DE19735011A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit Kraftstoffnacheinspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abgasnachbe­ handlung bei einem Verbrennungsmotor, das eine abgastemperatur­ abhängige Kraftstoffnacheinspritzung zur Stickoxidverminderung beinhaltet. Solche Verfahren werden insbesondere bei Verbren­ nungsmotoren von Kraftfahrzeugen angewendet, um die Stickoxid­ emissionen zu minimieren. Durch die Nacheinspritzung gelangen unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom, die als Re­ duktionsmittel zur Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff wirken. Diese Abgasnachbehandlung kann insbesondere in Verbindung mit sogenannten Denox-Katalysa­ toren im Abgasstrang eingesetzt werden, die diese Reduktionsre­ aktion katalysieren. Dabei werden bevorzugt zusätzliche Adsor­ berkatalysatoren eingesetzt, mit denen die Stickoxide periodisch adsorbiert, d. h. zwischengespeichert, und in hierfür günstigen Betriebsphasen zwecks Reduktion in Stickstoff und Sauerstoff wieder desorbiert werden können.

In der Offenlegungsschrift EP 0 621 400 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der Einspritzbeginn der Kraftstoffnachein­ spritzung verändert wird. Dabei sind speziell zwei Nacheinsprit­ zungsbetriebsarten vorgesehen, nämlich eine frühe und eine späte Nacheinspritzung, wobei die frühe Nacheinspritzung kurz nach dem Ende der Haupteinspritzung beginnt, typischerweise im Bereich zwischen 20° und 80° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Tot­ punkt, während die späte Nacheinspritzung im Bereich zwischen 80° und 180° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt be­ ginnt. In beiden Betriebsarten wird dieselbe Kraftstoffmenge nacheingespritzt. Die frühe Nacheinspritzung dient ausschließ­ lich zur raschen Erhöhung der Abgastemperatur vor einem im Ab­ gasstrang angeordneten Abgaskatalysator, insbesondere während Kaltstartphasen, während die späte Nacheinspritzung zur Bereit­ stellung reaktiver, unverbrannter Kohlenwasserstoffkomponenten dient, die als Reduktionsmittel zur Umwandlung der Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff wirken. Die frühe Nacheinspritzung wird aktiviert, wenn die Abgastemperatur unterhalb eines vorge­ gebenen unteren Grenzwertes liegt, der im Bereich zwischen 150°C und 200°C gewählt wird. Die späte Nacheinspritzung wird akti­ viert, wenn die Abgastemperatur einen vorgegebenen oberen Grenz­ wert überschritten hat, der zwischen 200°C und 300°C liegt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem eine sehr wirksame Verminderung der Stickoxidemissionen im Abgas eines Verbrennungsmotors bewirkt werden kann.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah­ ren sind zwei Nacheinspritzungsbetriebsarten mit unterschiedlich hoher Kraftstoffnacheinspritzmenge vorgesehen, zwischen denen in Abhängigkeit von der Abgastemperatur umgeschaltet wird. Auf die­ se Weise kann erreicht werden, daß in Betriebssituationen, in denen aufgrund der dann herrschenden Abgastemperatur eine sehr effektive Reduktion von momentan erzeugten Stickoxiden sowie ggf. von zuvor in einem Adsorberkatalysator zwischengespeicher­ ten und nun desorbierten Stickoxiden möglich ist, durch Umschal­ ten auf die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart eine erhöhte Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffkomponenten zur Verfü­ gung steht, um die Stickoxide mit entsprechend hoher Rate umzu­ wandeln. Andererseits kann zur Vermeidung unnötiger Kohlenwas­ serstoffemissionen und eines unnötig hohen Kraftstoffverbrauchs zu gegebener Zeit wieder auf die erste Nacheinspritzungsbe­ triebsart umgeschaltet werden, in welcher weniger unverbrannte Kohlenwasserstoffkomponenten als Reduktionsmittel bereitgestellt werden, wobei dann die Stickoxidumwandlung mit einer entspre­ chend geringeren Rate erfolgt.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird auf die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart mit höherer Nachein­ spritzmenge erst dann umgeschaltet, wenn sie zuvor für eine vor­ gebbare erste Mindestzeitspanne nicht aktiv war, d. h. während­ dessen die erste Nacheinspritzungsbetriebsart aktiv war, und zu­ dem die Abgastemperatur in einem vorgebbaren Temperaturbereich liegt, der so gewählt ist, daß in dieser Betriebssituation Stickoxid auch in größerer Menge umgewandelt werden kann. Durch den vorangegangenen Betrieb in der ersten Nacheinspritzungs­ betriebsart wenigstens für die vorgebbare erste Mindestzeitspan­ ne wird sichergestellt, daß keine unerwünschten Kohlenwasser­ stoffemissionen entstehen und kein unnötig hoher Kraftstoffver­ brauch auftritt. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 3 auf die erste Nacheinspritzungsbetriebsart um­ geschaltet, sobald die Abgastemperatur den für die Stickoxid­ umwandlung besonders wirksamen, vorgebbaren Temperaturbereich verläßt oder die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart seit einer vorgebbaren zweiten Mindestzeitspanne aktiv war. Diese Maßnahme trägt weiter dazu bei, den erhöhten Anteil an unverbrannten Koh­ lenwasserstoffen nur periodisch für vorgebbare Betriebszeitin­ tervalle bereitzustellen und ansonsten weniger unverbrannte Koh­ lenwasserstoffe zu erzeugen, um den Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten und die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffbe­ standteile zu vermeiden.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird der Einspritzbeginn des Nacheinspritzvorgangs für die beiden Nach­ einspritzungsbetriebsarten unterschiedlich vorgegeben, wodurch eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit der Abgastemperatur und des Anteils an entstehenden, unverbrannten Kohlenwasserstoffbe­ standteilen bereitgestellt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung illustriert und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung bei einem Verbrennungsmotor mit abgas­ temperaturabhängiger Kraftstoffnacheinspritzung.

In der Figur sind als Flußdiagramm die wesentlichen Schritte ei­ nes Abgasnachbehandlungsverfahrens veranschaulicht, mit dem die Stickoxidkonzentration des Abgases eines Verbrennungsmotors, z. B. eines Kraftfahrzeugmotors, vermindert werden kann. Das Ver­ fahren sieht hierzu abgastemperaturabhängige Kraftstoffnachein­ spritzungsvorgänge vor, wobei zwischen einer ersten Nachein­ spritzungsbetriebsart mit einer ersten Nacheinspritzmenge und einer zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart mit einer gegenüber der ersten höheren zweiten Nacheinspritzmenge periodisch umge­ schaltet wird. Im einzelnen wird dabei entsprechend dem in der Figur gezeigten Verfahrensablauf wie folgt vorgegangen.

Nach dem jeweiligen Starten des Fahrzeugs (Schritt 1) werden die verschiedenen beteiligten Verfahrensparameter auf ihre vorgebba­ ren Anfangswerte gesetzt und gleichzeitig ein Zeitzähler mit dem Zählwert t = 0 gestartet. Außerdem wird nach dem Fahrzeugstart zu­ nächst die erste Nacheinspritzungsbetriebsart aktiviert (Schritt 2), in welcher über ein entsprechend abgelegtes Kennfeld in Ab­ hängigkeit von der Motordrehzahl und der Kraftstoffhauptein­ spritzmenge, d. h. der Einspritzmenge für die Haupteinspritzung, ein bestimmtes Verhältnis von unverbrannten Kohlenwasserstoffen Stickoxiden, nachfolgend HC/NO_x-Verhältnis bezeichnet, vorge­ geben wird. Die Nacheinspritzmenge bestimmt sich anhand dieses vorgegebenen HC/NO_x-Verhältnisses und der in der momentanen Be­ triebssituation vorliegenden NO_x-Rohemissionen, die wiederum an­ hand eines abgelegten Kennfeldes für den Stickoxidemissionswert in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Kraftstoffhauptein­ spritzmenge ermittelt werden können, wobei dieser Stickoxid­ emissionswert noch um einen von Luftmassenschwankungen und der Kraftstoffhaupteinspritzmenge abhängigen, ebenfalls als Kennfeld abgelegten Korrekturwert korrigiert wird. Das vorgegebene HC/NO_x-Ver­ hältnis ist dabei in der ersten Nacheinspritzungsbetriebsart bei gegebener Drehzahl und Haupteinspritzmenge verhältnismäßig niedrig gewählt, so daß zwar bereits eine gewisse Stickoxidre­ duktion erfolgen kann, jedoch andererseits sichergestellt ist, daß keine nennenswerten Mengen an unverbrannten Kohlenwasser­ stoffen ungenutzt mit dem Abgas in die Umwelt gelangen, was zu­ dem den Kraftstoffverbrauch unnötig erhöhen würde.

In einem anschließenden Abfrageschritt 3 wird laufend abgefragt, ob die vom Zeitzähler abgezählte Zeit t schon eine vorgegebene erste Mindestzeitspanne t₁ überschritten hat. Solange dies nicht der Fall ist, wird die Abfrage rekursiv wiederholt. Sobald die Abfrage bejahend beantwortet wird, wird in einem nächsten Abfra­ geschritt 4 geprüft, ob die Abgastemperatur T_A innerhalb eines Temperaturfensters liegt, das nach unten durch einen vorgegebe­ nen unteren Grenzwert T_G1 und nach oben durch einen vorgegebenen oberen Temperaturgrenzwert T_G2 begrenzt ist. Das Temperaturfen­ ster ist so gewählt, daß in diesem Abgastemperaturbereich eine besonders wirksame Stickoxidreduktion mit hoher Umsetzungsrate in einem zugehörigen Abgaskatalysator, speziell einem Denox-Kata­ lysator, möglich ist. Beispielsweise liegt der untere Tempe­ raturgrenzwert T_G1 im Bereich von etwa 180°C und der obere Tempe­ raturgrenzwert T_G2 im Bereich von etwa 260°C. Die Abfrage wird so lange rekursiv wiederholt, bis sie bejahend beantwortet wird.

Sobald dies der Fall ist, wird von der bisherigen ersten auf die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart umgeschaltet, und der Zeit­ zählwert t des Zeitzählers wird auf null zurückgesetzt (Schritt 5). Die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart unterscheidet sich von der ersten insbesondere dadurch, daß anstelle des in der er­ sten Betriebsart verwendeten ersten Kennfeldes für das HC/NO_x-Ver­ hältnis in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Kraft­ stoffhaupteinspritzmenge ein zweites solches Kennfeld des HC/NO_x-Ver­ hältnisses für die Ermittlung der Nacheinspritzmenge zugrun­ degelegt wird. Dieses Kennfeld ist so vorgegeben, daß die zuge­ hörige Nacheinspritzmenge in der zweiten Betriebsart bei gegebe­ ner Motordrehzahl und Kraftstoffhaupteinspritzmenge gegenüber der entsprechenden Nacheinspritzmenge in der ersten Betriebsart deutlich erhöht ist, z. B. typischerweise um mindestens einen Faktor in der Größenordnung fünf. Zusätzlich kann eine allgemei­ ne Abgastemperaturkorrektur vorgesehen sein, mit der die Nach­ einspritzmenge in der zweiten Betriebsart unabhängig von der mo­ mentanen Motordrehzahl und Haupteinspritzmenge um einen abgas­ temperaturabhängigen Faktor erhöht wird. Als weitere Maßnahme ist bevorzugt vorgesehen, den Einspritzbeginn des Nacheinspritz­ vorgangs in der zweiten Betriebsart gegenüber demjenigen der er­ sten Betriebsart zu ändern. Insbesondere kann in der zweiten Be­ triebsart ein späterer Einspritzbeginn als in der ersten Be­ triebsart eingestellt werden, was die Bildung unverbrannter Koh­ lenwasserstoffe begünstigt, während sich durch einen früheren Einspritzbeginn in der ersten Betriebsart die Abgastemperatur rasch erhöhen läßt, z. B. in einer Kaltstartphase.

Auf diese Weise wird für die nun anschließende Betriebsphase der Kraftstoffnacheinspritzung in der zweiten Nacheinspritzungsbe­ triebsart eine erhöhte Menge an unverbrannten, reaktiven Kohlen­ wasserstoffbestandteilen bereitgestellt, so daß ausreichend Re­ duktionsmittel zur Verfügung steht, um die Stickoxide mit erhöh­ ter Rate in Stickstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Gegebenen­ falls kann bei Vorhandensein eines Adsorptionskatalysators diese zweite Nacheinspritzungsbetriebsart mit einer Desorptionsphase für diesen Katalysator einhergehen, wodurch die während einer Betriebsphase mit geringerer Nacheinspritzmenge in der ersten Nacheinspritzungsbetriebsart adsorbierten Stickoxide während ei­ ner Betriebsphase in der zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart umgewandelt werden können.

Nach dem Start der zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart wird laufend abgefragt (Schritt 6), ob die vom Zeitzähler abgezählte Zeit t seit Aktivierung der zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart schon eine vorgegebene zweite Mindestzeitspanne t₂ überschritten oder die Abgastemperatur T_A das vorgegebene Temperaturfenster zwischen dem unteren Grenzwert T_G1 und dem oberen Grenzwert T_G2 verlassen hat. Solange dies nicht der Fall ist, wird die Abfrage rekursiv wiederholt und damit die zweite Nacheinspritzungs­ betriebsart beibehalten. Wenn hingegen eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird von der zweiten wieder auf die erste Nachein­ spritzungsbetriebsart umgeschaltet, d. h. es wird zum Schritt 2 des gezeigten Flußdiagramms zurückgesprungen. Gleichzeitig wird der Zeitzählwert t auf null zurückgesetzt und der Zeitzähler wieder neu gestartet, d. h. es wird ein neuer Zyklus des gezeig­ ten Verfahrensablaufs durchgeführt.

Dies bedeutet, daß die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart mit erhöhter Nacheinspritzmenge auch dann, wenn die Abgastemperatur T_A innerhalb des zur Stickoxidkonversion besonders günstigen Tem­ peraturfensters bleibt, höchstens für die vorgegebene zweite Mindestzeitspanne t₂ beibehalten wird, so daß bei diesen Abgas­ temperaturverhältnissen periodisch für die jeweilige erste bzw. zweite Mindestzeitspanne t₁, t₂ die erste bzw. die zweite Nach­ einspritzungsbetriebsart aktiviert wird. Dies gewährleistet ei­ nerseits eine optimale Stickoxidkonversion und andererseits die Vermeidung eines unnötig hohen Kraftstoffverbrauchs und uner­ wünschter Kohlenwasserstoffemissionen. Es versteht sich, daß die verschiedenen oben angegebenen Verfahrensparameter anlagenabhän­ gig variabel auf jeweils geeignete Werte eingestellt werden kön­ nen.

Das Verfahren eignet sich beispielsweise für einen Verbrennungs­ motor, in dessen Abgasstrang ein Stickoxid-Adsorberkatalysator angeordnet ist. Von besonderem Vorteil ist die Anwendung des Verfahrens für Motoren, in deren Abgasstrang zwei Abgaskatalysa­ toren hintereinandergeschaltet sind, von denen der hintere ein kontinuierlich stickoxidreduzierender Denox-Katalysator und der vordere ein Adsorberkatalysator ist. Der in Abgasströmungsrich­ tung hintere Denox-Katalysator ist dabei in seinem Betriebsver­ halten so abgestimmt, daß sein NO_x-Konversionsmaximum in denjeni­ gen Abgastemperaturbereich fällt, in welchem der vorgeschaltete Adsorberkatalysator wirksam die zuvor adsorbierten Stickoxide zu desorbieren vermag. In diesem Fall wird dann der Adsorberkataly­ sator synchron zur Umschaltung zwischen der ersten und der zwei­ ten Nacheinspritzungsbetriebsart zwischen Adsorptions- und Desorptionsbetrieb umgeschaltet. Während Betriebsphasen in der ersten Nacheinspritzungsbetriebsart wirkt er adsorbierend und nimmt dadurch die überschüssigen Stickoxide auf, die vom nachge­ schalteten Denox-Katalysator in dieser Betriebsphase nicht voll­ ständig umgewandelt werden könnten. Während Betriebsphasen in der zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart wird dann der Adsorber­ katalysator desorbierend betrieben, wobei die freigesetzten Stickoxide zusammen mit den vom Motor momentan erzeugten Stickoxiden vom nachgeschalteten Denox-Katalysator unter Verwen­ dung der in erhöhter Menge bereitgestellten unverbrannten Koh­ lenwasserstoffe als Reduktionsmittel wirksam konvertiert werden können. Wenn der vordere Abgaskatalysator ebenfalls eine stickoxidreduzierende Funktion besitzt, wird in der zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart die Nacheinspritzmenge so hoch ge­ wählt, daß die unverbrannten Kohlenwasserstoffe vom vorderen Ab­ gaskatalysator nicht vollständig verbraucht werden und daher noch in ausreichender Menge im nachgeschalteten Katalysator zur Vervollständigung der Stickoxidumwandlung zur Verfügung stehen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei einem Verbrennungsmo­ tor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bei dem

• - eine abgastemperaturabhängige Kraftstoffnacheinspritzung zur Stickoxidverminderung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - abgastemperaturabhängig zwischen einer ersten Nacheinsprit­ zungsbetriebsart mit einer ersten Nacheinspritzmenge und einer zweiten Nacheinspritzungsbetriebsart mit einer gegenüber der er­ sten höheren zweiten Nacheinspritzmenge umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweite Nacheinspritzungsbetriebsart umgeschaltet wird, sobald die erste Nacheinspritzungsbetriebsart zuvor für eine vorgebbare erste Mindestzeitspanne (t₁) aktiv war und die Abga­ stemperatur (T_A) in einem vorgebbaren Temperaturbereich (T_G1 < T_A < T_G2) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten auf die erste Nacheinspritzungsbetriebsart umge­ schaltet wird, sobald die Abgastemperatur (T_A) den vorgebbaren Temperaturbereich verläßt oder die zweite Nacheinspritzungsbe­ triebsart bereits seit einer vorgebbaren zweiten Mindestzeit­ spanne (t₂) aktiv war.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzbeginn der Kraftstoffnacheinspritzung für die bei­ den Nacheinspritzungsbetriebsarten unterschiedlich vorgegeben wird.