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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Entschwefelung einer
NOx-Falle, das mit einen Oxidationskatalysator bildenden Mitteln
verbunden und in eine Auspuffleitung eines Kraftfahrzeugmotors integriert
ist.
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Genauer
gesagt, betrifft die Erfindung ein solches System, bei dem der Motor
mit Mitteln mit einer gemeinsamen Rampe zur Kraftstoffzufuhr zu
den Zylindern dieses Motors verbunden ist, welche durch Modifizierung
von Steuerungsparametern für
den Motorbetrieb angepasst sind, den Motor zwischen einem Betrieb
mit armem Gemisch und einem mit reichem Gemisch hin und her zu schalten.
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Es
ist in der Tat bekannt, dass zur vorschriftsmäßigen Behandlung der Schadstoffemissionen,
insbesondere bei Fahrzeugen mit Dieselmotor, verschiedene Arten
von Funktionen erforderlich sind, nämlich eine Oxidationsfunktion
zur Behandlung des CO und der HC, eine Funktion der Reduktion der Stickoxide
und eine Filtrationsfunktion, die mit einer Partikelverbrennungsfunktion
verbunden ist.
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Eines
der Mittel zur Reduktion der Stickoxide ist der Einsatz einer NOx-Falle.
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Die
Tränkung
dieser Falle enthält
dann die Einlagerungselemente, zum Beispiel Barium, an denen sich
die Stickoxide in Form von Nitraten anlagern.
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Wird
die Falle dem SO2 ausgesetzt, das aus dem
im Brennstoff und im Schmieröl
des Motors enthaltenen Schwefel gebildet wird, so bilden sich Sulfate,
zum Beispiel Bariumsulfat, die stabilere Verbindungen als die Nitrate
sind.
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Die
Regeneration der NOx-Falle wandelt dann die Stickoxide um, beseitigt
jedoch nicht die Sulfate. Die Falle sättigt sich also allmählich mit
Sulfaten, was zu einer Verringerung der katalytischen Leistungen
der Falle (Umwandlung von NOx, aber auch CO und HC) führt.
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Es
ist daher notwendig, die Falle regelmäßig zu entschwefeln, um die
dort eingelagerten Sulfate zu beseitigen.
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Eine
NOx-Falle kann nur unter ganz bestimmten Bedingungen hinsichtlich
Temperatur und Gaszusammensetzung wirksam entschwefelt werden.
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Man
braucht in der Tat ein reduktorenreiches Medium und folglich einen
Motorbetrieb mit reichem Gemisch und eine hohe Temperatur, da Sulfate
thermodynamisch sehr stabile Verbindungen sind. (Siehe Dokument
US 5 778 666 .)
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Für das Erreichen
einer wirksamen Entschwefelung stellen sich also zwei Probleme.
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Zum
einen ist die Desorption umso wirksamer, je höher die Temperatur ist, aber
umso mehr wird auch die Alterung der Falle beschleunigt, was sich
in einem geringeren katalytischen Wirkungsgrad zeigt.
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Man
darf also die Falle nicht zu stark zu erwärmen, um ihre Leistung während der
Lebensdauer des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten.
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Zum
anderen werden die Sulfate im Wesentlichen in Form von H2S oder SO2 abgebaut,
wobei die anderen Verbindungen, wie COS, in weit geringerer Menge
ausgestoßen
werden.
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Die
Sulfate werden vorzugsweise in Form von H2S
(einem übelriechenden
Gas) desorbiert, wenn das Medium einen Sauerstoffmangel aufweist. Das
ist insbesondere bei einem Motorbetrieb mit reichem Gemisch der
Fall.
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Die
Rezeptur einer NOx-Falle kann jedoch Elemente für die Einlagerung von Sauerstoff,
so genannte "OSC" enthalten, die Sauerstoff
freisetzen, wenn das Medium arm an Oxidantienarten ist.
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Wenn
der Motor von einem Betrieb mit reichem Gemisch in einen Betrieb
mit armem Gemisch wechselt, setzt das OSC somit Sauerstoff frei.
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Leider
ist das OSC kein unbegrenzter Sauerstoffvorratsbehälter, und
es ist nach einer gewissen Zeit erschöpft. Wenn bei einer Entschwefelung
die Temperatur hoch genug ist, um die Sulfate abzubauen, werden
diese daher zunächst
in Form von SO2 desorbiert und dann, wenn
nicht mehr genügend Sauerstoff
in den Gasen zur Verfügung
steht (weil z. B. der OSC-Vorratsbehälter leer ist), in Form von H2S.
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Es
ist daher das Ziel der Erfindung, ein System anzugeben, das es ermöglicht,
die NOx-Falle in einem Temperaturfenster mit einem maximalen Wirkungsgrad
zu halten und gleichzeitig die Gefahr der Alterung der katalytischen
Tränkung
zu minimieren und die gasförmigen
H2S-Emissionen bei einer Entschwefelung
so weit wie möglich
begrenzen.
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Zu
diesem Zweck ist die Aufgabe der Erfindung ein System zur Entschwefelung
einer NOx-Falle, verbunden mit einen Oxidationskatalysator bildenden
Mitteln und integriert in die Auspuffleitung eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, bei
dem der Motor mit Mitteln mit einer gemeinsamen Rampe zur Kraftstoffzufuhr
zu den Zylindern des Motors verbunden ist, welche durch Modifizierung
von Steuerungsparametern für
den Motorbetrieb angepasst sind, den Motor zwischen einem Betrieb
mit armem Gemisch und einem mit reichem Gemisch hin und her zu schalten, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zufuhrmittel angepasst sind, drei Steuerstrategien
des Motorbetriebs mit armem Gemisch zu definieren, die erste, so
genannte normale Strategie, die einem normalen Motorbetrieb entspricht,
die zweite, so genannte Stufe-1-Strategie und die dritte, so genannte
Stufe-2-Strategie, um verschiedene Wärmepegel in der Auspuffleitung
zu erreichen, wobei der durch Anwendung der dritten, Stufe-2-Strategie erreichte
Wärmepegel
höher ist
als der durch Anwendung der zweiten, Stufe-1-Strategie erreichte,
welcher wiederum höher
ist als der durch Anwendung der ersten, normalen Strategie erreichte,
und dadurch, dass die Zufuhrmittel an folgende Mittel angeschlossen
sind:
- – Mittel
zur Erkennung einer Entschwefelungsanforderung zur Steuerung der
Zufuhrmittel, um einen Motorbetrieb gemäß der zweiten, Stufe-1-Strategie
auszulösen;
- – Mittel
zur Überwachung
des Zündungszustands der
einen Katalysator bildenden Mittel, um die dritte, Stufe-2-Strategie
auszulösen;
- – Mittel
zur Erfassung der Wärmestufe
in der Auspuffleitung, um den Motorbetrieb mit reichem Gemisch auszulösen, wenn
diese Wärmestufe
während
eines vorgegebenen ersten Zeitraums eine vorgegebene Ziel-Temperatur übersteigt,
oder um die Entschwefelung auszuschalten, wenn diese Temperatur
vor Ablauf eines vorgegebenen zweiten Höchstzeitraums nicht erreicht
worden ist;
- – Mittel
zur Überwachung
des Motorbetriebs mit reichem Gemisch zur:
- – Steuerung
eines Motorbetriebs mit armem Gemisch gemäß der dritten, Stufe-2-Strategie
am Ende eines vorgegebenen dritten Zeitraums;
- – Steuerung
eines Motorbetriebs mit armem Gemisch gemäß der dritten, Stufe-2-Strategie,
wenn der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während eines
vierten Zeitraums eine vorgegebene niedrige Temperaturschwelle unterschreitet;
- – Steuerung
eines Motorbetriebs mit armem Gemisch gemäß der zweiten, Stufe-1-Strategie, wenn
der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während
eines fünften
Zeitraums eine vorgegebene hohe Temperaturschwelle überschreitet;
- – Aufrechterhaltung
dieses Motorbetriebs gemäß der zweiten,
Stufe-1-Strategie
während
eines vorgegebenen sechsten Steigerungszeitraums oder bis zu dem
Augenblick, in dem der Wärmepegel in
der Auspuffleitung während
eines siebten Zeitraums die hohe Temperaturschwelle minus einer Hystereseabweichung
unterschreitet;
- – Steuerung
eines Motorbetriebs mit armem Gemisch gemäß der ersten, normalen Strategie,
falls der Wärmepegel
in der Auspuffleitung nach Ablauf eines achten Höchstzeitraums der Abkühlung nicht
wieder unter die hohe Temperaturschwelle minus einer Hystereseabweichung
abgesunken ist, bis der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während
des siebten Zeitraums wieder unter diese hohe Temperaturschwelle
minus der Hystereseabweichung abgesunken ist;
- – Aufrechterhaltung
des Motorbetriebs im armen Modus gemäß einer der weiter oben definierten Strategien,
d. h. der Stufe-2-, Stufe-1- oder normalen Strategie, während eines
neunten Zeitraums; und
- – Zurückschleifen
dieser Motorsteuerung von einem Betrieb mit reichem Gemisch nach
Ablauf dieses neunten Zeitraums, wenn der Wärmepegel in der Auspuffleitung
zwischen der vorgegebenen Ziel-Temperatur und der hohen Temperaturschwelle
liegt, bis zur Erkennung einer Entschwefelungsstopp-Anforderung durch
entsprechende Erkennungsmittel.
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Gemäß weiteren
Merkmalen
- – sind
die Schwellentemperaturen kalibrierbar;
- – sind
die Zeiträume
kalibrierbar;
- – umfasst
es Mittel für
die Ausgabe der Entschwefelungs- und Entschwefelungsstopp-Anforderung; umfassen
die Mittel zur Überwachung
des Zündungszustands
der einen Katalysator bildenden Mittel und zur Erfassung des Wärmepegels
in der Auspuffleitung Temperaturmessfühler;
- – sind
die Zufuhrmittel angepasst, die Alterung der Falle zu berücksichtigen.
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Die
Erfindung wird besser verständlich
beim Lesen der folgenden Beschreibung, die lediglich beispielhaft
ist und sich auf die beigefügten
Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 ein Übersichtsdiagramm
darstellt, welches den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems
darstellt; und
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2 ein
Ablaufdiagramm darstellt, welche den Betrieb des Systems zeigt.
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1 zeigt
in der Tat ein in dieser Figur allgemein mit Bezugsziffer 1 gekennzeichnetes
Entschwefelungssystem einer NOx-Falle, das mit einen Oxidationskatalysator
bildenden, allgemein mit Bezugsziffer 2 gekennzeichneten
Mitteln verbunden und in die Auspuffleitung 3 eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors
integriert ist.
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Dieser
Motor ist allgemein mit Bezugsziffer 4 gekennzeichnet und
ist zum Beispiel mit einem Turbokompressor verbunden, dessen Turbinenabschnitt 5 in
der Auspuffleitung angeordnet ist und dessen Kompressorabschnitt 6 dem
Motor vorgeschaltet ist.
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Der
Motor ist mit Mitteln 7 mit einer gemeinsamen Rampe zur
Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern des Motors verbunden, welche durch
Modifizierung von Steuerungsparametern für den Motorbetrieb angepasst
sind, den Motor zwischen einem Betrieb mit armem Gemisch und einem
mit reichem Gemisch hin und her zu schalten.
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Dies
geschieht dann in klassischer Weise unter der Steuerung eines allgemein
mit Bezugsziffer 8 gekennzeichneten Überwachers, mittels Strategien zur
Steuerung des Betriebs mit armem Gemisch und mit reichem Gemisch,
die allgemein mit den Bezugsziffern 9 bzw. 10 gekennzeichnet
sind.
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Diese
Zufuhrmittel und dieser Überwacher sind
nämlich
angepasst, drei Steuerstrategien des Motorbetriebs mit armem Gemisch
zu definieren, die erste, so genannte normale Strategie 11,
die einem normalen Motorbetrieb entspricht, die zweite, so genannte
Stufe-1-Strategie 12, und die dritte, so genannte Stufe-2-Strategie 13.
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Dies
ermöglicht
es dann durch Steuerung des Motorbetriebs, verschiedene Wärmepegel
in der Auspuffleitung zu erreichen, wobei der durch Anwendung der
dritten, Stufe-2-Strategie 13 erreichte Wärmepegel
höher ist
als der durch Anwendung der zweiten, Stufe-1-Strategie 12 erreichte,
welcher wiederum höher
ist als der durch Anwendung der ersten, normalen Strategie 11 erreichte.
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Der Überwacher 8 ist
ebenfalls mit allgemein mit Bezugsziffer 15 gekennzeichneten
Mitteln zur Ausgabe einer Anforderung der Entschwefelung oder des
Entschwefelungsstopps der NOx-Falle verbunden sowie mit verschiedenen
Temperaturmessfühlern,
zum Beispiel 16, 17 und 18, die in der
Auspuffleitung verteilt sind, um die Wärmepegel darin zu erfassen,
wie dies im Folgenden ausführlicher
(beschrieben wird.
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Der
Temperaturmessfühler 16 ist
angepasst, den Wärmepegel
in der Auspuffleitung zu erfassen, während die Messfühler 17 und 18,
die zu beiden Seiten der einen Katalysator bildenden Mittel angebracht
sind, es ermöglichen,
in klassischer Weise zum Beispiel den Zündungszustand dieser Mittel
zu bestimmen.
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Der
Betrieb dieses Systems ist in 2 dargestellt
und beginnt damit, dass der Überwacher 8 der
Zufuhrmittel bei 20 eine Entschwefelungsanforderung erhält.
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Die
Zufuhrmittel 7, 8 sind angepasst, bei Erkennung
dieser Entschwefelungsanforderung bei 21 einen Motorbetrieb
gemäß der zweiten,
Stufe-1-Strategie auszulösen.
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Der Überwacher überwacht
dann bei 22 den Zündungszustand
der einen Katalysator bildenden Mittel, um, sobald die einen Katalysator
bildenden Mittel aktiviert werden, bei 23 die dritte, Stufe-2-Strategie
auszulösen.
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Danach überwacht
der Überwacher
bei 24 den Wärmepegel
in der Auspuffleitung 3 des Motors, um bei 25 den
Motorbetrieb mit reichem Gemisch auszulösen, wenn dieser Wärmepegel
während
eines vorgegebenen ersten Zeitraums eine vorgegebene Ziel-Temperatur übersteigt.
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Dieser Überwacher 8 ist
aber auch angepasst, bei 24a die Entschwefelung auszuschalten, wenn
diese Ziel-Temperatur vor Ablauf eines vorgegebenen zweiten Höchstzeitraums
nicht erreicht worden ist.
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Wenn
die Prüfung
bei 24 positiv ausfällt,
ist der Überwacher 8 angepasst,
den Betrieb mit reichem Gemisch des Motors zu überwachen und die Durchführungsbedingungen
der drei Prüfungen
bei 26, 27 bzw. 28 zu erkennen.
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Die
Mittel zur Überwachung
des Motorbetriebs sind in der Tat angepasst, ausgehend vom Betrieb
mit reichem Gemisch des Motors, nach Ablauf eines vorgegebenen dritten
Zeitraums nach der Prüfung
bei 26, bei 29 einen Betrieb dieses Motors mit armem
Gemisch gemäß der Stufe-2-Strategie
zu steuern, bei 29 einen Betrieb dieses Motors mit armem
Gemisch gemäß der dritten,
Stufe-2-Strategie zu
steuern, wenn der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während
eines vierten Zeitraums nach der Prüfung bei 28 eine vorgegebene
niedrige Temperaturschwelle unterschreitet, oder bei 32 einen
Betrieb dieses Motors mit armem Gemisch gemäß der zweiten, Stufe-1-Strategie
zu steuern, wenn der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während
eines fünften Zeitraums
nach der Prüfung
bei 27 eine vorgegebene hohe Temperaturschwelle überschreitet.
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Der Überwacher 8 hält dann
diesen Motorbetrieb bei gemäß dieser
zweiten, Stufe-1-Strategie während
eines vorgegebenen sechsten Steigerungszeitraums aufrecht oder bis
zu dem Augenblick, in dem der Wärmepegel
in der Auspuffleitung bei 33 während eines siebten Zeitraums
die hohe Temperaturschwelle minus einer Hystereseabweichung unterschreitet.
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Wenn
dies nicht der Fall ist, ist der Überwacher angepasst, bei 34 einen
Motorbetrieb mit armem Gemisch gemäß der ersten, normalen Strategie
zu steuern, falls der Wärmepegel
in der Auspuffleitung nach Ablauf eines achten Höchstzeitraums der Abkühlung nicht
wieder unter diese hohe Temperaturschwelle minus einer Hystereseabweichung
abgesunken ist, bis der Wärmepegel
in der Auspuffleitung während
des siebten Zeitraums wieder unter diese hohe Temperaturschwelle
minus der Hystereseabweichung abgesunken ist, wie bei 35 dargestellt.
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Der Überwacher
hält dann
während
eines neunten Zeitraums bei 36 gemäß einer der Strategien den
Motorbetrieb im armen Modus aufrecht, bei 29 gemäß der Stufe-2-Strategie,
bei 31 gemäß der Stufe-1-Strategie
oder bei 34 gemäß der normalen Strategie,
wie zuvor definiert, und schleift nach Ablauf dieses neunten Zeitraums
diese Motorsteuerung bei 25 ausgehend von einem Betrieb
mit reichem Gemisch zurück,
wenn der Wärmepegel
in der Auspuffleitung zwischen der vorgegebenen Ziel-Temperatur und
der hohen Temperaturschwelle liegt, bis zur Erkennung einer Entschwefelungsstopp-Anforderung bei 37 durch
den Überwacher 8.
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In
diesem Fall, wird der Zeitzähler
ausgelöst, sobald
der Motor in den armen Modus zurückkehrt, und
bei diesem Vergleich zählt
die kumulierte Zeit, die auf Stufe 2 plus eventuell auf Stufe 1
plus eventuell im armen, normalen Modus verstrichen ist.
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Es
versteht sich, dass die vorgenannten verschiedenen Schwellentempera
turen und Zeiträume kalibrierbar
sein können.
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So
sind zum Beispiel die hohe und die niedrige Schwellentemperatur
Sicherheiten, die im Fall der hohen Schwellentemperatur dafür sorgen,
dass die Falle nicht zu stark thermisch altert, wobei sich diese
Alterung in einem nachlassenden Wirkungsgrad der Umwandlungen der
NOx, des CO und der HC zeigt, während
die niedrige Schwellentemperatur die Mindesttemperatur darstellt,
unterhalb derer der Entschwefelungsprozess zu langsam abläuft.
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Das
Phänomen,
dass sich die Alterung der Falle in einer nachlassenden katalytischen
Aktivität derselben
zeigt, kann auch durch eine Anpassung des Zielgehalts im reichen
Betriebsmodus des Motors berücksichtigt
werden.
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Zum
Beispiel kann man bei einer neuen Falle einen Gehalt von 1,11 (λ = 0,9) verwenden
und den Gehalt in dem Maße,
wie die Falle altert, allmählich verringern.
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Typischerweise
beträgt
dieser Gehalt 1,04 (λ =
0,96) bei einer Falle nach einer Kilometerleistung von 100.000 km.
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Außerdem wird
die Dauer der Entschwefelung allmählich länger.
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Es
sind mehrere Lösungen
denkbar, um diese Alterung zu berücksichtigen, insbesondere in
Abhängigkeit
von der Kilometerleistung, der Menge des berechneten Schwefels,
der die Falle ausgesetzt ist, dem von den der Falle vor- und nachgeschalteten NOx-Messfühlern gemessenen
Wirkungsgrad der Umwandlung der NOx, den Wärmepegeln, denen die Falle
ausgesetzt ist und die entweder in der Falle oder der Falle nachgeschaltet
gemessen werden, usw.
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Eine
solche Steuerung des Motorbetriebs ermöglicht es also, die Falle innerhalb
eines Fensters des maximalen thermischen Wirkungsgrads zu halten
und gleichzeitig die schädlichen
Emissionen so weit wie möglich
einzuschränken
und die Strategien in Abhängigkeit
von der Alterung der Falle anzupassen.
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Es
versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen denkbar sind.
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So
können
zum Beispiel die einen Oxidationskatalysator bildenden Mittel und
die NOx-Falle in einem einzigen und in demselben Bauteil, insbesondere
auf 1 demselben Substrat, integriert werden.
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Außerdem ist
ein Partikelfilter, der die Oxidationsfunktion integriert, denkbar.
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Ebenso
ist auch eine additivierte oder nicht additivierte NOx-Falle, die
eine solche Oxidationsfunktion integriert, denkbar.
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Diese
Oxidations- und/oder NOx-Fallen-Funktion kann zum Beispiel durch
einen dem Brennstoff beigemischten Zusatzstoff erfüllt werden.