DE19543219C1 - Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors

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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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