DE19753718C1 - Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Die
selmotors mit einer Motorregelung, die in Abhängigkeit von
Kennfeldern den Betrieb des Dieselmotors regelt und eine
Fett/Mager-Regelung des Dieselmotors ermöglicht unter Mitberücksichtigung
der weiteren Merkmale des Oberbegriff des Anspruch 1.
Um die Schadstoffemission eines Dieselmotors zu reduzieren,
werden diese z. B. mit einer von den Abgasen des Dieselmotors
durchströmten Abgasreinigungsanlage betrieben. Zur Reinigung
können NOx-Adsorbersysteme verwendet werden, die sich durch
ein hohes Potential an NOx-Speicherfähigkeit auszeichnen. Der
artige, auch als NOx-Adsorberkatalysatoren bezeichnete Abgas
reinigungsanlagen speichern unter bestimmten Voraussetzungen
die Stickoxide (NOx) von Verbrennungskraftmaschinen, sofern
diese "mager" betrieben werden. Ein Mager-Betrieb liegt vor,
wenn das Verbrennungs-Luftverhältnis Lambda (λ) größer als 1
ist, das heißt wenn eine überstöchiometrische Verbrennung
vorliegt, bei der Restsauerstoff im Abgas vorhanden ist. Zur
Regeneration derartiger, aufgrund ihrer Speicherfähigkeit
auch als Speicherkatalysator bezeichneten NOx-Adsobersysteme
wird reduzierend wirkendes Abgas mit möglichst hohem Redukti
onsmittelgehalt benötigt, damit das im NOx-Adsorberkatalysator
gespeicherte NOx freigesetzt und zu Stickoxid N2 umgesetzt
werden kann. Eine Verbrennungskraftmaschine produziert redu
zierend wirkendes Abgas, wenn eine "fette" Verbrennung, das
heißt eine unterstöchiometrische Verbrennung mit λ < 1 vor
liegt, bei der kein oder nur noch wenig Restsauerstoff im Ab
gas vorhanden ist.
Dieselmotoren arbeiten im gesamten Kennfeldbereich in folge
des heterogenen Gemischbildungsverfahrens mit Sauerstoffüber
schuß (λ < 1). Um bei Dieselmotoren ein NOx-Adsorbersystem zur
Reinigung der Dieselmotorabgase verwenden zu können, muß auch
der Dieselmotor zeitweise auf Fett-Betrieb umgestellt werden
können, das heißt der Dieselmotor muß Betriebsphasen aufwei
sen, in denen eine unterstöchiometrische Verbrennung mit λ < 1
vorliegt.
Aus der DE 43 34 763 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine bekannt, wobei in einer Abgasreinigungsan
lage eine Adsorbtionseinrichtung für Stickoxide (NOx) angeord
net ist, die NOx adsorbiert, wenn das Verbrennungsluftverhält
nis Lambda mager ist (λ < 1) und adsorbiertes NOx freisetzt,
wenn das Verbrennungsluftverhältnis fett wird (λ < 1). Bei die
sem bekannten Verfahren wird die Temperatur der NOx-
Adsorbtionseinrichtung durch Einspritzen von Brennstoff in
das Abgas erhöht und durch Einblasen von Luft in das Abgas
gesenkt, um die Arbeitstemperatur der NOx-Speichereinrichtung
innerhalb eines festgelegten Bereiches zu halten.
Aus der DE 195 43 219 C1 ist ein Verfahren der eingangs ge
nannten Art bekannt, bei dem stromab des Speicherkatalysators
ein Sensor zur Erfassung der NOx-Konzentration im Abgasstrom
angeordnet ist, der bei Erreichen eines kennfeldmäßig in Ab
hängigkeit von Drehzahl und Motorlast variierenden NOx-
Speicher-Schwellwertes ein Umschalten von einem Betrieb des
Dieselmotors mit λ < 1 auf einen Betrieb mit λ < 1 auslöst, um im
Fett-Betrieb des Dieselmotors (λ < 1) den Speicherkatalysator
zu regenerieren. Zu diesem Zweck umfaßt beim bekannten Ver
fahren eine Motorregelung einen Rechner, der in Abhängigkeit
von vorbestimmten Umschaltkriterien ein Umschalten auf Fett-
oder Mager-Betrieb des Dieselmotors bewirkt, und eine mit dem
Rechner kommunizierende Sensorik, die für Umschaltkriterien
notwendige Parameter überwacht, sowie einen mit dem Rechner
kommunizierenden Speicher, in dem die Kennfelder für den Be
trieb des Dieselmotors gespeichert sind.
Ein Dieselmotor wird üblicherweise derart betrieben, daß sich
eine maximale Leistungsentfaltung bei minimalem Kraftstoff
verbrauch ergibt. Zusätzlich werden weitere Randbedingungen,
wie Abgasemissionswerte, Rauchentwicklung und Laufruhe, bei
der Abstimmung des Motorbetriebes berücksichtigt. Die genann
ten Anforderungen haben zur Folge, daß ein Dieselmotor übli
cherweise für den Mager-Betrieb optimiert ist. Dieser Opti
mal-Betrieb des Dieselmotors muß bei einem Abgasreinigungssy
stem mit einem Speicherkatalysator zeitweise für einen Fett-
Betrieb unterbrochen werden, während dem der Adsorberkataly
sator regeneriert wird.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszuge
stalten, daß sich das Gesamt-Betriebsverhalten des Dieselmo
tors unter Berücksichtigung der sich abwechselnden Phasen von
Mager-Betrieb und Fett-Betrieb verbessert.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Merkmale der
Unteransprüche (Ansprüche 2 bis 17) geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen
der Erfindung an.
Die Erfindung (Anspruch 1) beruht auf dem allgemeinen Gedanken, spezielle
Umschaltkriterien für ein Umschalten von Mager-Betrieb auf
Fett-Betrieb des Dieselmotors sowie spezielle Umschaltkrite
rien für ein Zurückschalten von Fett-Betrieb auf Mager-
Betrieb vorzusehen, wobei ein Umschalten auf den hinsichtlich
des Motorbetriebes ungünstigeren Fett-Betrieb nur dann er
folgt, wenn sämtliche diesbezüglich vorgesehenen Umschaltkri
terien erfüllt sind und ein Zurückschalten auf den hinsicht
lich des Motorbetriebsverhaltens günstigeren Mager-Betrieb
bzw. ein Abbruch des Fett-Betriebes bereits dann erfolgt,
wenn bereits eines der diesbezüglich vorgesehenen Umschalt
kriterien erfüllt ist. Mit Hilfe dieser Maßnahmen ist es mög
lich, die Umschaltkriterien derart zu wählen, daß einerseits
ein Fett-Betrieb des Dieselmotors nur dann erfolgt, wenn dies
für die Regeneration des Adsorbersystems notwendig ist, und
daß andererseits der Fett-Betrieb nur solange erfolgt, wie er
zur Regeneration des Adsorbersystems erforderlich ist,
und/oder der Fett-Betrieb beendet bzw. unterbrochen wird,
wenn dies für die Aufrechterhaltung eines bestimmten Motorbe
triebsverhaltens erforderlich ist.
Als spezielles Umschaltkriterium für ein Umschalten von Ma
ger- auf Fett-Betrieb des Dieselmotors dient beim erfindungs
gemäßen Verfahren die Einhaltung einer Regenerationstempera
tur eines von den Abgasen des Dieselmotors durchströmten
Speicherkatalysatorelementes. Durch die Einhaltung der Rege
nerationstemperatur des Speicher- oder Adsorbtionskatalysa
tors kann die Regenerationszeit und somit die Dauer der Fett-
Betriebs-Phase verkürzt werden, da der Speicherkatalysator
nur oberhalb einer bestimmten Temperatur die Fähigkeit be
sitzt, adsorbiertes NOx freizusetzen und gleichzeitig dieses
in molekularen Stickstoff N2 umzusetzen.
Entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens kann zur Überwachung der Regenerationstemperatur ein
Temperatursensor verwendet werden, der vor dem Einlaß des
Speicherkatalysatorelementes im Abgasstrang angeordnet ist
und mit der Sensorik kommuniziert (Anspruch 16), wobei die Regeneration
stemperatur, bei der ein Umschalten auf den Fett-Betrieb er
folgen kann, vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperatur
bereich liegt.
Bei einer besonderen Ausbildung der Abgasreinigungseinrich
tung des Dieselmotors kann dem Speicherkatalysator-Element
ein sauerstoffverbrauchendes Katalysatorelement, insbesondere
ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet sein (vergl. Anspruch 17). Bei einer
zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann bei einem derart aufgebauten Konvertersystem der Tempe
ratursensor zwischen dem Speicherkatalysatorelement und dem
sauerstoffverbrauchenden Katalysatorelement angeordnet sein,
wodurch neben der Überwachung der Regenerationstemperatur
auch eine Überwachung der Energiefreisetzung in Folge der
exothermen Reaktionen im sauerstoffverbrauchenden Katalysato
relement durchgeführt werden kann.
Als weiteres Umschaltkriterium, das für ein Umschalten von
Mager- auf Fett-Betrieb des Dieselmotors erfüllt sein muß,
dient beim erfindungsgemäßen Verfahren (Anspruch 1) das Vorliegen eines
bestimmten Beladungszustandes eines von den Abgasen des Die
selmotors durchströmten Speicherkatalysator-Elementes. Diese
Maßnahme verhindert zu häufiges Umschalten auf den Fett-
Betrieb, wodurch sich das Gesamt-Betriebsverhalten des Die
selmotors erheblich verbessert. Um den Beladungszustand des
Speicherkatalysators zu erfassen, können mehrere Maßnahmen
durchgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform (Anspruch 8) des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann der Beladungszustand des Speicherkatalysato
relementes mit Hilfe von Kennfeldern erfaßt werden, in denen
das Speichervermögen des Speicherkatalysator-Elementes in Ab
hängigkeit von dessen Temperatur und Beladungszustand und die
Abgasemissionswerte des Dieselmotors in Abhängigkeit des Mo
torbetriebszustandes abgelegt sind. Mit Hilfe dieser Kennfel
der wird ausgehend von einem Anfangs-Beladungszustand zu Be
ginn einer Mager-Betriebs-Phase die Zunahme der Beladung pro
Zeiteinheit bestimmt und der jeweils aktuelle Beladungszu
stand errechnet.
Vorteilhafterweise können bei einer Weiterbildung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens NOx-Sensoren vorgesehen sein, die mit
der Sensorik kommunizieren und im Abgasstrang vor und nach
dem Speicherkatalysatorelement angeordnet sind und mit deren
Hilfe zur Bestimmung des Beladungszustandes des Speicherkata
lysatorelementes die von diesem adsorbierte NOx-Menge überwa
chen (Anspruch 9).
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver
fahrens ist zur Bestimmung des Beladungszustandes des Spei
cherkatalysators ein NOx-Sensor vorgesehen, der mit der Senso
rik kommuniziert und im Abgasstrang nach dem Speicherkataly
satorelement angeordnet ist und die aus dem Speicherkatalysa
tor-Element austretende NOx-Menge überwacht. Dabei wird dem
vorbestimmten Beladungszustand, bei dem eine Umschaltung auf
den Fett-Betrieb erfolgen soll, ein vorbestimmter Maximalwert
für die detektierte NOx-Menge zugeordnet (Anspruch 10).
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens dient als Umschaltkriterium für ein
Umschalten von Mager- auf Fett-Betrieb des Dieselmotors das
Vorliegen eines stationären oder quasistationären Motorbe
triebszustandes (vergl. Anspruch 2). Mit Hilfe dieser Maßnahme ist es möglich,
das Betriebsverhalten des Dieselmotors während seines Fett-
Betriebes relativ einfach an das entsprechende Betriebsver
halten während des Mager-Betriebes anzugleichen, so daß z. B.
hinsichtlich der Leistungsentfaltung des Dieselmotors vom
Fahrer in der Regel keine Veränderung bemerkt wird.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kön
nen zur Erkennung eines stationären oder quasistationären Mo
torbetriebszustandes mit Hilfe der Sensorik Signalwerte über
wacht werden, die mit der Motordrehzahl und/oder mit der Pe
dalstellung und/oder mit der Einspritzmenge und/oder mit der
Abgastemperatur, beispielsweise vor dem Einlaß eines Ab
gasturboladers und/oder mit dem Motordrehmoment und/oder mit
der Motorlast korrelieren (vergl. Anspruch 3). Dabei wird vorzugsweise auf die
der elektronischen Motorsteuerung bzw. Motorregelung ohnehin
zur Verfügung stehenden Signale bezüglich Motordrehzahl und
Pedalstellung zurückgegriffen. Als Anhaltspunkt für einen
stationären oder quasistationären Motorbetriebszustand kann
die momentan herrschende Motorleistung bzw. Motorlast dienen,
die z. B. anhand der aktuellen Einspritzmenge und der aktuel
len Motordrehzahl bestimmt werden kann. Eine wirkungsvolle
Aussage über den Zustand des Motors ist auch mit Hilfe eines
Sensors möglich, der das Motordrehmoment detektiert.
Zweckmäßigerweise erkennt die Motorregelung bei einer Ausge
staltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Vorliegen eines
stationären oder quasistationären Motorbetriebszustandes,
wenn Änderungen der überwachten Signale während vorbestimmter
Zeiteinheiten vorbestimmte Schwellwerte nicht übersteigen (vergl. Anspruch 4).
Beim Verfahren nach der Erfindung dient als Umschaltkriterium
für ein Zurückschalten von Fett- auf Mager-Betrieb des Die
selmotors das Nichtvorliegen eines der Umschaltkriterien für
ein Umschalten von Mager- auf Fett-Betrieb, wobei jedoch das
den Beladungszustand betreffende Umschaltkriterium ausgenom
men ist (vergl. Anspruch 1).
Außerdem dient beim erfindungsgemäßen Verfahren als zusätzli
ches oder alternatives Umschaltkriterium für ein Zurückschal
ten von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors der Ablauf
einer Regenerationszeit, die von dem jeweiligen Beladungszu
stand eines von den Abgasen des Dieselmotors durchströmten
Speicherkatalysatorelementes zu Beginn der Fett-Betriebsphase
abhängt (vergl. Anspruch 1).
Die jeweilige Regenerationszeit, innerhalb der eine nahezu
vollständige Freisetzung und Umsetzung der gespeicherten
Stickoxide erreicht werden kann, ist vom jeweiligen Motorbe
triebszustand des Dieselmotors abhängig. Bei Kenntnis der
sich in diesem Motorbetriebszustand während einer Fett-
Betriebs-Phase einstellenden Abgaszusammensetzung hinsicht
lich der Reduktionsmittel Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwas
serstoffe (HC) sowie des Beladungszustandes des Speicherkata
lysators im Zeitpunkt der Umschaltung auf den Fett-Betrieb
des Motors ergibt sich für jeden Motorbetriebszustand aus dem
vorliegenden Abgasvolumenstrom und aus den entsprechenden
chemischen Reaktionsgleichungen eine relativ genaue Zeitvor
gabe, innerhalb der die für die vollständige Regeneration des
Speicherkatalysators erforderliche Menge bzw. Masse an Reduk
tionsmitteln bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise wird
bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die
Regenerationszeit des Speicherkatalysatorelementes mit Hilfe
von Kennfeldern bestimmt, in denen die Regenerationszeit in
Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes und des Beladungszu
standes des Speicherkatalysators abgelegt ist (Anspruch 11).
Des weiteren dient beim erfindungsgemäßen Verfahren als zu
sätzliches oder alternatives Umschaltkriterium für ein Zu
rückschalten von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors das
Vorliegen eines vorbestimmten Entladungszustandes eines von
den Abgasen des Dieselmotors durchströmten Speicherkatalysa
tor-Elementes. Dabei kann bei einer zweckmäßigen Ausgestal
tung dieses Verfahrens der Entladungszustand des Speicherka
talysators wiederum mit Hilfe von Kennfeldern überwacht wer
den, in denen die Regenerationszeit für ein Speicherkatalysa
tor-Element in Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes und
des Beladungszustandes des Speicherkatalysators abgelegt
sind (Anspruch 12).
Entsprechend einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aktuelle Beladungszu
stand während des Mager-Betriebes und des Fett-Betriebes da
durch bestimmt, daß einerseits der Beladungszustand zu Beginn
einer Mager-Betriebs-Phase aus dem Beladungszustand zu Beginn
einer Fett-Betriebs-Phase abzüglich der insbesondere kenn
feldmäßig zugeordneten Entladung während der Fett-Betriebs-
Phase ermittelt wird und daß andererseits der Beladungszu
stand zu Beginn einer Fett-Betriebs-Phase aus dem Beladungs
zustand zu Beginn einer Mager-Betriebs-Phase zuzüglich der
insbesondere kennfeldmäßig zugeordneten Beladung während der
Mager-Betriebs-Phase ermittelt wird, wobei für die Beladung
und Entladung entsprechende Kennfelder vorgesehen sind (Anspruch 13).
Als weiteres oder alternatives Umschaltkriterium für ein Zu
rückschalten von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors
dient beim erfindungsgemäßen Verfahren das Vorliegen eines
vorbestimmten Reduktionsmittelgehaltes in den Abgasen nach
einem Speicherkatalysator-Element. Mit dieser Maßnahme kann
ein Durchbruch von Reduktionsmitteln durch den Speicherkata
lysator festgestellt werden. Zu einem solchen Durchbruch an
Reduktionsmittel kommt es dann, wenn nach vollständiger
Desorbtion und Umsetzung der gespeicherten Stickoxide der
Dieselmotor weiterhin im Fett-Betrieb arbeitet. Ein derarti
ger Reduktionsmitteldurchbruch wird beispielsweise dann ange
nommen, wenn ein vorbestimmter Schwellwert für die HC-
Emission und/oder CO-Emission des Speicherkatalysators über
schritten wird, wobei dieser Schwellwert entsprechend dem
Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Kohlenwasserstoffen im Abgas
des Dieselmotors bei dessen Fett-Betrieb vorzugsweise in
Kennfeldern festgelegt ist.
Um den Reduktionsmittelgehalt der Abgase nach dem Speicherka
talysator festzustellen, kann entsprechend einer Weiterbil
dung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Abgasstrang nach dem
Speicherkatalysator wenigstens ein Reduktionsmittelsensor an
geordnet sein, der als HC-Sensor oder als CO-Sensor oder als
Lambda-Sonde ausgebildet ist (Anspruch 14).
Bei einem Dieselmotor mit einem Konvertersystem, dessem Spei
cherkatalysator ein DeNOx-Katalysatorelement nachgeschaltet
ist, kann bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Redukti
onsmittelsensor zwischen dem Speicherkatalysatorelement und
diesem DeNOx-Katalysatorelement angeordnet sein (Anspruch 15).
Darüber hinaus dient beim erfindungsgemäßen Verfahren als zu
sätzliches oder alternatives Umschaltkriterium für ein Zu
rückschalten von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors das
Vorliegen einer Abgastemperatur, die unterhalb eines vorbe
stimmten Schwellwertes liegt. Zur Detektion der Abgastempera
tur kann entsprechend einer Weiterbildung ein Temperatursen
sor vorgesehen sein, der vor einem von den Abgasen durch
strömten Speicherkatalysatorelement im Abgasstrang angeordnet
ist und mit der Sensorik kommuniziert (Anspruch 16).
Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vor
teil, wenn das dem Dieselmotor nachgeschaltete Konvertersy
stem ein vor dem Speicherkatalysator angeordnetes sauerstoff
verbrauchendes Katalysatorelement aufweist. Wenn die in die
sem sauerstoffverbrauchenden Katalysatorelement ablaufenden
exothermen Reaktionen eine Temperaturerhöhung verursachen,
derart, daß die Abgastemperatur im Eintrittsbereich des Spei
cherkatalysators einen bestimmten Grenzwert überschreitet,
ist die thermische Stabilität des Katalysators und weiterer
Motorbauteile gefährdet, so daß ein Zurückschalten in den Ma
ger-Betrieb erforderlich ist. In diesem Fall wird der Tempe
ratursensor vorzugsweise zwischen dem Speicherkatalysatorele
ment und dem diesem vorgeschalteten sauerstoffverbrauchenden
Katalysatorelement angeordnet.
Entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens dient als Umschaltkriterium für ein Zurückschalten
von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors das Vorliegen
eines instationären Motorbetriebszustandes. Insbesondere kön
nen zur Erkennung des instationären Motorbetriebszustandes
mit Hilfe der Sensorik wiederum Signale überwacht werden, die
mit der Motordrehzahl und/oder der Pedalstellung und/oder der
Einspritzmenge und/oder der Abgastemperatur, vorzugsweise vor
dem Einlaß eines Abgasturboladers, und/oder der Motordrehzahl
und/oder der Motorlast korrelieren. Vorzugsweise erkennt bei
einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah
rens die Motorsteuerung das Vorliegen eines instationären Mo
torbetriebszustandes, wenn Änderungen der überwachten Signal
werte während vorbestimmter Zeiteinheiten vorbestimmte
Schwellwerte überschreiten (vergl. Anspruch 5).
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eines Ver
fahrens nach der Erfindung, bei dem ein Umschalten in den
Fett-Betrieb erfolgen kann, wenn ein stationärer oder quasi
stationärer Motorbetriebszustand vorliegt, und bei dem ein
Zurückschalten in den Mager-Betrieb erfolgt, wenn ein insta
tionärer Motorbetriebszustand vorliegt, kann vorgesehen sein,
daß die zur Feststellung eines instationären Motorbetriebszu
standes vorbestimmten Zeiteinheiten und Schwellwerte sich von
den vorbestimmten Zeiteinheiten und Schwellwerten zur Fest
stellung eines stationären oder quasistationären Motorbe
triebszustandes unterscheiden (vergl. Anspruch 4). Diese Maßnahme ermöglicht eine
optimale Anpassung der Umschaltkriterien sowohl an einen ho
hen Fahrkomfort als auch an ein ökonomisches und ökologisches
Betriebsverhalten des Motors.
Die Erfindung wird mit Hilfe
der nachfolgenden Fi
gurenbeschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles an
hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Dieselmotors mit
Abgasrückführung, Abgasturbolader, Abgasreinigungs
einrichtung und einer Motorsteuerung nebst zugehöri
gen Leitungen, die einzelne Aggregate mit der Motor
steuerung verbinden.
Entsprechend Fig. 1 saugt ein Abgasturbolader 1 auf seiner
Verdichtereintrittsseite Frischluft entsprechend dem Pfeil a
an, diese durchströmt bei entsprechend erhöhtem Druck einen
Wärmetauscher 2 und erreicht eine Drosselstelle 3 in der An
saugleitung 4.
In der Drosselstelle 3 ist eine Drosselklappe 5 angeordnet,
die über ein Stellglied 6 von einem hilfskraftbetätigten
Stellantrieb 7 betätigbar ist. Nach der Drosselstelle 3
durchquert die Frischluft zunächst ein Saugrohr 16 und er
reicht dann eine Luftsammelkammer 8, von wo aus sie über se
parate Ansaugtrakte 9 den Brennbereichen des Dieselmotors 10
zugeführt wird. In den Ansaugtrakten 9 sind jeweils einzelne
Drosselklappen 11 angeordnet, die entsprechend dem Ausfüh
rungsbeispiel über ein gemeinsames Stellglied 12 von einem
hilfskraftbetätigten Stellantrieb 13 betätigbar sind.
Stromab des Motors 10 werden die während der Verbrennung ge
bildeten Abgase in einer Abgassammelkammer 14 gesammelt und
zum Teil der Turbineneintrittsseite des Abgasturboladers 1
zugeführt. Außerdem kommuniziert die Abgassammelkammer 14 mit
einer Abgasrückführungsleitung 15, die im Saugrohr 16, das
heißt nach der Drosselstelle 3 und vor der Luftsammelkammer 8
in der Luftansaugleitung 4 mündet.
Im Mündungsbereich der Abgasrückführungsleitung 15 ist im
Saugrohr 16 ein Ventil 17 angeordnet, das über ein Stellglied
18 von einem hilfskraftbetätigten Stellantrieb 19 betätigbar
ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Abgas
rückführungsleitung 15 mit einem Wärmetauscher 20 im Wärme
austausch, so daß gegebenenfalls eine Kühlung des rückgeführ
ten Abgases erreicht werden kann.
Der Turbineneintrittsquerschnitt und/oder der die Turbine
durchströmende Abgasvolumenstrom ist mit Hilfe eines Stell
gliedes 21 veränderbar, das von einem hilfskraftbetätigten
Stellantrieb 22 betätigbar ist. Nach dem Durchströmen der
Turbine des Abgasturboladers 1 wird das Abgas entsprechend
dem Pfeil b einem Abgasreinigungssystem oder Konvertersystem
26 zugeleitet. Entsprechend Pfeil c wird das gereinigte Abgas
z. B. durch einen nicht gezeigten Auspuff in die Umgebung ab
geführt.
Das Konvertersystem 26 besteht aus einem Adsorber- oder Spei
cherkatalysatorelement 27, einem diesem vorgeschalteten sau
erstoffverbrauchenden Katalysatorelement 28, das vorzugsweise
als Oxidationskatalysator ausgebildet ist, und aus einem dem
NOx-Adsorberkatalysator 27 nachgeschalteten DeNOx-
Katalysatorelement 29. Das Konvertersystem 26 besteht somit
aus mehreren Teilelementen 27, 28 und 29, in denen unter
schiedliche chemische Reaktionen ablaufen. Die Teilelemente
27, 28 und 29 können derart angeordnet sein, daß sich der
Oxidationskatalysator 28 relativ dicht vor dem Adsorberkata
lysator 27 befindet, während sich der DeNOx-Katalysator 29 re
lativ weit vom Adsorberkatalysator 27 entfernt befindet. Auf
diese Weise kann die Temperatur der Abgase auf ihrem Strö
mungsweg vom Adsorberkatalysator 27 zum DeNOx-Katalysator 29
absinken bzw. abgesenkt werden.
Ein Oxidationskatalysator 28 wird verwendet, um den restli
chen Sauerstoffgehalt aus den Dieselabgasen zu entziehen.
Dies bewirkt im Mager-Betrieb des Dieselmotors, daß die Spei
cherfähigkeit des Adsorberkatalysators 27 für NOx erhöht wird,
da keine Speicherkapazität durch die ungewollte Speicherung
von Sauerstoff (O2) verloren geht. Der Oxidationskatalysator
28 ist jedoch auch für den Fett-Betrieb hilfreich. Denn auf
grund der heterogenen Gemischbildung im Dieselmotor sind auch
bei einem unterstöchiometrischen Gesamtverbrennungsluftver
hältnis (λ < 1) die Dieselabgase nicht vollkommen sauerstoff
frei. Im Fett-Betrieb bewirkt der Oxidationskatalysator 28
daher eine Steigerung der Regenerationsgeschwindigkeit. Au
ßerdem kann durch die im Oxidationskatalysator 28 ablaufende
exotherme oder wärmeenergiefreisetzende Reaktion die Betrieb
stemperatur des Adsorberkatalysators 27 früher erreicht wer
den.
Ein DeNOx-Katalysator 29 wird verwendet, um in Betriebszustän
den, in denen der Adsorberkatalysator 27 nicht ordnungsgemäß
arbeitet, den Adsorberkatalysator 27 durchströmende, nicht
adsorbierte Stickoxide NOx zu reduzieren. Derartige Betriebs
zustände, in denen der Adsorberkatalysator 27 nicht optimal
funktioniert, sind z. B. dann gegeben, wenn das zugeführte Ab
gas außerhalb des Betriebstemperaturbereichs des Adsorptions
katalysators 27 liegt oder wenn der Adsorptionskatalysator 27
zu einem hohen Grad gesättigt ist. Um durch den Adsorberkata
lysator 27 "durchschlagendes" NOx zu reduzieren, sind im
DeNOx-Katalysator 29 Reduktionsmittel gespeichert, die zur Re
duktion der Stickoxide freigesetzt werden können. Die Aufla
dung des DeNOx-Katalysator 29 kann z. B. während des Fett-
Betriebes innermotorisch erfolgen, wenn die entsprechenden
Reduktionsmittel gegen Ende der Regenerationsphase des Adsor
berkatalysators 27 vermehrt diesen durchdringen. Ebenso kann
z. B. über eine spezielle Kraftstoffeinspritzung eine außermo
torische Reduktionsmittelzufuhr realisiert werden.
Im Abgasstrom sind zwischen dem Oxidationskatalysator 28 und
dem Adsorberkatalysator 27 ein Temperatursensor 30 sowie ein
erster NOx-Sensor 31 angeordnet. Zwischen dem Adsorptionskata
lysator 27 und dem DeNOx-Katalysator 29 sind ein zweiter NOx-
Sensor 32 sowie ein HC-Sensor 33 im Abgasstrom angeordnet.
Der Dieselmotor wird von einer Motorsteuerung oder Motorrege
lung 23 gesteuert bzw. geregelt, wozu diese über Leitungen
mit den entsprechenden Aggregaten des Dieselmotors 10 verbun
den ist. Beispielsweise ist in der Fig. 1 eine Leitung 24
dargestellt, welche die Motorregelung 23 mit einer Einspritz
anlage 25 des Dieselmotors 10 verbindet. Weitere Leitungen
34, 35, 36 und 37 verbinden die Motorregelung 23 mit den
Stellantrieben 22, 13, 19 und 7. Darüber hinaus kommuniziert
die Motorregelung 23 über Verbindungsleitungen 38, 39, 40 und
41 mit dem Temperatursensor 30, mit den NOx-Sensoren 31 und 32
sowie mit dem HC-Sensor 33. Außerdem kommuniziert die Motor
regelung 23 mit einer nicht dargestellten Sensorik, die mit
Hilfe von Sensoren verschiedene Parameter des Dieselmotors
10, insbesondere des Konvertersystems 26 detektiert.
In der Motorregelung 23 ist ein Rechner oder Mikroprozessor
sowie ein damit kommunizierender Speicher integriert. In die
sem Speicher sind zum einen Kennfelder für den Mager-Betrieb
des Dieselmotors 10 zum anderen aber auch Kennfelder für den
Fett-Betrieb des Dieselmotors 10 abgespeichert. Über einen
Softwareschalter wird festgelegt, nach welchen Kennlinien der
Dieselmotor 10 von der Motorregelung 23 geregelt werden soll.
Die Stellung des Softwareschalters richtet sich dabei nach
Umschaltkriterien, deren Vorliegen vom Rechner ständig über
prüft wird. Der Rechner kann zur Überwachung der Umschaltkri
terien einerseits auf Signale bzw. Signalwerte zurückgreifen,
die ohnehin in der Motorregelung vorhanden sind, wie z. B. Mo
tordrehzahl, Gaspedalstellung. Andererseits können zur Über
wachung anderer Umschaltkriterien zusätzliche Signale bzw.
Signalwerte berücksichtigt werden.
Beispielsweise wird der Temperatursensor 30 dazu verwendet,
die Abgastemperatur vor dem Einlaß des Speicherkatalysatore
lementes 27 zu messen. Ein Umschaltkriterium für ein Umschal
ten auf den Fett-Betrieb kann daher z. B. die Einhaltung einer
bestimmten Regenerationstemperatur sein, die im Speicherkata
lysator 27 vorliegen muß. Über den Temperatursensor 30 kann
aber auch eine Grenztemperatur festgestellt werden, bei der
ein Zurückschalten auf den Mager-Betrieb erforderlich ist,
weil beispielsweise Temperaturen im Bereich der thermischen
Belastungsgrenze des Speicherkatalysators 27 und anderer Mo
torbauteile erreicht wird. Außerdem gestattet der Temperatur
sensor 30 ein gezieltes Zuheizen über exotherme Reaktionen im
Oxidationskatalysator 28, um den Adsorberkatalysator 27 mög
lichst rasch auf eine optimale Betriebstemperatur zu bringen.
Mit Hilfe der NOx-Sensoren 31 und 32, die beiderseits des
Speicherkatalysators 27 im Abgasstrang angeordnet sind, läßt
sich auf besonders einfache Weise der jeweils aktuelle Bela
dezustand des Speicherkatalysators 27 ermitteln.
Der HC-Sensor 33 im Auslaßbereich des Speicherkatalysators 25
dient zur Detektion von Reduktionsmitteln, die aus dem Adsor
berkatalysator 27 austreten. Übersteigt die im Abgasstrom
nach dem Adsorberkatalysator 27 vorhandene Reduktionsmittel
menge einen vorbestimmten Schwellwert, bedeutet dies für den
Fett-Betrieb, daß der Speicherkatalysator 27 vollständig re
generiert ist, oder für den Mager-Betrieb, daß ein Funktions
fehler im Speicherkatalysator 27 vorliegt. Anstelle eines HC-
Sensors können zusätzlich oder alternativ auch andere Reduk
tionsmittelsensoren vorgesehen sein, wie z. B. ein CO-Sensor
oder eine Lambda-Sonde.
Claims (17)
1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer Mo
torregelung, die in Abhängigkeit von Kennfeldern den Betrieb
des Dieselmotors regelt und eine Fett/Mager-Regelung des Die
selmotors ermöglicht, mit folgenden Merkmalen:
- 1. die Motorregelung (23) umfaßt
- 1. einen Rechner, der in Abhängigkeit von vorbestimmten Um schaltkriterien ein Umschalten auf Fett- oder Mager- Betrieb des Dieselmotors (10) bewirkt,
- 2. eine mit dem Rechner kommunizierende Sensorik, die für Umschaltkriterien notwendige Parameter überwacht, und
- 3. einen mit dem Rechner kommunizierenden Speicher, in dem die Kennfelder für den Betrieb des Dieselmotors (10) ge speichert sind,
- 1. daß der Rechner ein Umschalten von Mager- auf Fett-Betrieb
bewirkt, wenn alle folgenden Umschaltkriterien erfüllt
sind:
- 1. die Einhaltung einer Regenerationstemperatur eines von den Abgasen des Dieselmotors (10) durchströmten Spei cherkatalysatorelementes (27) und
- 2. das Vorliegen eines vorbestimmten Beladungszustandes des von den Abgasen des Dieselmotors (10) durchströmten Speicherkatalysatorelementes (27),
- 2. daß der Rechner ein Zurückschalten von Fett- auf Mager-
Betrieb bewirkt, wenn zumindest eines der folgenden Um
schaltkriterien erfüllt ist:
- 1. das Nichtvorliegen eines der Umschaltkriterien für ein Umschalten von Mager- auf Fett-Betrieb oder
- 2. der Ablauf einer Regenerationszeit, die von dem jeweili gen Beladungszustand des von den Abgasen des Dieselmo tors (10) durchströmten Speicherkatalysatorelementes (27) zu Beginn der Fett-Betriebs-Phase abhängt, oder
- 3. das Vorliegen eines vorbestimmten Entladungszustandes des von den Abgasen des Dieselmotors (10) durchströmten Speicherkatalysatorelementes (27) oder
- 4. das Vorliegen eines vorbestimmten Reduktionsmittelgehal tes in den Abgasen nach dem Speicherkatalysatorelement (27) oder
- 5. das Vorliegen einer Abgastemperatur unterhalb eines vor bestimmten Schwellwertes
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß als weiteres Umschaltkriterium, das für ein Umschalten von Mager- auf Fett-Betrieb des Dieselmotors (10) eben falls erfüllt sein muß, das Vorliegen eines stationären oder quasistationären Motorbetriebszustandes dient und
- 2. daß als weiteres Umschaltkriterium, das ein Zurückschalten von Fett- auf Mager-Betrieb des Dieselmotors (10) auslöst, das Vorliegen eines instationären Motorbetriebszustandes dient.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erkennung eines stationären oder quasistationären Mo
torbetriebszustandes und/oder eines instationären Motorbe
triebszustandes mit Hilfe der Sensorik Signalwerte überwacht
werden für Motordrehzahl und/oder Gaspedalstellung und/oder
Einspritzmenge und/oder Abgastemperatur, insbesondere vor dem
Einlaß eines Abgasturboladers (1), und/oder Motordrehmoment
und/oder Motorlast.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß die Motorregelung (23) das Vorliegen eines stationären oder quasistationären Motorbetriebszustandes erkennt, wenn Änderungen der überwachten Signalwerte während vorbestimm ter Zeiteinheiten vorbestimmte Schwellwerte nicht überstei gen, und/oder
- 2. daß die Motorregelung (23) das Vorliegen eines instationä ren Motorbetriebszustandes erkennt, wenn Änderungen der überwachten Signalwerte während vorbestimmter Zeiteinheiten vorbestimmte Schwellwerte übersteigen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Feststellung eines instationären Motorbetriebszu
standes vorbestimmten Zeiteinheiten und Schwellwerte sich von
den vorbestimmten Zeiteinheiten und Schwellwerten zur Fest
stellung eines stationären oder quasistationären Motorbe
triebszustandes unterscheiden.
6. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung der Regenerationstemperatur ein Tempera
tursensor (30) verwendet wird, der vor dem Einlaß des Spei
cherkatalysatorelementes (27) im Abgasstrang angeordnet ist
und mit der Sensorik kommuniziert.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung der Regenerationstemperatur der Tempera
tursensor (30) zwischen dem Speicherkatalysatorelement (27)
und einem diesem im Abgasstrom vorgeschalteten sauerstoffver
brauchenden Katalysatorelement (28) angeordnet ist, das ins
besondere als Oxidationskatalysator ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beladungszustand des Speicherkatalysatorelementes
(27) mit Hilfe von Kennfeldern erfaßt wird, in denen das
Speichervermögen des Speicherkatalysatorelementes (27) in Ab
hängigkeit von dessen Temperatur und Beladungszustand und die
Abgasemissionswerte des Dieselmotors (10) in Abhängigkeit des
Motorbetriebszustandes abgelegt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung des Beladungszustandes des Speicherkataly
satorelementes (27) NOx-Sensoren (31) und (32) vorgesehen
sind, die mit der Sensorik kommunizieren und im Abgasstrang
vor und nach dem Speicherkatalysatorelement (27) angeordnet
sind, mit deren Hilfe die vom Speicherkatalysator (27) adsor
bierte NOx-Menge überwacht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung des Beladungszustandes des Speicherkataly
satorelementes (27) ein NOx-Sensor (32) vorgesehen ist, der
mit der Sensorik kommuniziert und im Abgasstrang nach dem
Speicherkatalysatorelement (27) angeordnet ist und die aus
dem Speicherkatalysatorelement (27) austretende NCR-Menge
überwacht, wobei ein vorbestimmter Maximalwert für die detek
tierte NOx-Menge dem vorbestimmten Beladungszustand, bei dem
das Umschalten erfolgt, zugeordnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regenerationszeit des Speicherkatalysatorelementes
(27) mit Hilfe von Kennfeldern festgelegt wird, in denen die
Regenerationszeit in Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes
und des Beladungszustandes des Speicherkatalysatorelementes
(27) abgelegt ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Entladungszustand des Speicherkatalysatorelementes
(27) mit Hilfe von Kennfeldern überwacht wird, in denen die
Regenerationszeit für ein Speicherkatalysatorelement (27) in
Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes und des Beladungszu
standes des Speicherkatalysatorelementes (27) abgelegt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Beladungszustand des Speicherkatalysatorelemen
tes (27) zu Beginn einer Mager-Betriebs-Phase aus dem Bela
dungszustand zu Beginn einer Fett-Betriebs-Phase abzüglich
der Entladung während der Fett-Betriebs-Phase ergibt und daß
sich der Beladungszustand zu Beginn einer Fett-Betriebs-Phase
aus dem Beladungszustand zu Beginn einer Mager-Betriebs-Phase
zuzüglich der Beladung während der Mager-Betriebs-Phase er
gibt, wobei für die Beladung und Entladung entsprechende
Kennfelder vorgesehen sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung des Reduktionsmittelgehaltes im Ab
gasstrang nach dem Speicherkatalysatorelement wenigstens ein
Reduktionsmittelsensor (33) angeordnet ist, der als HC-Sensor
oder als CO-Sensor oder als Lambda-Sonde ausgebildet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung des Reduktionsmittelgehaltes der Redukti
onsmittelsensor (33) zwischen dem Speicherkatalysatorelement
(27) und einem diesem nachgeschalteten DeNOx-
Katalysatorelement (29) angeordnet ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung das Abgastemperatur ein Temperatursensor
(30) vorgesehen ist, der vor einem von den Abgasen durch
strömten Speicherkatalysatorelement (27) im Abgasstrom ange
ordnet ist und mit der Sensorik kommuniziert.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Überwachung der Abgastemperatur der Temperatursensor
(30) zwischen dem Speicherkatalysatorelement (27) und einem
diesem im Abgasstrom vorgeschalteten sauerstoffverbrauchenden
Katalysatorelement (28) angeordnet ist, das insbesondere als
Oxidationskatalysator ausgebildet ist.
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