DE19909061A1 - Reduktion der Kaltstartemissionen eines Verbrennungsmotors mit einem HC-Adsorber und einem Katalysator - Google Patents

Reduktion der Kaltstartemissionen eines Verbrennungsmotors mit einem HC-Adsorber und einem Katalysator

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasgemisches eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei ein HC-Adsorber (3) und ein Katalysator (2) in einem Abgasstrang hinter dem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Während der Kaltstartphase wird zur Verhinderung einer Verringerung der Effektivität des Katalysators (2) das Abgasgemisch hinter dem HC-Adsorber (3) auf einen vorgebbaren Sollwert eingeregelt. Auch wird eine Vorrichtung (1) geschaffen, mit der das Verfahren zur Regelung durchführbar ist, insbesondere mit einer Lambda-Sonde (4) zwischen HC-Adsorber (3) und Katalysator (2).

Description

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasgemisches eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei ein Speicher für Kohlenwasserstoffe, im folgenden HC-Adsorber, und mindestens ein Katalysator in einem Abgasstrang hinter dem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Reduktion von Kaltstartemissionen bei einem Verbrennungsmotor geschaffen. Die Vorrichtung weist einen Katalysator, einen HC-Adsorber, eine Meßvorrichtung zur Messung eines Abgasgemisches aus dem Verbrennungsmotor und einen Regelungskreis auf.
Zur Einhaltung der gesetzlichen Auflagen bezüglich der Kaltstartemissionen wird in einem Abgasstrang ein HC-Adsorber neben einem Katalysator vorgesehen. Eine derartige Anordnung geht beispielsweise aus der EP 0 485 179 B1 hervor. Der HC-Adsorber liegt entweder getrennt vom Katalysator im Abgasstrang vor. Auch kann der HC-Adsorber mit dem Katalysator als eine Vorrichtung verbunden sein. Der HC-Adsorber kann seinerseits zusätzlich auch eine katalytisch aktive Beschichtung (sogenannte "Integralbeschichtung") aufweisen. Zur Reduktion von Kaltstartemissionen ist es bekannt, beispielsweise den HC-Adsorber mit einem nachgeschalteten Heizkatalysator in den Abgasstrang einzubauen. Der Heizkatalysator, wie auch der HC-Adsorber, können wiederum miteinander in einer Vorrichtung verbunden sein, beispielsweise durch eine Integraladsorberbeschichtung. Während der ersten Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors adsorbiert nun der HC-Adsorber Kohlenwasserstoffe. Diese werden als Funktion von Temperatur und von der Kohlenwasserstoff Konzentration vom Adsorber später wieder desorbiert. Diese Desorption kann in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenwasserstoff-Konzentration über eine Leerlaufphase des Verbrennungsmotors hinausgehen. Wird der Verbrennungsmotor mit einer Regelstrategie Lambda = 1 betrieben, so ist es notwendig, Sauerstoff zur Umsetzung der zuvor adsorbierten Kohlenwasserstoffe und jetzt desorbierten Kohlenwasserstoffe zuzugeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die das Abgasverhalten während einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors bei Verwendung eines HC-Adsorbers verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruches 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Abgasgemisches eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei ein HC-Adsorber und ein Katalysator in einem Abgasstrang hinter dem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, sieht vor, daß während der Kaltstartphase zur Verhinderung einer Verringerung der Effektivität des Katalysators das Abgasgemisch hinter dem HC- Adsorber auf einen vorgebbaren Sollwert eingeregelt wird. Dadurch gelingt es, daß ein erhöhtes Angebot an Sauerstoff in der Kaltstartphase, insbesondere bei einer Beschleunigungsphase, vermieden wird. Ein derartiges Überangebot führt während des Kaltstartes zu hohen NOx-Rohemissionen und damit zu einer Verringerung der Katalysatoreffektivität. Dieses wird dadurch nun vermieden, daß eine notwendige, exakte Bemaßung der benötigten Luftmenge dadurch eingestellt wird, daß das Abgasgemisch hinter dem HC-Adsorber bekannt ist und ausgewertet wird.
Insbesondere während einer Beschleunigungsphase kann ein ungünstiges Abgasgemisch auftreten. Daher wird insbesondere dann das Abgasgemisch hinter dem HC-Adsorber entsprechend wirkungsvoll geregelt. Der Sollwert des Abgasgemisches hinter dem HC-Adsorber wird vorzugsweise während der Kaltstartphase auf einen Wert festgelegt. Dieser ändert sich während der Kaltstartphase nicht. Eine weitere Ausführung des Verfahrens sieht vor, daß der Sollwert in Abhängigkeit von einem Beschleunigungsverhalten des Verbrennungsmotors entsprechend eingestellt wird. Je nach benötigtem Drehmoment kann dadurch das Regelungsverhalten reguliert werden und damit die Abgasemissionen in der Kaltstartphase weiter verringert werden. Vorzugsweise wird das Abgasgemisch hinter dem HC-Adsorber auf etwa Lambda = 1 geregelt. Diese Gemischeinstellung ist zweckmäßig, da dann der hinter dem HC-Adsorber angeordnete Katalysator im günstigsten Lambda-Fenster gefahren wird. Dieses wird insbesondere dadurch erzielt, daß der Verbrennungsmotor entsprechend geregelt wird. Das bedeutet, zur Erzielung von etwa Lambda = 1 wird der Verbrennungsmotor in einen mageren Betriebsbereich geregelt. Dem Verbrennungsmotor wird dann mehr Luft zugeführt, als das stöchiometrische Verbrennungsverhältnis an und für sich vorsieht.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens sieht vor, daß zur Regelung der Kohlenwasserstoff-Gehalt des Abgasgemisches hinter dem HC-Adsorber aufgenommen wird. Dieses hat den Vorteil, daß einerseits die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe, die nicht adsorbiert wurden und durch den HC-Adsorber hindurchgeströmt sind, direkt meßbar sind. Andererseits desorbiert der HC- Adsorber Kohlenwasserstoffe entsprechend der Temperatur des HC-Adsorbers. Diese Werte können bei unmittelbarer Messung der Kohlenwasserstoff Konzentration hinter dem HC-Adsorber direkt gemessen und über die Regelung ausgewertet und über einer entsprechenden Zuführung einer geeigneten Luftmenge zum Verbrennungsmotor eingestellt werden.
Als Meßwertaufnehmer wird bevorzugt eine hinter dem HC-Adsorber angeordnete Lambda-Sonde eingesetzt, über die das Abgasgemisch geregelt wird. Eine Lambda-Sonde gehört zum Stand der Technik und ist daher ohne weitere Veränderung in das Verfahren zur Regelung des Abgasgemisches integrierbar. Auch können schon bestehende Anordnungen mit einer Lambda-Sonde entsprechend angepaßt in das Regelungsschema integriert werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß gemessen wird, ob der HC-Adsorber noch Kohlenwasserstoffe desorbiert. Dann wird etwa bis zum Ende einer Desorption von Kohlenwasserstoff aus dem HC-Adsorber das Abgasgemisch entsprechend geregelt. Ein etwaiges Ende einer Desorption bedeutet, daß entweder ein geeigneter Grenzwert vorgegeben wird, ab dem die Regelung wieder umgestellt wird. Es kann aber auch die Regelung so lange aktiv bleiben, bis die Meßwertaufnahme keinen Kohlenwasserstoff mehr feststellt. Dieses ist abhängig von technischem Aufwand, wie auch in Abhängigkeit von einer Erzielung der geringst möglichen Kaltstartemissionen auszuwählen.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß eine Regelung über eine erste Lambda-Sonde vor dem HC-Adsorber und über eine zweite Lambda-Sonde hinter dem HC-Adsorber erfolgt. Beide Lambda-Sonden geben ihre jeweils aufgenommenen Signale an eine entsprechende Regelung weiter. Durch zeitlichen Vergleich dieser Signale kann auf die gespeicherte HC-Menge in dem HC- Adsorber zurückgeschlossen werden. Aus einem Vergleich gegenüber einem betriebsparameterabhängig berechneten HC-Rohemissionswert kann nun die Effektivität des HC-Adsorbers berechnet werden. Dieses ermöglicht zum einen eine Betriebsüberprüfung des Verfahrens zur Regelung, gleichzeitig aber auch eine Überprüfung der verwendeten Vorrichtungen. Wird festgestellt, daß die Speichereffektivität des HC-Adsorbers über eine große Anzahl von Kaltstartphasen abnimmt, kann ab einem vorgegebenen Grenzwert ein Signal ausgelöst werden, das einen notwendigen Austausch des HC-Adsorbers anzeigt.
Eine Weiterentwicklung des Verfahrens sieht schließlich vor, daß nach Abschluß der Kaltstartphase, inbesondere nach Beendigung einer Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber, eine Regelung des Verbrennungsmotors nach dem Abgasgemisch erfolgt, welches vor dem HC- Adsorber gemessen wird. Dadurch gelingt es, das Verfahren zur Regelung während der Kaltstartphase in eine übliche Regelungsstrategie für den Betrieb des Verbrennungsmotors unter Betriebstemperaturen zu integrieren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduktion von Kaltstartemissionen bei einem Verbrennungsmotor, wobei die Vorrichtung einen Katalysator, einen HC- Adsorber, mindestens eine Meßvorrichtung zur Messung eines Abgasgemisches aus dem Verbrennungsmotor und einen Regelungskreis aufweist, sieht vor, daß der Regelungskreis eine erste Meßvorrichtung zwischen dem HC-Adsorber und dem Katalysator zur Messung des Abgasgemisches hat. Die Anordnung insbesondere einer Lambda-Sonde an dieser Stelle im System ermöglicht die genau Erfassung und damit Regelung der Abgaszusammensetzung direkt vor dem Katalysator.
Bevorzugt weist der Regelkreis eine Regelungsstrategie auf, während der Kaltstartphase einen Sauerstoffbedarf vor dem Katalysator über eine dem Verbrennungsmotor zuzuführende Luftmenge in Abhängigkeit von der Messung des Abgasgemisches hinter dem HC-Adsorber so zu regeln, daß eine Verringerung einer NOx-Katalysatoreffektivität des Katalysators vermieden wird. Als besonders vorteilhaft zur Vermeidung einer Verringerung einer NOx- Katalysatoreffektivität hat sich der Einsatz eines HC-Adsorbers herausgestellt, der nur eine vernachlässigbare Sauerstoffspeicherfähigkeit hat. Auch andere eventuell vor der Meßeinrichtung im Abgasstrang vorhandene Komponenten, z. B. ein Startkatalysator, sollten eine geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit haben. Unter Vernachlässigbarkeit ist dabei zu verstehen, daß entsprechend des Materials des HC-Adsorbers dieser überhaupt nicht die Fähigkeit zur Sauerstoffspeicherung besitzt oder aber, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung, dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit weitestgehend eingeschränkt ist. Eine möglichst geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit wird angestrebt, um zu verhindern, daß auf dem bzw. in dem HC-Adsorber selbst Umsetzungsreaktionen zwischen den unverbrannten Kohlenwasserstoffen und gespeichertem Sauerstoff sich vollziehen. Zum anderen kann der ansonsten gespeicherte Sauerstoff zu einer Verschlechterung der Katalysatoreffektivität führen.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung wird in den Regelkreis neben der ersten Meßvorrichtung hinter dem HC-Adsorber eine zweite Meßvorrichtung vor dem HC-Adsorber integriert. Die Regelstrategie des Regelkreises sieht einen zeitlichen Vergleich von Meßsignalen beider Meßvorrichtungen zur Ermittlung eines im HC-Adsorbers gespeicherten Sauerstoffs oder einer Sauerstoff­ speicherfähigkeit des HC-Adsorbers vor. Eine derartige Größe kann als Störgröße in den Regelkreis eingehen. Weiterhin sieht eine Weiterbildung der Vorrichtung vor, daß die Regelungsstrategie vorsieht, den Verbrennungsmotor über die zweite Meßvorrichtung, insbesondere eine Lambda-Sonde, bei Erreichen eines vorgebbaren Sollwertes zu regeln. Dieser vorgebbare Sollwert wird zweckmäßigerweise ein Meßwert in Bezug zu einer Desorption des HC- Adsorbers sein. Dadurch gelingt es, das Regelungsverhalten so rechtzeitig umzustellen, daß bei zumindest annäherndem Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors dieser wieder entsprechend einer bisher schon im Stand der Technik verwendeten Lambda = 1-Regelung gefahren wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Reduktion von Kaltstartemissionen, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Reduktion von Kaltstartemissionen bei einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor. Die Vorrichtung 1 weist einen Katalysator 2, einen HC-Adsorber 3, eine erste Meßvorrichtung 4 hinter dem HC- Adsorber 3 und eine zweite Meßvorrichtung 5 vor dem HC-Adsorber auf. Von der ersten Meßvorrichtung 4 und der zweiten Meßvorrichtung 5 können aufgenommene Meßsignale zu einer Regelungseinrichtung 6 geführt werden. Diese ist in der Lage, die entsprechenden Meßsignale in eine Regelstrategie umsetzen zu können. Von der Regelungseinrichtung 6 wiederum geht über eine Leitung 7 ein Signal an eine nicht näher dargestellte Gemischaufbereitung des Kraftstoffes für den Verbrennungsmotor. Darüber kann dann der mit der ersten Meßvorrichtung 4 aufgenommene Abgasgemischwert auf Lambda = 1 geregelt werden.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung
2
Katalysator
3
HC-Adsorber
4
erste Meßvorrichtung
5
zweite Meßvorrichtung
6
Regelungseinrichtung
7
Leitung

Claims (16)

1. Verfahren zur Regelung eines Abgasgemisches eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei hintereinander ein HC-Adsorber (3) und mindestens ein Katalysator (2) in einem Abgasstrang hinter dem Verbren­ nungsmotor eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kaltstartphase zur Verhinderung einer Verringerung der Effektivität des Katalysators (2) das Abgasgemisch hinter dem HC-Adsorber (3) auf einen vorgebbaren Sollwert eingeregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kaltstartphase ein festgelegter Sollwert vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Beschleunigungsphase in Abhängigkeit vom Beschleunigungsverhalten der Sollwert eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abgasgemisch auf etwa Lambda gleich 1 geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Luftzufuhr und Brennstoffzufuhr des Verbrennungsmotors so geregelt werden, daß etwa Lambda gleich 1 erreicht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Regelung der Kohlenwasserstoff-Gehalt des Abgasgemi­ sches hinter dem HC-Adsorber (3) aufgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über eine hinter dem HC-Adsorber (3) angeordnete erste Meßvorrichtung (4), insbesondere eine Lambda-Sonde, das Abgasgemisch geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gemessen wird, ob der HC-Adsorber (3) noch Kohlenwas­ serstoffe desorbiert und daß bis etwa zum Ende einer Desorption von Kohlenwasserstoff aus dem HC-Adsorber (3) das Abgasgemisch geregelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Regelung über eine zweite Meßvorrichtung (5), insbe­ sondere eine erste Lambda-Sonde vor dem HC-Adsorber (3) und über eine erste Meßvorrichtung (4), insbesondere eine zweite Lambda-Sonde, hinter dem HC-Adsorber (3) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Abschluß der Kaltstartphase, insbesondere nach Been­ digung einer Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (3), eine Regelung des Verbrennungsmotors nach dem Abgasgemisch er­ folgt, welches vor dem HC-Adsorber (3) gemessen wird.
11. Vorrichtung (1) zur Reduktion von Kaltstartemissionen bei einem Ver­ brennungsmotor, wobei die Vorrichtung (1) einen Katalysator (2), einen HC-Adsorber (3), mindestens eine Meßvorrichtung (4, 5) zur Messung ei­ nes Abgasgemisches aus dem Verbrennungsmotor und eine Regelungsein­ richtung (6) zur Regelung der Abgaszusammensetzung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (4), insbesondere eine Lambda- Sonde, zwischen dem HC-Adsorber (3) und dem Katalysator (2) angeord­ net ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rege­ lungseinrichtung (6) eine Regelungsstrategie beinhaltet, während der Kalt­ startphase einen Sauerstoffbedarf vor dem Katalysator (2) über eine dem Verbrennungsmotor oder dem Abgasstrang zuzuführende Luftmenge in Abhängigkeit von der Messung des Abgasgemisches hinter dem HC- Adsorber (3) so zu regeln, daß eine Verringerung der Effektivität des Ka­ talysators (2) vermieden wird.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der HC-Adsorber (3) und ggf. andere vor der ersten Meßvorrichtung (4) angeordnete Komponenten im Abgasstrang nur eine vernachlässigbare Sauerstoffspeicherfähigkeit haben.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Regelkreis neben der ersten Meßvorrichtung (4) hinter dem HC-Adsorber (3) eine zweite Meßvorrichtung (5) vor dem HC-Adsorber (3) integriert ist und die Regelstrategie einen zeitlichen Vergleich von Meßsignalen beider Meßvorrichtungen (4, 5) zur Ermittlung einer im HC- Adsorber (3) gespeicherten HC-Menge oder einer HC-Speicherfähigkeit des HC-Adsorbers (3) vorsieht.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelungsstrategie vorsieht, den Verbrennungsmotor über die zweite Meßvorrichtung (5), insbesondere eine Lambda-Sonde, bei Erreichen eines vorgebbaren Sollwertes zu regeln.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ gelungsstrategie als vorgebbaren Sollwert einen Meßwert in Bezug zu ei­ ner Desorption des HC-Adsorbers (3) vorsieht.
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