DE19910503C1 - Verfahren und Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers mit Fett/Mager-Motorzylinderaufteilung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers mit Fett/Mager-MotorzylinderaufteilungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers einer Abgasreinigungsanlage eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors, bei welchem dem Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speicher ein reduktionsmittel- und sauerstoffhaltiges Motorabgas durch Einstellen eines fetten Luftverhältnisses für einen ersten Teil der Motorzylinder und eines demgegenüber magereren Luftverhältnisses für die übrigen Zylinder zugeführt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Abstand zwischen dem Luftverhältnis für den ersten und demjenigen für den zweiten Teil der Motorzylinder in einer anfänglichen Speicheraufheizphase größer eingestellt als im anschließenden Desulfatisierungsbetrieb, und/oder es werden Regelabweichungen des Gesamtluftverhältnisses von einem vorgebbaren Sollwert durch Änderung des Luftverhältnisses entweder nur des ersten Teils oder nur des zweiten Teils der Motorzylinder ausregelt. DOLLAR A Verwendung z. B. in Kraftfahrzeugen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur periodischen
Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers
einer Abgasreinigungsanlage eines mehrzylindrischen Verbren
nungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens (vergl.
Ansprüche 5 und 6).
Abgasreinigungsanlagen mit einem Stickoxid(NOx)-Speicher, wie ei
nem NOx-Adsorberkatalysator, und optional einem diesem vorge
schalteten Schwefeloxid(SOx)-Speicher, wie einer sogenannten SOx-
Falle, auch SOx-Trap genannt, werden insbesondere in Kraftfahr
zeugen eingesetzt, um den Stickoxidausstoß des Kraftfahrzeug-
Verbrennungsmotors zu minimieren. Dazu wird bekanntermaßen in
Motorbetriebsphasen mit vermehrter Stickoxidbildung, wie im Ma
gerbetrieb, Stickoxid im NOx-Speicher zwischengespeichert, z. B.
durch einen Adsorptionsvorgang, um in einer hierfür geeigneten
späteren Betriebsphase, wie im Fettbetrieb, wieder freigesetzt
und umgewandelt werden zu können, z. B. mittels eines entspre
chenden Desorptionsvorgangs und anschließender Reduktion zu
Stickstoff. Unter Mager- bzw. Fettbetrieb ist hierbei wie üblich
ein Motorbetrieb mit magerem bzw. fettem Motorluftverhältnis,
d. h. oberhalb bzw. unterhalb des stöchiometrischen Wertes lie
gendem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des im Motor verbrannten
Luft/Kraftstoff-Gemischs zu verstehen.
Eine bekannte Schwierigkeit solcher Anlagen besteht darin, daß
besonders im Magerbetrieb des Motors aufgrund von Schwefel, der
in üblichen Kraftstoffen und Motorölen enthalten ist, Schwefel
dioxid im Abgas vorhanden ist, das durch Sulfatbildung zu einer
Schwefelvergiftung des NOx-Speichers führen kann, welche die NOx-
Speicherkapazität desselben verringert. Es ist daher bekannt,
den NOx-Speicher immer dann, wenn ein merkliches Nachlassen sei
ner NOx-Speicherkapazität festgestellt wird, einem Desulfatisie
rungsvorgang zu unterziehen, um ihn von angelagertem Sulfat zu
befreien. Alternativ wird dem NOx-Speicher eine SOx-Falle vorge
schaltet, die dann in analoger Weise einer periodischen Desulfa
tisierung unterzogen wird.
Zur Erzielung einer effektiven Desulfatisierung des Stickoxid-
bzw. Schwefeloxid-Speichers ist es bekannt, erhöhte Abgastempe
raturen von z. B. über 600°C und ein fettes, d. h. unterhalb des
stöchiometrischen Wertes liegendes Speicherluftverhältnis einzu
stellen, wobei unter dem Begriff Speicherluftverhältnis das Ver
hältnis von Sauerstoff bzw. Luft zu Kraftstoff bzw. unverbrann
ten Kohlenwasserstoffen im Abgas, das dem Speicher zugeführt
wird, zu verstehen ist. Die Einstellung solcher Bedingungen ist
z. B. in der Veröffentlichung W. Strehlau et al., New Develop
ments in Lean NOx Catalysis for Gasoline Fueled Passenger Cars in
Europe, SAE 96 2047, 1996 angegeben.
In der Offenlegungsschrift EP 0 636 770 A1 wird zur Desulfati
sierung eines NOx-Adsorberkatalysators vorgeschlagen, den Ver
brennungsmotor von magerem auf fettes Motorluftverhältnis umzu
stellen und bei Bedarf zusätzlich eine dem NOx-Adsorber zugeord
nete, elektrische Heizeinrichtung zu aktivieren. Die Desulfati
sierungsphase wird jeweils für eine bestimmte Zeitdauer von etwa
10 Minuten beibehalten.
Als weitere Methode ist zusätzlich zur Einstellung eines fetten
Motorluftverhältnisses die Bereitstellung von Sauerstoff im zu
desulfatisierenden Speicher durch Sekundärluftzuführung vorge
schlagen worden, siehe die ältere, nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung 198 02 631.5 (zwischenzeitlich als Pa
tentschrift DE 198 02 631 C1 nachveröffentlicht) und die Patent
schrift DE 197 47 222 C1.
Die Offenlegungsschrift DE 195 22 165 A1 offenbart neben anders
artigen Vorgehensweisen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen
der eingangs genannten Art, bei denen zur Desulfatisierung eines
NOx-Adsorberkatalysators wenigstens ein Teil der Motorzylinder
fett und die übrigen Motorzylinder demgegenüber magerer, vor
zugsweise mit magerem Motorluftverhältnis, betrieben werden. So
weit möglich erfolgt dies dadurch, daß für die mager betriebenen
Zylinder die Kraftstoffmenge bei konstant bleibender Luftmenge
verringert wird, während für die fett betriebenen Zylinder die
Luftmenge bei konstant gehaltener Kraftstoffmenge reduziert
wird. Dabei wird das Luftverhältnis für die mager betriebenen
Zylinder um einen motorbetriebspunktabhängig vorgebbaren Korrek
turbetrag größer als ein gewünschtes, vorgebbares Gesamtluftver
hältnis und das Luftverhältnis für die fett betriebenen Zylinder
um denselben Korrekturbetrag niedriger als das gewünschte Ge
samtluftverhältnis eingestellt. Als begleitende Maßnahme wird
der Zündzeitpunkt für die mager betriebenen Zylinder in Richtung
früh und für die fett betriebenen Zylinder in Richtung spät ver
stellt. Anschließend erfolgt eine Ansaugluftmengenkorrektur der
art, daß ein gewünschtes Motordrehmoment aufrechterhalten wird.
In einer ersten Verfahrensvariante wird ein stöchiometrisches
oder leicht fettes Gesamtluftverhältnis über die gesamte Desul
fatisierungsperiode hinweg eingestellt. In einer zweiten Verfah
rensvariante wird während einer anfänglichen Speicheraufheizpha
se ein stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis und während eines
anschließenden Desulfatisierungsbetriebs nach Erreichen einer
vorgebbaren Desulfatisierungstemperatur ein fettes Gesamtluft
verhältnis eingestellt. In beiden Fällen wird der für die Oxida
tion von Reduktionsmitteln zwecks Wärmeerzeugung notwendige Sau
erstoff im Abgas durch die mager betriebenen Zylinder geliefert,
so daß eine Sekundärluftzuführung entfällt.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
zugrunde, mit denen sich ein Stickoxid- oder Schwefeloxid-
Speicher periodisch in effektiver Weise desulfatisieren läßt.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines
Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 und einer
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 oder 6.
Beim Verfahren nach Anspruch 1 ist speziell vorgesehen, die
Fett/Mager-Spreizung, d. h. den Abstand zwischen dem fetten Luft
verhältnis für den einen Teil der Zylinder und dem demgegenüber
magereren Luftverhältnis für den anderen Teil der Zylinder wäh
rend der Desulfatisierungsperiode temperaturabhängig variabel zu
wählen, wobei dieser Abstand in einer anfänglichen Speicherauf
heizphase größer eingestellt wird als im anschließenden Desulfa
tisierungsbetrieb nach Erreichen einer vorgebbaren Desulfatisie
rungstemperatur. Dabei kann die Änderung der Fett/Mager-Sprei
zung sprunghaft in zwei oder mehr Stufen oder alternativ in Form
einer mit wachsender Speichertemperatur stetig ansteigenden
Funktion verändert werden. Die anfänglich größere Fett/Mager-
Spreizung begünstigt die Erzielung hoher Gehalte an Sauerstoff
und Reduktionsmitteln im Abgas und dadurch eine schnelle Spei
cheraufheizung, während das Verringern des Luftverhältnis-
Spreizabstandes mit höher werdender Speichertemperatur eine
Speicherüberhitzung vermeidet, wobei gleichzeitig über die ge
samte Desulfatisierungsperiode hinweg eine effiziente Kraft
stoffnutzung und auf Wunsch eine weitestgehende Drehmomentkon
stanthaltung erzielbar sind.
Beim Verfahren nach Anspruch 2 ist speziell vorgesehen, während
der Desulfatisierungsperiode das Gesamtluftverhältnis, das sich
aus der Kombination der fett und der demgegenüber magerer be
triebenen Zylinder ergibt, dadurch auf einen gewünschten Soll
wert zu regeln, daß entweder nur das Luftverhältnis der fett be
triebenen Zylinder oder nur das Luftverhältnis der demgegenüber
magerer betriebenen Zylinder variabel eingestellt und das je
weils andere Luftverhältnis konstant gehalten wird. Dies bewirkt
eine Luftverhältnisregelung, die im Vergleich zu Vorgehenswei
sen, bei denen während der Desulfatisierung das Luftverhältnis
für jeden Zylinder variabel eingestellt wird, wesentlich einfa
cher ist. Dabei kann der Sollwert des Gesamtluftverhältnisses
über die Desulfatisierungsperiode hinweg konstant gehalten oder
veränderlich vorgegeben werden. Beispielsweise kann er mit stei
gender Speichertemperatur gestuft oder kontinuierlich in Rich
tung fett verändert werden. So kann vorgesehen sein, den Gesamt
luftverhältnis-Sollwert während einer anfänglichen Speicherauf
heizphase auf etwa den stöchiometrischen Wert und für einen an
schließenden Desulfatisierungsbetrieb nach Erreichen einer vor
gebbaren Desulfatisierungstemperatur auf einen Wert im fetten
Bereich zu setzen. Bei Wahl eines etwa stöchiometrischen Soll
wertes wird in der Speicheraufheizphase ein optimaler Wirkungs
grad eines mit dem Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speicher inte
grierten oder diesem nachgeschalteten Dreiwege-Katalysators und
damit eine optimale Abgasreinigung sichergestellt.
Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren werden wäh
rend der Desulfatisierung unterschiedliche Luftmengen, d. h. Zy
linderfüllungen, für den fett betriebenen Teil der Zylinder ei
nerseits und den mager betriebenen Teil der Zylinder anderer
seits verwendet. Dies kann beispielsweise über separate Drossel
klappen oder eine individuelle Einlaßventilsteuerung für den
fett bzw. den mager betriebenen Teil der Zylinder bewirkt wer
den. Im Vergleich zur Verwendung gleicher Luftmengen reicht in
diesem Fall ein geringerer Unterschied in der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge aus, um einen gewünschten Differenzbetrag zwi
schen den Luftverhältnissen für den fett bzw. den mager betrie
benen Teil der Zylinder zu erzielen. Speziell werden im Ver
gleich zum stöchiometrischen Betrieb aller Zylinder, gleicher
Motorbetriebspunkt jeweils vorausgesetzt, für den fett betriebe
nen Teil der Zylinder eine höchstens etwa gleich große Luftmenge
und eine höhere Kraftstoffmenge sowie für den mager betriebenen
Teil der Zylinder eine höchstens etwa gleich große Kraftstoff
menge und eine höhere Luftmenge gewählt. Dabei läßt sich das vom
Motor abgegebene Drehmoment über den Zylinderfüllungsgrad re
geln, so daß stets ein für das jeweilige Luftverhältnis optima
ler Zündzeitpunkt gewählt werden kann.
Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren werden
gleiche Luftmengen für die fett und die mager betriebenen Zylin
der verwendet, so daß eine gemeinsame Luftmengensteuerung für
alle Zylinder ausreicht. Die Luftmenge wird dabei höher gewählt
als im normalen stöchiometrischen Betrieb bei gleichem Motorbe
triebspunkt, während für die mager betriebenen Zylinder eine
höchstens etwa dem stöchiometrischen Betrieb entsprechende
Kraftstoffmenge und für die fett betriebenen Zylinder eine dem
gegenüber höhere Kraftstoffmenge in Verbindung mit einer Zünd
zeitpunkt-Spätverstellung gewählt wird. Durch die Zündzeitpunkt-
Spätverstellung wird eine übermäßige Drehmomenterzeugung durch
die fett betriebenen Zylinder vermieden und zudem die Abgastem
peratur gesteigert, was ein schnelles Aufheizen des Stickoxid-
bzw. Schwefeloxid-Speichers auf die gewünschte Desulfatisie
rungstemperatur unterstützt.
Zur Verfahrensdurchführung eignen sich z. B. die Vorrichtungen
nach Anspruch 5 bzw. 6.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich
nungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Hier
bei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer Ver
brennungsmotoranlage mit NOx-Adsorberkatalysator und
zylinderindividueller Luftmengensteuerung und
Fig. 2 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer Ver
brennungsmotoranlage mit einem NOx-Adsorberkatalysator,
diesem vorgeschalteter SOx-Falle und einheitlicher
Luftmengensteuerung.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verbrennungsmotoranla
gen können z. B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden und bein
halten beispielhaft jeweils einen Vierzylinder-Verbrennungsmotor
6a, 6b mit zugeordneter Abgasreinigungsanlage. Die Abgasreini
gungsanlage beinhaltet neben eventuellen weiteren, hier nicht
weiter interessierenden und daher nicht gezeigten Komponenten
einen NOx-Adsorberkatalysator 5 als Stickoxid-Speicher, um in Ma
gerbetriebsphasen des Verbrennungsmotors vermehrt im Motorabgas
enthaltene Stickoxide während Adsorptionsphasen zu speichern und
sie in periodisch durchgeführten Desorptionsphasen wieder zu de
sorbieren und in Stickstoff umzusetzen, z. B. durch Einstellen
einer reduzierenden Atmosphäre oder durch Abgasrückführung.
Gleichzeitig tritt jedoch gerade auch im Magerbetrieb aufgrund
von Schwefel im Kraftstoff oder Motoröl eine Sulfatbildung im
NOx-Adsorber 5 durch im Abgas enthaltenes Schwefeldioxid (SO2)
auf. Die gebildeten Sulfate belegen das Adsorberkatalysatormate
rial und verringern so dessen NOx-Speicherfähigkeit. Nach typi
scherweise 50 bis 100 Adsorptions/Desorptions-Zyklen läßt die
NOx-Speicherfähigkeit so weit nach, daß eine Regeneration in Form
einer dann jeweils durchgeführten Desulfatisierungsperiode
zweckmäßig ist.
Die Verringerung der NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Adsorbers 5
kann z. B. mit einem stromabwärts desselben angeordneten NOx-Sen
sor dadurch festgestellt werden, daß dann die von ihm gemessene
NOx-Konzentration während der Adsorptionsphase sehr rasch an
steigt. Alternativ kann die NOx-Speicherfähigkeit auch über eine
Analyse der Regenerationsdauer, d. h. der zur jeweiligen Desorp
tion benötigten Zeitdauer, erfolgen, die sich z. B. mit einer
stromabwärts des NOx-Adsorbers 5 angeordneten Lambda-Sonde be
stimmen läßt. Bei konstantem Motorbetriebspunkt ist diese Rege
nerationsdauer proportional zur gespeicherten NOx-Masse, so daß
letztere anhand der ermittelten Regenerationsdauer bestimmt wer
den kann. Parallel dazu läßt sich die in der Magerbetriebsphase
des Motors, d. h. der Adsorptionsphase des NOx-Adsorbers 5, zwi
schengespeicherte NOx-Masse z. B. mit einem zugehörigen Adsorber
katalysatormodell berechnen, woraus betriebspunktabhängig die
theoretisch notwendige Regenerationsdauer bestimmt werden kann.
Wenn die so bestimmte Regenerationsdauer merklich von der gemes
senen abweicht, kann auf eine verminderte NOx-Speicherfähigkeit
geschlossen werden.
Eine weitere Möglichkeit, den NOx-Adsorberkatalysator 5 vor star
ker Schwefelvergiftung zu schützen, besteht im Vorschalten einer
sogenannten SOx-Falle, auch SOx-Trap genannt, als ein Schwefel
oxid-Speicher. Eine solche SOx-Falle 7 ist beispielhaft bei der
Verbrennungsmotoranlage von Fig. 2 vorgesehen. Die SOx-Falle 7
bindet das im Motorabgas enthaltene SOx in Form von adsorbierten
Sulfaten. Naturgemäß ist die SOx-Speicherfähigkeit der SOx-Falle
7 begrenzt, so daß sie im Dauerbetrieb der Verbrennungsmotoran
lage periodisch desulfatisiert werden muß, um ihre SOx-Speicher
fähigkeit zu reaktivieren.
Die periodische Desulfatisierung sowohl des NOx-Adsorbers 5 ohne
vorgeschaltete SOx-Falle, wie in Fig. 1, als auch der SOx-Falle 7
von Fig. 2 kann unter den gleichen Betriebsbedingungen durchge
führt und daher vorliegend gemeinsam behandelt werden. Geeignete
Desulfatisierungsbedingungen sind dabei bekanntermaßen eine ge
genüber dem Normalbetrieb, insbesondere im Teillastbetrieb, er
höhte Temperatur des dem NOx-Adsorber 5 bzw. der SOx-Falle 7 zu
geführten Motorabgases von typischerweise zwischen 550°C und
700°c sowie eine fette Abgaszusammensetzung, d. h. ein unter
stöchiometrisches Speicherluftverhältnis kleiner als eins. Mit
Speicherluftverhältnis ist dabei das Verhältnis von oxidierend
wirkendem Sauerstoff zu reduzierend wirkenden Reduktionsmitteln
im dem NOx-Adsorber 5 bzw. der SOx-Falle 7 zugeführten Abgas zu
verstehen. Analog bezeichnet der Begriff Motorluftverhältnis das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis des im jeweiligen Zylinder des Motors
verbrannten Luft/Kraftstoff-Gemischs.
Die Abnahme der SO2-Speicherfähigkeit der SOx-Falle 7 kann z. B.
anhand eines geeigneten Modells berechnet werden, indem der SO2-
Gehalt des Abgases geschätzt und die je Zeiteinheit eingespei
cherte SO2-Menge betriebszustandsabhängig berechnet wird. Unter
Vorgabe eines maximal zulässigen SO2-Beladungszustands der SOx-
Falle 7 kann dann jeweils der Zeitpunkt zur Aktivierung einer
Desulfatisierungsperiode für die SOx-Falle 7 bestimmt werden.
Charakeristischerweise werden vorliegend die Desulfatisierungs
bedingungen allein durch motorische Maßnahmen hergestellt, ins
besondere wird auch der Sauerstoff, der zur Oxidation von Reduk
tionsmitteln im zu desulfatisierenden NOx- bzw. SOx-Speicher 5, 7
zwecks Erreichung und Aufrechterhaltung der benötigten, erhöhten
Desulfatisierungstemperatur benötigt wird, vom Motor 6a, 6b
selbst bereitgestellt, ohne z. B. eine Sekundärlufteinblasung zu
benötigen. Dazu wird ein erster Teil des mehrzylindrischen Ver
brennungsmotors 6a, 6b fett betrieben, um die benötigten Reduk
tionsmittel, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, CO
und H2, im Abgas bereitzustellen, während die übrigen Motorzylin
der so ausreichend mager betrieben werden, daß deren Abgas den
gesamten benötigten Sauerstoff enthält.
Die Oxidationsreaktion kann teilweise bereits in der Gasphase
beim Zusammenführen des sauerstoffhaltigen mit dem reduktions
mittelhaltigen Abgasstrom stattfinden, sie wird jedoch durch das
im NOx-Adsorber 5 bzw. der SOx-Falle 7 meist vorhandene Edelme
tall-Katalysatormaterial sehr stark beschleunigt, wobei an letz
terem zudem ein praktisch vollständiger Umsatz der Oxidations-
und Reduktionsmittel erreicht werden kann. Um eine möglichst
große Wärmefreisetzung direkt am zum desulfatisierenden Stick
oxid- bzw. Schwefeloxid-Speicher 5, 7 zu erreichen, ist es
zweckmäßig, den mageren und den fetten Abgasstrom solange wie
möglich voneinander getrennt zu halten. In den schematisch ge
zeigten Beispielen eines Vierzylinder-Motors läßt sich dies
durch einen stromaufwärts des NOx-Adsorbers 5 bzw. der SOx-Falle
7 zweiflutig ausgelegten Abgastrakt erreichen, wobei im Fall der
üblichen Zündfolge 1-3-4-2 der in den Figuren nummerierten vier
Zylinder 1 bis 4 die Zylinder 1 und 4 bzw. die Zylinder 2 und 3
paarweise das eine Zylinderpaar fett und das andere Zylinderpaar
demgegenüber magerer betrieben werden.
Dieses Konzept der Aufteilung aller Motorzylinder in einen er
sten Teil von während einer jeweiligen Desulfatisierungsperiode
fett und einen zweiten Teil von währenddessen magerer betriebe
nen Zylindern ist in gleicher Weise für Mehrzylinder-Motoren mit
von vier verschiedener Zylinderzahl anwendbar. Bei Motoren der
V-Bauart bietet sich eine bankweise Aufteilung der Zylinder an,
d. h. während der Desulfatisierung wird die eine Zylinderbank
fett und die andere mager betrieben. Die für die Sulfatzerset
zung notwendigen hohen Desulfatisierungstemperaturen werden so
mit weitestgehend im zu desulfatisierenden Speicher 5, 7 durch
die Oxidation von Reduktionsmitteln erzeugt. Eine Temperatur
steigerung gegenüber der vorangegangenen Motorbetriebsphase ist
z. B. bei der Kraftfahrzeuganwendung insbesondere bei im Teil
lastbetrieb bewegtem Fahrzeug nötig. Bei Bedarf können zusätzli
che Speicheraufheizmittel vorgesehen sein, z. B. in Form einer
elektrischen Heizeinrichtung für den zu desulfatisierenden Spei
cher 5, 7.
Anhand der in den beiden Figuren gezeigten Verbrennungsmotoran
lagen werden nachfolgend zwei spezielle Verfahrensweisen zur
Desulfatisierung beschrieben, die auf der oben erläuterten
Grundidee basieren, die Motorzylinder 1 bis 4 zum einen Teil
fett und zum anderen Teil mager zu betreiben und dadurch im Ge
samtabgas gleichzeitig Reduktionsmittel und Sauerstoff in aus
reichendem Maß bereitzustellen, wobei die Reduktionsmittel und
der Sauerstoff auf der Oberfläche des Katalysatormaterials des
NOx-Adsorbers 5 bzw. der SOx-Falle 7 reagieren und dieses aufhei
zen. Für den durch die Reduktionsmittel- und Sauerstoffmenge be
stimmten Energieeintrag kann die freigesetzte Wärmemenge direkt
beeinflußt und die zur Desulfatisierung optimale Temperatur zwi
schen 550°C und 700°C im Speicher 5, 7 eingestellt werden. Zu
sätzlich kann durch geeignete Variation der Reduktionsmittel-
und Sauerstoffmengen das zur Desulfatisierung optimale Luftver
hältnis im Bereich zwischen λ = 0,75 und λ = 0,99 der im Speicher 5, 7
vorliegenden Abgaszusammensetzung über das Motormanagement
eingestellt werden. Diese Bedingungen können durch die nachfol
gend beschriebenen beiden Verfahrensvarianten mittels spezieller
Motorsteuerungsmaßnahmen besonders vorteilhaft unter weitestge
hender Konstanthaltung des vom Motor abgegebenen Drehmoments
realisiert werden. Beispielhaft sei hierzu ohne Beschränkung der
Allgemeinheit jeweils eine Aufteilung der vier gezeigten Zylin
der 1 bis 4 in ein erstes, mit einem fetten, unterstöchiometri
schen Luftverhältnis λ < 1 betriebenes Paar 2/3 von Zylindern 2 und
3 und ein zweites, mit einem mageren, überstöchiometrischen
Luftverhältnis λ < 1 betriebenes Paar 1/4 von Zylindern 1 und 4 ge
wählt.
Gemeinsam ist beiden Verfahrensvarianten, daß während einer an
fänglichen Speicheraufheizphase der jeweiligen Desulfatisie
rungsperiode zur möglichst schnellen Aufheizung des zu desulfa
tisierenden Speichers 5, 7 das Zylinderpaar 1/4 mit großem Luft
überschuß und das Zylinderpaar 2/3 mit starkem Luftmangel be
trieben werden, d. h. es wird ein relativ großer Abstand zwischen
dem Luftverhältnis der fett betriebenen Zylinder 2/3 und demje
nigen der magerer betriebenen Zylinder 1/4 gewählt. Dabei wird
insgesamt in der Speicheraufheizphase ein stöchiometrischer
Sollwert des Gesamtluftverhältnises eingehalten, um einen opti
malen Wirkungsgrad für eine Dreiwege-Katalysatorfunktionalität
zu gewährleisten, die im NOx-Adsorberkatalysator integriert oder
in einem separaten, nicht gezeigten Dreiwege-Katalysator imple
mentiert sein kann. Dies gewährleistet auch während der Spei
cheraufheizphase eine optimale Abgasreinigung.
Mittels eines stromabwärts des zu desulfatisierenden Speichers
5, 7 angeordneten Temperaturfühlers 8 bzw. 11a wird das Errei
chen der optimalen Desulfatisierungstemperatur ermittelt, was
alternativ unter Verzicht auf diesen Temperaturfühler durch eine
Modellrechnung erfolgen kann. Die Modellberechnung kann hierbei
durch Bestimmung der in den zu desulfatisierenden Speicher 5, 7
eingetragenen Wärmemenge erfolgen, die ihrerseits anhand der im
Motor 6a, 6b durchgesetzten Abgasmasse und der mit Hilfe eines
vor dem zu desulfatisierenden Speicher 5, 7 angeordneten Tempe
raturfühlers 11 gemessenen Abgastemperatur vorgenommen wird.
Im anschließenden Desulfatisierungsbetrieb wird dann das Zylin
derpaar 1/4 nur noch mit geringem Luftüberschuß und das Zylin
derpaar 2/3 mit geringem Luftmangel gegenüber einem für die
Desulfatisierung angestrebten fetten Gesamtluftverhältnis zwi
schen λ = 0,75 und λ = 0,99 betrieben, so daß die Temperatur im zu
desulfatisierenden Speicher 5, 7 auf dem zur Desulfatisierung
erforderlichen hohen Niveau bleibt, aber nicht weiter ansteigt
und dadurch eine thermische Schädigung des NOx-Speichers 5 bzw.
der SOx-Falle 7 vermieden wird. Dies bedeutet, daß die Fett/-
Mager-Spreizung, d. h. der Abstand zwischen dem Luftverhältnis
der fett betriebenen zu demjenigen der magerer betriebenen Zy
linder, gegenüber der Aufheizphase verringert wird. Dazu wird
beim Übergang von der Aufheizphase zum eigentlichen Desulfati
sierungsbetrieb das Luftverhältnis der magerer betriebenen Zy
linder in Richtung fett verschoben, z. B. auf einen Wert knapp
über λ = 1, während das Luftverhältnis für die fett betriebenen Zy
linder weniger stark in Richtung fett verschoben oder konstant
gehalten oder sogar etwas in Richtung mager verschoben wird. Je
nach Anwendungsfall kann diese Fett/Mager-Spreizung gemäß einer
beliebig vorgebbaren, gestuften oder stetigen Funktion mit stei
gender Speichertemperatur verringert werden, um dementsprechend
weniger Reduktionsmittel mit Sauerstoff unter Wärmeerzeugung um
zusetzen. Dies ermöglicht einerseits eine rasche Speicheraufhei
zung und vermeidet andererseits eine Speicherüberhitzung, wobei
während der eigentlichen Desulfatisierung eine ausreichende Re
duktionsmittelmenge bereitgestellt wird.
Die Einstellung des im zu desulfatisierenden Speicher 5, 7 vor
liegenden Gesamtluftverhältnisses erfolgt in Form einer Regelung
auf einen Sollwert, der gegenüber der Aufheizphase in Richtung
fett verschoben wird und zwischen λ = 0,75 und λ = 0,99 liegt. Die
Regelungsrückkopplung erfolgt über eine Lambda-Sonde 10, die
stromaufwärts des zu desulfatisierenden Speichers 5, 7 in einem
einflutigen Abgasstrangabschnitt liegt, in welchem die Ab
gasströme aller vier Zylinder 1 bis 4 zusammengeführt sind.
Die Desulfatisierung wird dann für eine bestimmte Mindestdauer
fortgesetzt, die z. B. in Vorversuchen ermittelt werden kann und
jeweils von den konkreten Momentanwerten der Desulfatisierungs
parameter abhängig ist, insbesondere von der über den zugehöri
gen Temperaturfühler 11 erfaßten Speichertemperatur, vom durch
die Lambda-Sonde 10 erfaßten, eingestellten Speicherluftverhält
nis und vom Abgasmassenstrom. Nach erfolgter Desulfatisierung
kann z. B. die Güte derselben für den desulfatisierten NOx-Ad
sorber 5 dadurch bewertet werden, daß dessen NOx-Speicherkapa
zität anschließend durch Vergleich der gemessenen NOx-Desorp
tionsdauer mit der theoretisch berechneten Desorptionsdauer ge
testet wird.
Um die Desulfatisierung mit geringstmöglicher Störung des norma
len Motorbetriebs ablaufen zu lassen, besteht ein Ziel der bei
den speziellen Verfahrensvarianten darin, keine abrupten Ände
rungen des Gesamtdrehmomentes des Motors 6a, 6b während der De
sulfatisierungsperioden zu verursachen, sondern die unterschied
lichen Gemischheizwerte der mageren bzw. fetten Luftverhältnisse
so auszugleichen, daß vorzugsweise an allen Zylindern 1 bis 4
weitestgehend gleiche Drehmomente abgegeben werden.
Bei einer ersten Verfahrensvariante, wie sie speziell bei der
Verbrennungsmotoranlage von Fig. 1 möglich ist, geschieht dies
durch zylinderindividuelle Luftmengeneinstellung. Dazu ist jedem
Zylinder 1 bis 4 ein eigener Ansaugtrakt mit separater Drossel
klappe 12a bis 12d zugeordnet. Die Drosselklappen 12a bis 12d
werden einzeln von einer Motorsteuerung 13 angesteuert, welche
den Betrieb des Verbrennungsmotors 6a und der zugehörigen Abgas
reinigungsanlage steuert und der hierzu die Ausgangssignale der
genannten Temperatur- und Lambdasensoren 8, 10, 11 zugeführt
sind. Zusätzlich regelt die Motorsteuerung 13 für jeden Zylinder
1 bis 4 individuell den Zündzeitpunkt über eine zugehörige Zünd
steuerleitung 14.
Während der Desulfatisierung werden nun in diesem Verfahrensbei
spiel die Drosselklappen 12a, 12d des mager betriebenen Zylin
derpaars 1/4 weiter geöffnet als die Drosselklappen 12b, 12c des
fett betriebenen Zylinderpaars 2/3, wodurch entsprechend unter
schiedliche Luftmengen, d. h. Zylinderfüllungen, für die beiden
Zylinderpaare 1/4, 2/3 realisiert werden. Da in diesem Fall das
von jedem Zylinder 1 bis 4 abgegebene Drehmoment über den Zylin
derfüllungsgrad geregelt wird, läßt sich ein für das jeweilige
Luftverhältnis optimaler Zündzeitpunkt für jeden Zylinder 1 bis
4 wählen, was einen vergleichsweise geringen Kraftstoffverbrauch
und eine gute Laufruhe des Motors 6a gewährleistet.
Alternativ zum gezeigten Beispiel je einer Drosselklappe 12a bis
12d pro Zylinder 1 bis 4 reicht es aus, für jedes der mit unter
schiedlichen Luftverhältnissen betriebenen Zylinderpaare 1/4
bzw. 2/3 je eine Drosselklappe vorzusehen, so daß bei einem
Vierzylinder-Motor nur zwei Drosselklappen benötigt werden. Als
weitere Alternative kann die unterschiedliche Zylinderfüllung
für den fett betriebenen Teil der Motorzylinder einerseits und
den mager betriebenen, restlichen Teil der Motorzylinder auch
durch eine zylinderindividuelle, variable Einlaßventilsteuerung
ohne die Notwendigkeit einer oder mehrerer Drosselklappen reali
siert werden, wozu geeignet unterschiedliche Ventilsteuerzeiten
für die mager bzw. fett betriebenen Zylinder gewählt werden.
Um ein typisches Zahlenbeispiel zu nennen, kann bei dieser er
sten Verfahrensvariante während einer Aufheizphase mit etwa
stöchiometrischem Gesamtluftverhältnis für den mager betriebenen
Teil der Zylinder ein Luftverhältnis von λ = 1,33 und für die fett
betriebenen Zylinder ein solches von λ = 0,75 gewählt werden. Im
Vergleich zum stöchiometrischen Betrieb am selben Motorbetriebs
punkt kann die Luftmenge für die fett betriebenen Zylinder un
verändert bleiben, während sie für die mager betriebenen Zylin
der um ca. 25% erhöht wird. Gleichzeitig wird im Vergleich zum
stöchiometrischen Betrieb die Kraftstoffmenge für die fett be
triebenen Zylinder um ca. 33% erhöht, während sie für die mage
ren Zylinder um 7% reduziert wird. Für alle Zylinder kann ein
hinsichtlich Verbrennung optimaler Zündzeitpunkt gewählt werden.
Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante, wie sie z. B. für die
Verbrennungsmotoranlage von Fig. 2 geeignet ist, wird für alle
Zylinder 1 bis 4 eine einheitliche Zylinderfüllung auch während
der Desulfatisierung gewählt. Diese Vorgehensweise kommt folg
lich mit einer gemeinsamen Drosselklappe 15 für alle Zylinder 1
bis 4 aus. Diese wird wiederum von einer Motorsteuerung 13a ge
steuert, der die diversen Sensorausgangssignale zugeführt sind
und die individuell den Zündzeitpunkt für jeden Zylinder 1 bis 4
über eine zugehörige Zündsteuerleitung 14a regelt. Außerdem re
gelt sie, ebenso wie die Motorsteuerung 13 von Fig. 1, den
Kraftstoffeinspritzvorgang für die einzelnen Zylinder 1 bis 4.
Bei somit gleicher Zylinderfüllung für alle Zylinder 1 bis 4
wird der Magerbetrieb des einen Zylinderpaars 1/4 durch Ein
spritzung lediglich einer unterstöchiometrischen Kraftstoffmenge
und der Fettbetrieb des anderen Zylinderpaars 2/3 durch Ein
spritzung einer höheren, überstöchiometrischen Kraftstoffmenge
bewirkt. Bedingt durch die gleiche Zylinderfüllung aller Zylin
der 1 bis 4 würde ohne weitere Maßnahmen das fett betriebene Zy
linderpaar 2/3 wegen des höheren Gemischheizwertes des unter
stöchiometrischen, fetten Gemisches ein höheres Drehmoment abge
ben als das mager betriebene Zylinderpaar 1/4. Dieser Drehmo
mentüberschuß des fett betriebenen Zylinderpaars 2/3 gegenüber
dem mager betriebenen Zylinderpaar 1/4 wird nun durch Spätver
stellung des Zündzeitpunktes für die fett betriebenen Zylinder
2/3 kompensiert. Durch diese Wahl eines späten Zündzeitpunktes
erfolgt die Verbrennung für das fett betriebene Zylinderpaar 2/3
erst relativ spät im Expansionstakt, wodurch sich der Verbren
nungswirkungsgrad verschlechtert und sich das abgegebene Drehmo
ment bei gleichbleibender Kraftstoffmenge verringert. Auf diese
Weise kann eine gleichmäßige Drehmomentabgabe an allen Zylindern
realisiert werden. Als ein weiterer Effekt steigt bei dieser
Verfahrensvariante die Abgastemperatur durch den späten Verbren
nungsschwerpunkt für das fett betriebene Zylinderpaar 2/3 stark
an, was ein schnelles Aufheizen des zu desulfatisierenden Spei
chers, hier der SOx-Falle 7, auf die gewünschte Desulfatisie
rungstemperatur begünstigt.
Alternativ zu der beschriebenen vollständigen zylinderindividu
ellen Drehmomentanpassung während der jeweiligen Desulfatisie
rungsperiode ist es selbstverständlich möglich, auf eine solche
Drehmomentanpassung zu verzichten oder eine Angleichung nur so
weit vorzunehmen, daß im Fall der Kraftfahrzeuganwendung der
Fahrkomfort durch den Desulfatisierungsbetrieb nicht nachhaltig
beeinträchtigt wird.
Um auch für die zweite Verfahrensvariante ein Zahlenbeispiel zu
geben, kann bei einem auch hier während einer Aufheizphase auf
dem stöchiometrischen Wert gehaltenen Gesamtluftverhältnis für
die mager betriebenen Zylinder ein Luftverhältnis von λ = 1,33 und
für die fett betriebenen Zylinder ein Luftverhältnis von λ = 0,8
gewählt werden. Dies wird bei der vorausgesetzten einheitlichen
Zylinderfüllung durch Wahl einer für alle Zylinder gleichen, ge
genüber dem stöchiometrischen Betrieb um ca. 25% erhöhten Luft
menge sowie einer gegenüber dem stöchiometrischen Betrieb um 7%
verringerten Kraftstoffmenge für die mager betriebenen Zylinder
und einer um ca. 57% erhöhten Kraftstoffmenge für die fett be
triebenen Zylinder erreicht. Während der Zündzeitpunkt für die
fett betriebenen Zylinder, wie erwähnt, Richtung spät verstellt
wird, läßt sich für die mager betriebenen Zylinder ein für die
Verbrennung optimaler Zündzeitpunkt wählen.
In allen oben beschriebenen Fällen kann bei auftretenden Regel
abweichungen des Gesamtluftverhältnisses vom vorgegebenen Soll
wert vorgesehen sein, diese durch Änderung des Luftverhältnisses
bei allen Zylindern oder aber alternativ durch Änderung des
Luftverhältnisses entweder nur der fett oder nur der mager be
triebenen Zylinder auszuregeln. In letzterem Fall kann das Luft
verhältnis für die jeweils anderen Zylinder während der Regelung
des Gesamtluftverhältnisses auf einem konstanten Wert gehalten
werden, was den Regelungsaufwand und die dafür benötigte Hard
ware vereinfacht. Es versteht sich, daß der Sollwert für das Ge
samtluftverhältnis über die gesamte Desulfatisierungsperiode
hinweg in je nach Anwendungsfall beliebiger Weise variabel, ins
besondere während einer anfänglichen Aufheizphase magerer als
während eines anschließenden Desulfatisierungsbetrieb nach Er
reichen einer erhöhten Desulfatisierungstemperatur, oder aber
konstant bleibend vorgegeben werden kann. Daneben sei nochmals
auf die ebenso in jedem Fall mögliche, oben angesprochene Ver
ringerung der Fett/Mager-Spreizung zwischen den Luftverhältnis
werten für die fett betriebenen Zylinder einerseits und die ma
ger betriebenen Zylinder andererseits mit steigender Temperatur
des zu desulfatisierenden Speichers hingewiesen. Insbesondere
kann während der Speicheraufheizphase ein erster, größerer Ab
standswert und während des anschließenden Desulfatisierungsbe
triebs ein davon verschiedener, niedrigerer Abstandswert gewählt
werden.
Claims (6)
1. Verfahren zur periodischen Desulfatisierung eines
Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers einer Abgasreinigungsan
lage eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors, bei dem
- - dem Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speicher (5, 7) während einer jeweiligen Desulfatisierungsperiode ein reduktionsmittel- und sauerstoffhaltiges Motorabgas durch Einstellen eines fetten Luftverhältnisses für einen ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) und eines demgegenüber magereren Luftverhältnisses für den restlichen, zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder zugeführt wird,
- - der Abstand zwischen dem fetten Luftverhältnis für den ersten Teil (2, 3) der Zylinder (1 bis 4) und dem magereren Luftver hältnis für den zweiten Teil (1, 4) der Zylinder in einer an fänglichen Speicheraufheizphase der jeweiligen Desulfatisie rungsperiode bis zum Erreichen einer vorgebbaren Desulfatisie rungstemperatur größer eingestellt wird als im anschließenden Desulfatisierungsbetrieb nach Erreichen einer vorgebbaren Desul fatisierungstemperatur.
2. Verfahren zur periodischen Desulfatisierung eines Stick
oxid- oder Schwefeloxid-Speichers einer Abgasreinigungsanlage
eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors, insbesondere nach
Anspruch 1, bei dem
- - dem Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speicher (5, 7) während einer jeweiligen Desulfatisierungsperiode ein reduktionsmittel- und sauerstoffhaltiges Motorabgas durch Einstellen eines fetten Luftverhältnisses für einen ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) und eines demgegenüber magereren Luftverhältnisses für den restlichen, zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder zugeführt wird,
- - das Gesamtluftverhältnis für das vom Motor insgesamt emittier te Abgas während einer jeweiligen Desulfatisierungsperiode da durch auf einen variabel oder konstant vorgebbaren Sollwert ein geregelt wird, daß auftretende Regelabweichungen durch gegenwir kende Änderung entweder nur des fetten Luftverhältnisses für den ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) oder nur des ma gereren Luftverhältnisses für den zweiten Teil (1, 4) der Motor zylinder bei gleichzeitiger Konstanthaltung des jeweils anderen Luftverhältnisses ausgeregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
das Einstellen des fetten Luftverhältnisses für den ersten Teil
(2, 3) der Zylinder (1 bis 4) und des magereren Luftverhältnis
ses für den zweiten Teil (1, 4) der Zylinder unter Verwendung
unterschiedlicher Luftmengen für den ersten und zweiten Teil der
Zylinder erfolgt, wobei für den ersten Teil (2, 3) der Zylinder
(1 bis 4) eine höchstens etwa dem stöchiometrischen Betrieb ent
sprechende Luftmenge und eine gegenüber dem stöchiometrischen
Betrieb höhere Kraftstoffmenge und für den zweiten Teil (1, 4)
der Zylinder eine höchstens etwa dem stöchiometrischen Betrieb
entsprechende Kraftstoffmenge und eine gegenüber dem stöchiome
trischen Betrieb höhere Luftmenge gewählt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
das Einstellen des fetten Luftverhältnisses für den ersten Teil
(2, 3) der Zylinder (1 bis 4) und des magereren Luftverhältnis
ses für den zweiten Teil (1, 4) der Zylinder unter Verwendung
gleicher, gegenüber dem stöchiometrischen Betrieb höherer Luft
mengen, einer höchstens etwa dem stöchiometrischen Betrieb ent
sprechenden Kraftstoffmenge für den zweiten Teil (1, 4) der Zy
linder und einer gegenüber dem stöchiometrischen Betrieb höheren
Kraftstoffmenge in Verbindung mit einer Zündzeitpunkt-Spätver
stellung für den ersten Teil (2, 3) der Zylinder erfolgt.
5. Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stick
oxid- oder Schwefeloxid-Speichers einer Abgasreinigungsanlage
eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors mit mehreren, je
weils einem oder mehreren Zylindern zugeordneten Drosselklappen
(12a bis 12b), mit
- - Mitteln zur Zuführung eines reduktionsmittel- und sauer stoffhaltigen Motorabgases zum Stickoxid- oder Schwefeloxid- Speicher (5, 7) während einer jeweiligen Desulfatisierungs periode durch Einstellen eines fetten Luftverhältnisses für einen ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) und eines demgegenüber magereren Luftverhältnisses für den restlichen, zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder,
- - die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist und dazu die Mittel zur Zuführung des reduktionsmittel- und sauerstoffhaltigen Motorab gases Steuermittel (13) zur entsprechenden unterschiedlichen Ansteuerung der dem ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) zugeordneten einen oder mehreren Drosselklappen (12b, 12c) einerseits und der dem zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder zugeordneten einen oder mehreren Drosselklappen (12a, 12b) andererseits.
6. Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stick
oxid- oder Schwefeloxid-Speichers einer Abgasreinigungsanlage
eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors mit gemeinsamer
Drosselklappe (15) für alle Zylinder (1 bis 4), mit
- 1. Mitteln zur Zuführung eines reduktionsmittel- und sauer stoffhaltigen Motorabgases zum Stickoxid- oder Schwefeloxid- Speicher (5, 7) während einer jeweiligen Desulfatisierungs periode durch Einstellen eines fetten Luftverhältnisses für einen ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder (1 bis 4) und eines demgegenüber magereren Luftverhältnisses für den restlichen, zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder,
- 1. die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist und dazu die Mittel zur Zuführung des reduktionsmittel- und sauerstoffhaltigen Motorab gases Steuermittel (13a) zur entsprechenden unterschiedlichen Steuerung der Kraftstoffeinspritzmenge für den ersten Teil (2, 3) der Motorzylinder einerseits und den zweiten Teil (1, 4) der Motorzylinder andererseits umfassen.
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