators 12 auf
einfache Weise erreichbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann neben dem
NOx-Sensor 15 auch der HC-Sensor 14 zur Steuerung der Regenera
tion des NOx-Speicherkatalysators 12 eingesetzt werden.
Der HC-Sensor 14 kann die Vollständigkeit der Regeneration im
Betrieb bei Lambda kleiner 1 erkennen, da die HC-Emissionen im
"fett-Betrieb" stark ansteigen, sobald die Regeneration des
NOx-Speicherkatalysators 12 abgeschlossen ist.
Wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist, kann in einer wei
teren Ausgestaltung der Erfindung auch ein strukturiertes
Katalysatorsystem mit einem motornahen NOx-Speicherkatalysator
und einem Unterbodenkatalysator mit oder ohne NOx-Speicherfunk
tion, der in Fig. 1 mit 12′ bezeichnet ist, vorgesehen werden.
Analog zu Lambda-Sonde 11, Temperatursensor 13, HC-Sensor 14 und
NOx-Sensor 15 können im Bereich des Unterbodenkatalysators 12′
eine Lambda-Sonde 11′, ein Temperatursensor 13′, ein HC-Sensor
14′ und ein NOx-Sensor 15′ angeordnet sein. Mit einer NOx und
abgastemperaturgeführten HC-Dosierstrategie (beispielsweise wie
oben erwähnt über Nacheinspritzung von Kraftstoff mittels
Common-Rail) kann das Temperaturfenster beider Katalysatoren an
gepaßt werden und so die Adsorption, Desorption und Reduktion
(Konversion) von NOx optimal geführt und beeinflußt werden. Im
wirksamen Temperaturfenster des NOx-Speicherkatalysators wird HC
entsprechend der anfallenden NOx-Menge nachgespritzt. Zu Beginn
des zur Desorption und Reduktion wirksamen Temperaturfensters
wird die HC-Nacheinspritzung gezielt zur Erhöhung der Temperatur
und Veränderung der Abgaszusammensetzung genutzt. Beides
begünstigt die zur NOx-Reduktion notwendigen Reaktionen.
Weiterhin läßt sich durch eine optimale Nachspritzstrategie von
HC die N₂O-Bildung drastisch reduzieren.
Durch die motornahe und motorferne Anordnung der beiden
Katalysatoren ist gewährleistet, daß beide Katalysatoren in un
terschiedlichen Temperaturbereichen arbeiten und so abgestimmt
sind, daß die Funktionen Desorption (motornaher Katalysator) und
gleichzeitig Reduktion (motorferner Katalysator) ergänzend wir
ken, d. h. bei einer Desorption von NOx im motornahen Katalysator
12 erfolgt gleichzeitig eine Reduktion von NOx im Unterboden
katalysator 12′.
Zur Steuerung des strukturierten Katalysatorsystems läßt sich
die NOx-Menge entweder aus dem Motorkennfeld bestimmen oder über
einen NOx-Sensor messen.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (1)
- - mit einer zwischen Abgasleitung (3) und Ansaugluftleitung (2) angeordneten Abgasrückführeinrichtung (6)
- - mit einem Stellglied (7), das zur Betätigung der Abgasrück führeinrichtung von einem hilfskraftbetätigten Stellantrieb in Abhängigkeit von Signalen einer elektronischen Steuereinrichtung aus betätigbar ist,
- - ferner mit einer Motorregelung (4), die eine fett/mager-Rege lung des Dieselmotors (1) in Abhängigkeit von dessen Betriebspa rametern ermöglicht,
- - desweiteren mit einem in der Abgasleitung (3) angeordneten Speicherkatalysator (12), in dem Stickoxide (NOx) adsorbierbar, desorbierbar und reduzierbar sind
- - und mit einem stromab des Speicherkatalysators (12) angeordne ten Sensor (15) zur Erfassung der NOx-Konzentration im Abgas strom,
- - von dem aus bei Erreichen eines kennfeldmäßig in Abhängigkeit von Drehzahl und Last variierenden NOx-Speicher-Schwellwertes von einem Betrieb mit einem Lambda-Wert größer eins auf einen Betrieb mit einem Lambda-Wert kleiner eins umgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Betrieb mit Lambda kleiner 1 der Speicherkatalysator
(12) regeneriert wird und die Stickoxide (NOx) reduziert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Regenerationsbetrieb durch Abgasrückführung, Erhöhung
des Abgasgegendruckes oder eine im Bereich des Verbrennungsendes
zugeführte zusätzliche Kraftstoffmenge oder auch durch Ansaug
luftdrosselung eingeleitet und unterstützt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Abgasklappe (16) in der Abgasleitung (3)
vorgesehen ist, wobei mit besagter Abgasklappe (16) im Regenera
tionsbetrieb Abgas zur Erzeugung eines erhöhten Abgasgegen
druckes aufgestaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Abgastemperatur für den Regenerationsbe
trieb Brenner im Bereich des Speicherkatalysators (12) angeord
net ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ruß zusätzlich als Reduktionsmittel eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die fett/mager-Regelung des Dieselmotors (1) in Abhängigkeit
des Restsauerstoffgehaltes im Abgas ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem wirksamen Temperaturfenster des NOx-Speicher
katalysators (12) von 200-300°C zusätzlich HC als Reduktions
mittel zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verhinderung einer Lachgasbildung im NOx-Speicher
katalysator (12) dem Abgas gezielt Kohlenwasserstoffe (HC)
zudosiert werden, um auf einer Katalysatoroberfläche eine redu
zierend wirkende Atmosphäre zu erzeugen.
10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
daß in der Abgasleitung zwei NOx-Speicherkatalysatoren (12, 12′)
mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen angeordnet sind, wobei
diese Arbeitsbereiche temperaturmäßig derart abgestimmt sind,
daß bei einer NOx-Desorption im motornahen Katalysators (12)
eine NOx-Reduktion im motorfernen Katalysator (12′) erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators
(12) bei Lambda kleiner 1 über einen HC-Sensor (14) erfolgt.
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