DE19823923C2 - Verfahren zur Stickoxidreduzierung im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stickoxidreduzierung im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen wei­ ter zu reduzieren, kommen Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung immer häufiger zum Einsatz. Bei Otto-Brenn­ kraftmaschinen mit magerer Verbrennung wird der Luftüberschuß so groß gewählt, wie es die Lastanforderung an die Brenn­ kraftmaschine gestattet. Bei geringer Lastanforderung, z. B. bei geringem Drehmoment oder geringer bzw. fehlender Be­ schleunigung, kann in einem Schichtlade-Betrieb das Kraft­ stoff/Luft-Gemisch, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Lambda-Werte von 3 und mehr aufweisen.

Zur Erfüllung der geforderten Abgasemissionsgrenzwerte ist bei solchen Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgasnachbe­ handlung notwendig. Dazu werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet. Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ih­ rer Beschichtung in der Lage, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu absorbieren, die in einer Speicherphase bei magerer Ver­ brennung entstehen. Während einer Regenerationsphase werden die absorbierten bzw. gespeicherten NOx-Verbindungen unter Zugabe eines Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Als Reduktionsmittel für magerbetriebene Otto- Brennkraftmaschinen können CO, H₂ und HC (Kohlenwasserstoffe) verwendet werden. Diese werden durch kurzzeitiges Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator als Abgaskomponenten zur Verfü­ gung gestellt, wodurch die gespeicherten NOx-Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.

In der EP 0 560 991 A1 ist ein Absorber-Katalysator-System mit Mager-Mix-Betrieb beschrieben, bei dem die Umschaltung zwischen Magerbetriebsphasen und stöchiometrischen bzw. An­ reicherungsbetriebsphasen zu vergleichsweise grob abgeschätz­ ten Zeitpunkten erfolgt. Dabei wird die Brennkraftmaschine möglichst lange im Magerbetrieb gefahren und von einer stö­ chiometrischen bzw. Anreicherungsbetriebsphase dann wieder auf den Magerbetrieb geschaltet, wenn aufgrund einer entspre­ chenden Schätzung angenommen wird, daß sich der NOx-Adsorber wieder regeneriert hat.

Aus der DE 195 43 219 C1 ist ein Verfahren zum Betreiben ei­ nes Dieselmotors mit einer zwischen Abgasleitung und Ansaug­ luftleitung angeordneten Abgasrückführeinrichtung bekannt. Dabei ist eine Motorregelung vorgesehen, die eine Fett/Mager- Regelung des Dieselmotors in Abhängigkeit von dessen Be­ triebsparametern ermöglicht. In der Abgasleitung ist ein Speicherkatalysator angeordnet, in dem Stickoxide adsorbier­ bar, desorbierbar und reduzierbar sind und stromabwärts des Speicherkatalysators ist ein Sensor zur Erfassung der NOx- Konzentration im Abgasstrom vorgesehen. Bei Erreichen eines kennfeldmäßig in Abhängigkeit von Drehzahl und Last variie­ renden NOx-Speicher-Schwellenwertes wird von einem Betrieb von einem Lambdawert größer 1 auf einen Betrieb mit einem Lambdawert kleiner 1 umgeschaltet.

In der DE 42 17 552 C1 ist eine Abgasnachbehandlungseinrich­ tung für Verbrennungsmotoren mit einem Katalysator zur selek­ tiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aus Abgasen von Kraftfahrzeugdieselmotoren mit überstöchiometrischer Zugabe von NH₃ oder NH₃-freisetzenden Stoffen beschrieben. Dabei ist ein erster, die im Abgas enthaltene NH₃ Konzentration erfas­ sender Sensor, der die Zugabe der NH₃ Menge bei Erreichen ei­ nes vorgegebenen oberen Schwellenwertes unterbricht und ein zweiter, das im Katalysator adsorbierte NH₃ erfassender Sen­ sor, durch den die NH₃ Zugabe bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Schwellenwertes erneut wieder einsetzt, vorgese­ hen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reduzieren von Stickoxiden im Abgas einer mit einem NOx- Speicherkatalysator ausgestatteten Brennkraftmaschine an­ zugeben, bei dem die Regenerierungsphase für den Speicherka­ talysator verkürzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruches ge­ löst.

Erfindungsgemäß wird das Ende der Regenerationsphase an einem Signal eines stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators ange­ ordneten NOx-Sensors erkannt, das eine abnehmende Emission von NH₃ aus dem NOx-Speicherkatalysator anzeigt. Dabei wird die Querempfindlichkeit des NOx-Sensors zu Ammoniak NH₃ aus­ genutzt, was in dem Signal des NOx-Sensors zu einem hohen Peak führt, ohne daß in diesem Fall NOx die gemessene Kompo­ nente ist.

Als Auslöseereignis zum Abbrechen bzw. Beenden der Regenera­ tionsphase kann dabei entweder das Maximum des Sensorsignals selbst ausgewertet werden oder beim Auftreten des Maximums ein Zeitzähler gestartet werden und bei Erreichen eines vor­ gegebenen Wertes für den Zählerinhalt die Regenerierungsphase abgebrochen werden.

Gemäß einer weiteren Variante wird ein Schwellenwert z. B. ausgedrückt in % des Maximalwertes des NOx-Sensorsignals vor­ gegeben und die Regenerierung abgebrochen, wenn nach Errei­ chen des Maximalwertes das Sensorsignal unter diesen Schwel­ lenwert fällt.

Durch das unmittelbare Auswerten eines Sensorsignals als Kri­ terium für das Beenden der Regenerierungsphase ist es mög­ lich, die Regenerierungsphase zu verkürzen, ohne daß dabei der Wirkungsgrad der HC und CO Konvertierung reduziert wird. Während der Regenerationsphase wird durch die Reaktion im NOx-Speicherkatalysator die Katalysatortemperatur erhöht. Da der Wirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators bei höheren Temperaturen abnimmt, ist die Speicherfähigkeit nach der Re­ generierung eingeschränkt, bis die Katalysatortemperatur wie­ der abgenommen hat. Durch eine Verkürzung der Regenerierungs­ phase kann die Katalysatortemperatur und damit die Wirkungs­ gradabnahme verringert werden. Dadurch sind auch die NOx- Emissionen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators gerin­ ger. Auch die HC-Emissionen nach bzw. während der Regenerie­ rungsphase können durch einen nur kurz stattfindenden Betrieb mit fettem Gemisch verringert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegebben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit NOx- Speicherkatalysator,

Fig. 2 ein Diagramm mit Kurven zur Erläuterung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben und Rege­ nerieren des Abgasnachbehandlungssystems einer zumindest teilweise mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Dabei sind nur die Teile und Komponenten in der Figur dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Der mit Luftüberschuß erfolgende, d. h. magere Betrieb der Brennkraft­ maschine 1 wird von einer Steuerungseinrichtung 2 geregelt bzw. gesteuert. Im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 be­ findet sich ein NOx-Speicherkatalysator 3. Stromab dieses NOx-Speicherkatalysators ist ein Meßaufnehmer 5 in Form eines NOx-Sensors vorgesehen, dessen Signal von der Steuerungsein­ richtung 2 eingelesen wird.

In der Fig. 2 sind drei zeitliche Verläufe von Signalen dar­ gestellt. Dabei ist mit LAM der Lambda-Wert des der Brenn­ kraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches vor, wäh­ rend und nach einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkata­ lysators und mit NOx_SENS das Signal des NOx-Sensors 5 be­ zeichnet. Zusätzlich ist zum Vergleich dieses On Board gemes­ senen Sensorsignals NOx_SENS das Signal eines stationären Ab­ gasanalysegerätes (Chemiluminiszenz-Detektor, CLD) NOx_CLD für Stickoxide dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Signal NOx-CLD des Analysegerätes um einen Offset von ca. 40 ppm verschoben, um die Querempfindlichkeit des NOx- Sensors zu NH₃ besser darstellen zu können. Die Arbeitsweise eines solchen Chemiluminiszenz-Detektors beruht darauf, daß durch eine chemische Reaktion eine Lichtemission angeregt wird, die mit einer Photozelle gemessen wird. Der ausgesandte Photonenstrom ist dabei proportional der Stickstoffmonoxid- Konzentration.

Auf der Ordinate des Diagramms ist die NOx-Konzentration in ppm bzw. der Lambdawert aufgetragen.

Im Betrieb steuert die Steuerungseinrichtung 2 die Brenn­ kraftmaschine 1 wahlweise im Magerbetrieb, d. h. mit einem Soll-Lambdawert größer als eins oder im stöchiometrischen bzw. im Anreicherungsbetrieb, d. h. mit einem Lambdawert gleich oder kleiner als eins, an. Gemäß der Darstellung nach Fig. 2 wird die Brennkraftmaschine im Magerbetrieb mit einem Lambdawert von 1,4 betrieben. Nach einer gewissen Zeitdauer des Magerbetriebs muß der NOx-Speicherkatalysator 3 regene­ riert werden. Dies erfolgt dadurch, daß zu einem geeigneten Zeitpunkt t1, der beispielsweise unter Verwendung einer Schätzung hinsichtlich der im NOx-Speicherkatalysator einge­ lagerten Stickoxidmenge festgelegt ist, auf Anreicherungsbe­ trieb umgeschaltet wird. Eine Regenerierungsphase kann auch eingeleitet werden, wenn die Steuerungseinrichtung 2 fest­ stellt, daß die in den NOx-Speicherkatalysator 3 eingebrachte Menge an NOx einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Die Menge an NOx kann dabei aus einem Modell in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine 1 berechnet werden. Als Betriebskenngrößen können die Dreh­ zahl, Last (Luftmasse, Einspritzmenge), Zündwinkel, Lambda­ wert des Abgases stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators, Ansauglufttemperatur, Ventilüberschneidung, Abgasrückführung usw. Verwendung finden. Aus dem Modell ist somit zu jedem Zeitpunkt der Speicherphase die im NOx-Speicherkatalysator 3 gespeicherte Menge an NOx bekannt.

Die Brennkraftmaschine wird ab dem Zeitpunkt t1, dem Beginn der Regeneration des Speicherkatalysators mit einem Lambda­ wert von 0,8 betrieben. In der Regenerierungsphase wird also der mit NOx beladene Speicherkatalysator mit fettem Abgas durchströmt. Das im fetten Abgas enthaltene H₂ reagiert mit dem gespeicherten NOx zu Ammoniak NH₃. Im Signal des NOx- Sensors 5 treten in der Regenerierungsphase zwei Peaks auf: ein Desorptionspeak 10, der von unvermeidbar bei der kataly­ tischen Umwandlung freigesetztem NOx herrührt und ein NH₃- Peak 11. Der NOx-Sensor 5 zeigte nämlich eine Querempfind­ lichkeit zu NH₃, so daß das Signal NOx_SENS einen hohen Peak aufweist, ohne daß in diesem Fall NOx die gemessene Komponen­ te ist. Ist im NOx-Speicherkatalysator 3 kein NOx mehr vorhanden, kann auch kein Ammoniak mehr gebildet werden und das Signal NOx_SENS fällt wieder ab. Die fallende Flanke des NOx- Sensorsignals NOx_SENS kann somit als Triggerung für den Ab­ bruch der Regenerierungsphase herangezogen werden. Zum Zeit­ punkt t2 gilt also die Regenerierungsphase des NOx-Speicher­ katalysators als abgeschlossen, die Anfettung des Kraft­ stoff/Luftgemisches wird zurückgenommen und der Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt wieder mit mageren Gemisch, in diesem Beispiel mit Lambda = 1,4.

Die Bestimmung des Endes der Regenerierungsphase (Zeitpunkt t2) kann dadurch erfolgen, daß der Maximalwert des NOx- Sensorsignals NOx-SENS erfaßt wird, beim Auftreten dieses Ma­ ximums ein Zeitzähler gestartet wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes für den Zählerinhalt die Regenerierungs­ phase abgebrochen wird.

Außer einer solchen Zeitabfrage für die Bestimmung des Rege­ nerationsendes ist es auch möglich, einen Schwellenwert, z. B. ausgedrückt in % des Maximalwertes des NOx-Sensorsignals NOx- SENS vorzugeben und die Regeneration abzubrechen, wenn nach Erreichen des Maximalwertes das Sensorsignal unter diesen Schwellenwert fällt.

Da die Flanke des Signals NOx-SENS nach Erreichen des Maxi­ mums sehr steil abfällt, ist es unter einer geringen Einbuße an Genauigkeit auch möglich, das Maximum selbst als Kriterium für das Beenden der Regenerationsphase herzunehmen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Stickoxidreduzierung im Abgas einer mit zu­ mindest teilweise mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraft­ maschine, die einen im Abgastrakt angeordneten NOx- Speicherkatalysator aufweist, der in einer Speicherphase NOx im Abgas der Brennkraftmaschine speichert und bei Er­ reichen einer vorbestimmten Beladung zur Entleerung des NOx-Speicherkatalysators gespeichertes NOx in einer Regene­ rationsphase durch Zugabe eines Reduktionsmittels kataly­ tisch umwandelt, wobei das Reduktionsmittel durch kurzzei­ tigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch im Abgas (Lambda kleiner 1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Regenerati­ onsphase (t2) an einem Signal (NOx_SENS) eines stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (3) angeordneten NOx-Sensors (5) erkannt wird, das eine abnehmende Emission von NH₃ aus dem NOx-Speicherkatalysator (3) anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des NOx-Sensorsignals (NOx_SENS) erfaßt wird, beim Auftreten dieses Maximums ein Zeitzähler gestartet wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes für den Zählerin­ halt die Regenerierungsphase abgebrochen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des NOx-Sensorsignals (NOx_SENS) erfaßt wird, ein Schwellenwert vorgegeben wird und die Regenerationsphase ab­ gebrochen wird, wenn nach Erreichen des Maximalwertes das NOx-Sensorsignal (NOx-SENS) unter diesen Schwellenwert fällt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des NOx-Sensorsignals (NOx_SENS) erfaßt wird und das Auftreten des Maximums selbst als Kriterium für das Been­ den der Regenerationsphase herangezogen wird.