WO2002073018A1 - Verfahren zur steuerung eines warmlaufs eines katalysatorsystems - Google Patents

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WO2002073018A1
WO2002073018A1 PCT/EP2002/002701 EP0202701W WO02073018A1 WO 2002073018 A1 WO2002073018 A1 WO 2002073018A1 EP 0202701 W EP0202701 W EP 0202701W WO 02073018 A1 WO02073018 A1 WO 02073018A1
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catalyst
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PCT/EP2002/002701
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Ekkehard Pott
Michael Zillmer
Ulrich Göbel
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
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    • F02D41/024—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0255—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus to accelerate the warming-up of the exhaust gas treating apparatus at engine start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a warm-up of a catalytic converter system connected downstream of an internal combustion engine, which comprises at least one pre-catalytic converter and one main catalytic converter connected downstream thereof.
  • Catalysts only reach their full operability, in which pollutant conversion takes place with sufficient efficiency, after they have reached their light-off or light-off temperature. Therefore, a large part of the pollutants generated after an engine cold start is released into the atmosphere without being converted.
  • small-volume pre-catalysts are used, which are arranged at a position near the engine of the exhaust system. Because of their low thermal mass and their position close to the engine, they reach their light-off temperature relatively quickly and thus bridge the period of time until the large-volume main catalytic converter further downstream has reached its operating temperature.
  • a lean NO x breakthrough is, however, accepted as a result of the lean application, since With 3-way catalytic converter systems, there is only a complete NO x reduction in an exactly stoichiometric exhaust gas atmosphere and, in the case of NO x storage catalytic converters, these have also not yet reached their working temperature with regard to NO x storage.
  • NEDC New European Driving Cycle
  • lean stratified operation is usually permitted in the NEDC after 150 to 400 s after the engine has started.
  • the main catalytic converter has not yet reached its light-off temperature at the end of the catalytic converter heating measure.
  • the pre-catalytic converter alone performs almost the entire conversion performance of the exhaust system until the main catalytic converter starts.
  • the pre-catalytic converter is at least partially overflowed, so that a certain pollutant breakthrough can be recorded until the main catalytic converter starts.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for controlling a warm-up of a catalyst system which achieves a greater reduction in pollutants compared to the current state of the art.
  • the process should not be burdened with increased additional consumption.
  • the essential characteristics of the heating phase correspond to currently customary methods.
  • the engine measures for increasing the exhaust gas temperature can consist in particular of a late ignition and / or a reduction in an exhaust gas recirculation rate compared to an operating mode to be set after the warm-up phase has ended.
  • this heating phase is followed by a lean phase in which the lean exhaust gas atmosphere is maintained until the main catalytic converter has also reached its starting temperature or is close to it.
  • the procedure according to the invention thus uses the advantages of a lower light-off temperature with regard to HC and CO conversion when the exhaust gas is lean compared to the stoichiometric loading, even on the main catalytic converter.
  • a significant reduction in HC and CO pollutant emissions is achieved in this way.
  • the catalyst system is loaded with a slightly lean lambda of 1, 005 to 1, 2 during the heating and / or lean phase.
  • the lambda value is preferably 1.01 to 1.07, in particular 1.01 to 1.03.
  • a NO x storage catalytic converter as the main catalytic converter, it can moreover make sense under certain circumstances to be explained below to determine the lambda specification in the lean phase to values above 1.05, preferably between 1.1 and 1.15.
  • the lean phase and thus the warm-up, combined with the switchover of the internal combustion engine into a regular operating mode, can be ended in various ways.
  • An alternative embodiment of the method provides for modeling a cumulative heat flow entry into the catalyst system and ending the lean phase if a predeterminable heat flow threshold is exceeded.
  • the temperature of the main catalytic converter itself can be determined and the lean phase when a predefinable temperature threshold is exceeded by the Main catalyst temperature can be canceled.
  • the temperature of the main catalytic converter can be determined either with the aid of temperature sensors, which can be arranged before, in or after the main catalytic converter, or by modeling on the basis of current operating parameters of the internal combustion engine, this also being possible with the help of temperature sensors.
  • a further reduction in NO x emissions can be achieved by increasing an internal or external exhaust gas recirculation rate during the lean phase. This measure lowers the combustion temperature and lowers the raw NO x emission.
  • this phase can immediately follow the engine start and thus replace the heating phase.
  • Figure 1 shows schematically an internal combustion engine with a downstream
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 10 with a downstream exhaust gas duct 12.
  • the exhaust gas duct 12 houses a small-volume pre-catalytic converter 14 at a position near the engine and, downstream from it, a large-volume main catalytic converter 16 typically arranged in an underbody position
  • Both catalysts 14, 16 can be configured as oxidation or 3-way catalysts.
  • the main catalytic converter 16 can, however, also be a NO x storage catalytic converter, particularly in the case of a lean-running internal combustion engine 10.
  • the operating mode of the internal combustion engine 10 is controlled as a function of signals from various sensors installed in the exhaust gas duct 12. These include a lambda probe 18 for regulating the combustion lambda and a gas sensor 20, which can be configured as a NO x sensor or also as a lambda probe and is used to monitor the main catalytic converter 16.
  • a temperature sensor 22 in the exhaust duct 12 is located upstream of the main catalytic converter 16 arranged and used to determine the temperature of the main catalytic converter 16. However, this can also be determined or modeled by computer using temperature sensors arranged elsewhere, for example in the main catalytic converter 16.
  • the sensor signals and selected operating parameters of the internal combustion engine are input into an engine control unit 24, which processes the data and controls the internal combustion engine 10 on the basis of stored algorithms and maps. As already explained at the beginning, the exhaust gases are only converted adequately after the catalysts 14, 16 have reached a catalyst-specific light-off temperature.
  • FIG. 2 shows a conventional method for controlling the warm-up of the catalytic converter system 14, 16, which corresponds to the state of the art.
  • the course of the vehicle speed v Fzg corresponds to the requirements of the new European driving cycle NEDC.
  • an active catalyst heating is carried out by means of a late ignition during a heating phase XH.
  • the temperature T V ⁇ of the pre-catalytic converter 14 initially rises very rapidly. It first reaches a lean light-off temperature LO ⁇ ⁇ , which is typically at a temperature of 200 to 250 ° C.
  • the catalyst system 14, 16 is subjected to a slightly lean exhaust gas atmosphere during the heating phase XH, typically with a lambda of approximately 1.05.
  • the pre-catalytic converter 14 performs the entire conversion power until the main catalytic converter 16 starts. If high engine loads, in particular during acceleration runs, and high exhaust gas mass flows occur in this time window, the pre-catalytic converter 14 is partially overflowed so that pollutant breakthroughs are recorded.
  • the additional lean phase x M does not lead to a significantly different exhaust gas temperature and thus to no changed heating behavior of the catalysts 14, 16
  • FIG. 4 shows a more precise method for determining the end of the lean phase x M , which takes actual operating conditions into account during warm-up.
  • a heat flow input W is determined as a function of current operating parameters of internal combustion engine 10, such as engine load and speed.
  • the lean phase x M is ended when the cumulative heat flow entry W exceeds a predetermined heat flow threshold W s .
  • the advantage of the embodiment of the method shown in FIG. 4 is a flexible adaptation of the duration of the lean phase x M the current operating conditions.
  • a temperature threshold for an exhaust gas temperature can also be specified.
  • the modeling of the catalyst temperature T H ⁇ on the basis of current operating parameters, into which exhaust gas temperatures measured with the aid of temperature sensors can possibly also flow, is known and is not explained in more detail here.
  • the advantage here Similar to the determination of the warm-up end t E on the basis of the determined heat flow input (cf. FIG. 4), the advantage here also consists in taking into account actually prevailing operating parameters.
  • FIG. 6 A further embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. 6.
  • the stoichiometric phase ⁇ s is maintained until the main catalyst temperature THK reaches a predefinable threshold which approximately corresponds to the lean starting temperature LO ⁇ > ⁇ or is preferably slightly below this.
  • the threshold corresponds to a main catalyst temperature T H ⁇ of 170 to 300 ° C, preferably of 220 to 270 ° C.
  • the lean phase x M is limited to operating phases with high raw HC emissions of the internal combustion engine 10 and / or high space velocities of the exhaust gas (FIG. 7).
  • the support of the main catalytic converter 16 with regard to the HC and CO conversion is only used if this is required depending on the operating point. Accordingly, only in this limited phase a small NO x breakthrough has to be accepted, which results in a further reduction in the NO x emission compared to the embodiment shown in FIG. 6.
  • a further reduction in the raw NO x emission of the internal combustion engine can be achieved in all of the described methods by increasing the exhaust gas recirculation rate.
  • This can be achieved by opening an EGR valve in an EGR line (external EGR) as well as by changing the valve overlap of the intake and exhaust valves of the cylinders (internal EGR).
  • the EGR rate is preferably increased by a factor of 1.1 to 2.5, optimally by a factor of 1.3 to 1.6, compared to conventional homogeneous applications (10 to 30% EGR rate).
  • the increase in the EGR rate can depend on smooth running or rough running of the internal combustion engine be made.
  • the EGR rate is raised gradually or continuously during the lean phase ⁇ M until a predeterminable maximum target EGR rate is exceeded or until an increase in the uneven running caused by an increase in the EGR rate exceeds a predefinable threshold.
  • the EGR rate can first be reduced.
  • the EGR rate can then be increased again in order to be able to drive an engine-specific maximum EGR rate during the lean phase x M. If the minimum EGR increase, which is dependent on the uneven running, is undershot, the lean loading can be suppressed.
  • the method according to the invention reduces emissions of unburned hydrocarbons HC and carbon monoxide CO during the warm-up phase of a catalyst system in a simple manner and without having to accept additional fuel consumption.
  • the various advantageous exemplary embodiments make it possible to minimize a NO x multiple emission - matched to the present operating situation.
  • the method can be integrated into conventional engine controls with very little effort.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems (14, 16), mindestens bestehend aus einem Vorkatalysator (14) und einem diesem nachgeschalteten Hauptkatalysator (16), wobei; (a) in einer Aufheizphase (τH) ein Katalysatorheizen durch Anhebung einer Abgastemperatur mittels motorischer Maßnahmen bei einer Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (TVK) des Vorkatalysators (14) zumindest annähernd eine Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat, und (b) in einer Magerphase (τM) eine Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (THK) des Hauptkatalysators (16) zumindest annähernd die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines Katalysatorsystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines einer Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Katalysatorsystems, welches mindestens einen Vorkatalysator und einen diesem nachgeschalteten Hauptkatalysator umfasst.
Zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen ist bekannt, Katalysatoren einzusetzen, die eine Konvertierung von Schadstoffen des Abgases in umweltneutrale Verbindungen vornehmen. 3-Wege-Katalysatoren sind in der Lage, gleichzeitig die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO sowie die Reduktion von Stickoxiden NOx unter stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen mit Lambda = 1 zu katalysieren. So genannte NOx-Speicherkatalysatoren werden eingesetzt, um insbesondere bei magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschinen die Emission von Stickoxiden NOx bei mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen mit Lambda > 1 zu reduzieren.
Ihre volle Betriebsfähigkeit, bei der die Schadstoffkonvertierung mit einem ausreichenden Wirkungsgrad erfolgt, erreichen Katalysatoren erst, nachdem sie ihre Anspring- oder Light-off-Temperatur angenommen haben. Daher gelangt ein Großteil der nach einem Motorkaltstart erzeugten Schadstoffe unkonvertiert in die Atmosphäre. Um eine Emissionsminderung während der Warmlaufphase zu erzielen, werden kleinvolumige Vorkatalysatoren eingesetzt, die an einer motornahen Position der Abgasanlage angeordnet werden. Diese erreichen wegen ihrer geringen thermischen Masse und ihrer motornahen Lage relativ schnell ihre Anspringtemperatur und überbrücken damit die Zeitspanne, bis auch der weiter stromab angeordnete, großvolumige Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Um die Aufheizung des Vorkatalysators und damit sein Anspringen zu beschleunigen, ist bei Ottomotoren bekannt, durch Spätverstellung eines Zündwinkels (Spätzündung) einen Motorwirkungsgrad zu verringern und dabei die Abgastemperatur anzuheben. Ferner ist bekannt, eine derartige Katalysatorheizmaßnahme nicht bei einer stöchiometrischen Abgaszusammensetzung mit Lambda = 1 , sondern bei leicht magerem Abgas mit Lambda > 1, üblicherweise bei Lambda = 1 ,05, durchzuführen. Diese Maßnahme trägt dem Umstand Rechnung, dass die Anspringtemperatur für die HC- und CO-Konvertierung aufgrund des Sauerstoffüberschusses im mageren Abgas um etwa 50 bis 100 K niedriger liegt als im stöchiometrischen Abgas. Effektiv setzt daher bei Magerbeaufschlagung die Schadstoffkonvertierung früher ein. Durch die Magerbeaufschlagung wird allerdings ein gewisser NOx-Durchbruch in Kauf genommen, da mit 3-Wege-Katalysatorsystemen nur bei einer exakt stöchiometrischen Abgasatmosphäre eine vollständige NOx-Reduzierung erfolgt und im Falle von NOx-Speicherkatalysatoren diese ihre Arbeitstemperatur bezüglich einer NOx-Speicherung ebenfalls noch nicht erreicht haben.
In gegenwärtigen Verfahren erfolgt das Katalysatorheizen über Spätzündung und leicht magerer Abgasatmosphäre, beispielsweise im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) für einen Zeitraum von etwa 20 bis 60 s nach Motorstart, ehe die Verbrennungskraftmaschine in den üblichen Lambda=1 -Modus umgeschaltet wird. Im Falle schichtladefähiger, magerlauffähiger Ottomotoren wird der magere Schichtbetrieb üblicherweise nach 150 bis 400 s nach Motorstart im NEFZ zugelassen. In jedem Fall hat der Hauptkatalysator am Ende der Katalysatorheizmaßnahme seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht. Zum beschleunigten Aufheizen des Hauptkatalysators wäre wegen seiner großen thermischen Masse und wegen Wärmeverlusten im Abgaskanal eine deutlich längere Katalysatorheizdauer, verbunden mit einem entsprechenden Kraftstoffmehrverbrauch, erforderlich, ohne eine nennenswerte Emissionsminderung zu erzielen. Somit leistet der Vorkatalysator bis zum Anspringen des Hauptkatalysators alleine nahezu die gesamte Konvertierungsleistung des Abgassystems. Bei hohen Motorlasten mit höheren Abgasmassenströmen, insbesondere in Beschleunigungsphasen, wird der Vorkatalysator zumindest teilweise überlaufen, so dass bis zum Anspringen des Hauptkatalysators ein gewisser Schadstoffdurchbruch zu verzeichnen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines Katalysatorsystems zur Verfügung zu stellen, welches gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik eine stärkere Schadstoffreduzierung erzielt. Das Verfahren sollte insbesondere nicht mit einem erhöhten Mehrverbrauch belastet sein.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
(a) in einer Aufheizphase ein Katalysatorheizen durch Anhebung einer
Abgastemperatur mittels motorischer Maßnahmen bei einer Beaufschlagung des
Katalysatorsystems mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur des Vorkatalysators zumindest annähernd eine Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat, und (b) in einer unmittelbar anschließenden oder zeitlich abgesetzten Magerphase eine Beaufschlagung des Katalysatorsystems mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur des Hauptkatalysators zumindest annähernd die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat.
Dabei entspricht die Aufheizphase in ihren wesentlichen Merkmalen, nämlich Anhebung der Abgastemperatur sowie Beaufschlagung mit einer mageren Abgasatmosphäre, derzeit üblichen Verfahren. Die motorischen Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur können dabei insbesondere in einer Spätzündung bestehen und/oder in einer Reduzierung einer Abgasrückführrate gegenüber einem nach Beendigung der Warmlaufphase einzustellenden Betriebsmodus. Erfindungsgemäß folgt dieser Aufheizphase eine Magerphase, in der die magere Abgasatmosphäre aufrecht erhalten wird, bis auch der Hauptkatalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat oder sich nahe an dieser befindet. Das erfindungsgemäße Vorgehen nutzt somit die Vorteile einer niedrigeren Anspringtemperatur bezüglich einer HC- und CO-Konvertierung bei magerer Abgasbeaufschlagung gegenüber stöchiometrischer Beaufschlagung auch am Hauptkatalysator. Während eines Zeitfensters zwischen dem Erreichen der Mager- Anspringtemperatur und der Lambda=1 -Anspringtemperatur wird auf diese Weise eine signifikante Reduzierung der HC- und CO-Schadstoffemission erzielt.
Dabei erfolgt während der Aufheiz- und/oder der Magerphase die Beaufschlagung des Katalysatorsystems mit einem leicht mageren Lambda von 1 ,005 bis 1 ,2. Vorzugsweise beträgt der Lambdawert 1 ,01 bis 1 ,07, insbesondere 1 ,01 bis 1 ,03. Im Falle eines NOx- Speicherkatalysators als Hauptkatalysator kann es unter bestimmten, noch zu erläuternden Umständen überdies sinnvoll sein, die Lambdavorgabe in der Magerphase auf Werte oberhalb von 1 ,05, vorzugsweise auf werte zwischen 1 ,1 und 1 ,15, zu bestimmen.
Die Beendigung der Magerphase und damit des Warmlaufs, verbunden mit der Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine in einen regulären Betriebsmodus, kann auf verschiedene Weise erfolgen. In der einfachsten Ausführung kann für die für das Erreichen der Anspringtemperatur bei Lambda = 1 durch den Hauptkatalysator erforderliche Zeit ein fester Zeitraum nach Motorstart oder nach Beendigung der Aufheizphase vorgegeben werden. Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, einen kumulierten Wärmestromeintrag in das Katalysatorsystem zu modellieren und die Magerphase zu beenden, wenn eine vorgebbare Wärmestromschwelle überschritten wird. Nach einer weiteren Alternative kann die Temperatur des Hauptkatalysators selbst ermittelt werden und die Magerphase bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelie durch die Hauptkatalysatortemperatur abgebrochen werden. Die Ermittlung der Temperatur des Hauptkatalysators kann entweder mit Hilfe von Temperatursensoren, die vor, im oder nach dem Hauptkatalysator angeordnet sein können, erfolgen oder durch Modellierung anhand von aktuellen Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine, wobei dies ebenfalls mit Unterstützung durch Temperatursensoren erfolgen kann.
Unabhängig davon, nach welchem der vorbeschriebenen Verfahren das Erreichen der Lambda=1 -Anspringtemperatur des Hauptkatalysators erkannt wird, ist besonders vorteilhaft vorgesehen, die Magerphase um eine vorgebbare Zeitspanne vor diesem Erreichen zu beenden. Durch die somit erfolgende Verkürzung der Magerphase wird eine durch den Magerbetrieb verursachte NOx-Emission reduziert.
Eine weitere Verminderung der NOx-Emission kann erreicht werden, indem eine interne oder externe Abgasrückführrate während der Magerphase angehoben wird. Durch diese Maßnahme wird die Verbrennungstemperatur gesenkt und die NOx-Rohemission erniedrigt. In diesem Zusammenhang kann es zweckmäßig sein, Zündzeitpunkt und Stellung von Nockenwelle und gegebenenfalls einer Ladungsbewegungsklappe anzupassen, um Momentenschwankungen zu vermindern und insgesamt eine bessere Laufruhe zu gewährleisten.
Nach einer erfindungsgemäßen Weiterentwicklung des Verfahrens erfolgt zwischen der Aufheizphase und der Magerphase in einer weiteren Phase eine Beaufschlagung des Katalysatorsystems mit einer stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda = 1 so lange, bis der Hauptkatalysator zumindest annähernd seine Anspringtemperatur bei Lambda > 1 erreicht hat. Hierdurch wird eine weitere Verringerung der NOx-Emission erzielt. Alternativ kann sich diese Phase auch unmittelbar dem Motorstart anschließen und somit die Aufheizphase ersetzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter
Abgasanlage; Figur 2 einen zeitlichen Lambdaverlauf und Temperaturverläufe von Vor- und
Hauptkatalysator im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) gemäß einem Verfahren zur Warmlaufsteuerung nach dem Stand der Technik;
Figur 3 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe im NEFZ gemäß einer ersten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Warmlaufsteuerung;
Figur 4 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe gemäß einer zweiten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 5 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe gemäß einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 6 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe gemäß einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 7 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe gemäß einer fünften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 8 zeitliche Temperatur- und Lambdaverläufe gemäß einer sechsten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem nachgeschalteten Abgaskanal 12. Zur Reinigung eines von der Verbrennungskraftmaschine 10 produzierten Abgases beherbergt der Abgaskanal 12 an einer motornahen Position einen kleinvolumigen Vorkatalysator 14 sowie stromab von diesem einen typischerweise in einer Unterbodenposition angeordneten, großvolumigen Hauptkatalysator 16. Beide Katalysatoren 14, 16 können als Oxidations- oder 3-Wege-Katalysatoren ausgestaltet sein. Der Hauptkatalysator 16 kann jedoch auch, insbesondere im Falle einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine 10, ein NOx-Speicherkatalysator sein. Eine Steuerung des Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere eines Luft-Kraftstoff- Verhältnisses Lambda, einer Abgasrückführrate, eines Zündwinkels und gegebenenfalls eines Einspritzwinkels, erfolgt in Abhängigkeit von Signalen verschiedener im Abgaskanal 12 installierter Sensoren. Diese umfassen eine Lambdasonde 18 zur Regelung des Verbrennungslambdas sowie einen Gassensor 20, der als NOx-Sensor oder ebenfalls als Lambdasonde ausgestaltet sein kann und der Überwachung des Hauptkatalysators 16 dient. Stromauf des Hauptkatalysators 16 ist ein Temperatursensor 22 im Abgaskanal 12 angeordnet und dient der Ermittlung der Temperatur des Hauptkatalysators 16. Diese kann jedoch auch durch anderenorts, beispielsweise im Hauptkatalysator 16, angeordnete Temperatursensoren ermittelt oder rechnerisch modelliert werden. Die Sensorsignale sowie ausgewählte Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine finden Eingang in ein Motorsteuergerät 24, welches die Daten verarbeitet und anhand abgespeicherter Algorithmen und Kennfelder die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 vornimmt. Wie bereits eingangs erläutert wurde, erfolgt eine ausreichende Konvertierung von Schadstoffen des Abgases erst, nachdem die Katalysatoren 14, 16 eine katalysatorspezifische Anspringtemperatur erreicht haben.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes herkömmliches Verfahren zur Steuerung des Warmlaufs des Katalysatorsystems 14, 16 stellt Figur 2 dar. Der Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit vFzg entspricht den Vorgaben des Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ. Beginnend nach einem Motorstart bei einer Temperatur von 20 °C wird zunächst während einer Aufheizphase XH ein aktives Katalysatorheizen mittels Spätzündung durchgeführt. Entsprechend einer hierdurch erhöhten Abgastemperatur steigt die Temperatur TVκ des Vorkatalysators 14 zunächst sehr schnell an. Sie erreicht zunächst eine Mager-Anspringtemperatur LOλ ι, die typischerweise bei einer Temperatur von 200 bis 250 °C liegt. Eine zweite Anspringtemperatur bei stöchiometrischer Abgasatmosphäre LOλ=1 beträgt ungefähr 300 °C und wird folglich erst zu einem etwas späteren Zeitpunkt von der Vorkatalysatortemperatur T κ erreicht. Um das frühere Erreichen der Mager- Anspringtemperatur LOλ>ι zu nutzen, wird das Katalysatorsystem 14, 16 während der Aufheizphase XH mit einer leicht mageren Abgasatmosphäre, typischerweise mit einem Lambda von zirka 1 ,05, beaufschlagt. Die Dauer der aktiven Katalysatorheizung durch Spätzündung und der Beaufschlagung des Katalysatorsystems 14, 16 mit der leicht mageren Abgasatmosphäre ist dabei so ausgelegt, dass die Temperatur TVκ des Vorkatalysators 14 die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht. Wenn anschließend die Verbrennungskraftmaschine 10 auf den stöchiometrischen Betriebsmodus mit Lambda = 1 ,00 umgeschaltet wird, hat die Temperatur THχ des Hauptkatalysators 16 weder die Anspringtemperatur LOλ>1 noch LOλ=1 erreicht. Folglich leistet bis zum Anspringen des Hauptkatalysators 16 der Vorkatalysator 14 die gesamte Konvertierungsleistung. Treten in diesem Zeitfenster hohe Motorlasten, insbesondere bei Beschleunigungsfahrten, und hohe Abgasmassenströme auf, wird der Vorkatalysator 14 teilweise überlaufen, so dass Schadstoffdurchbrüche verzeichnet werden.
Um diese Schadstoffdurchbrüche während des Warmlaufs des Katalysatorsystems 14, 16 zu reduzieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Anschluss an die aktive Aufheizphase xH eine Magerphase xM durchzuführen, in der das Katalysatorsystem 14, 16 mit einer leicht mageren Abgasatmosphäre, vorzugsweise mit Lambda = 1 ,01 bis 1 ,03, so lange beaufschlagt wird, bis die Temperatur THκ des Hauptkatalysators 16 zumindest nahezu die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat. In der einfachsten Ausführung des Verfahrens, die in Figur 3 dargestellt ist, wird für die Dauer der Magerphase xM ein Festwert vorgegeben, so dass nach Ablauf dieser Dauer zum Zeitpunkt tE der Warmlauf abgebrochen wird und die Verbrennungskraftmaschine 10 in ihren normalen Betriebsmodus, hier bei Lambda = 1 ,00, umgeschaltet wird. Dabei wird die Dauer der Magerphase χM derart bemessen, dass bei Vorliegen durchschnittlicher Motorlasten nach Start eine Temperatur THκ des Hauptkatalysators 16 zumindest nahe der Lambda=1 -Anspringtemperatur (LOλ=1) erwartet werden kann. Wie an den Temperaturverläufen TVκ, THκ, die mit denen aus Figur 2 gemäß dem Stand der Technik übereinstimmen, erkennbar ist, führt die zusätzliche Magerphase xM zu keiner signifikant abweichenden Abgastemperatur und somit zu keinem veränderten Aufheizverhalten der Katalysatoren 14, 16. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Magerphase τM ist darin zu sehen, dass in dem Zeitfenster, in dem die Hauptkatalysatortemperatur THκ bereits die Mager-Anspringtemperatur LOλ>1, jedoch nicht die Anspringtemperatur unter stöchiometrischen Abgasbedingungen LOλ=1 erreicht hat, bereits eine HC- und CO-Konvertierung am Hauptkatalysator 16 genutzt werden kann. Somit wird in Betriebssituationen, in denen die verhältnismäßig geringe Konvertierungskapazität des Vorkatalysators 14 überlaufen wird, eine deutliche Verringerung der Schadstoffemission erzielt.
Eine genauere Methode zur Ermittlung des Endes der Magerphase xM, die tatsächlich vorliegende Betriebsbedingungen während des Warmlaufs berücksichtigt, zeigt Figur 4. Hier wird auf an sich bekannte Weise ein Wärmestromeintrag W in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, wie Motorlast und Drehzahl, ermittelt. Die Magerphase xM wird beendet, wenn der kumulierte Wärmestromeintrag W eine vorgegebene Wärmestromschwelle Ws überschreitet. Dabei korreliert die Wärmestromschwelle Ws wiederum mit einer sich zumindest nahe an der Anspringtemperatur LOλ=ι befindenden Temperatur THκ des Hauptkatalysators 16. Der Vorteil der in Figur 4 dargestellten Ausführung des Verfahrens besteht in einer flexiblen Anpassung der Dauer der Magerphase xM an die aktuellen Betriebsbedingungen. Wird das Fahrzeug unmittelbar nach Motorstart im Hochlastbetrieb mit hohen Abgastemperaturen und Abgasmassenströmen eingesetzt, wird ein verhältnismäßig rascher Anstieg des Wärmestromeintrags W ermittelt, resultierend in einer verkürzten Dauer der Magerphase τM. Umgekehrt wird sich bei Betrieb des Fahrzeugs im Niedriglastbereich eine relativ lange Warmlaufphase ergeben. Eine weitere, in Figur 5 dargestellte Methode bestimmt den Abbruch der Magerphase xM gemäß einer gemessenen oder modellierten Temperatur THκ des Hauptkatalysators 16. Überschreitet diese eine vorgegebene Temperaturschwelle Ts, die wiederum zumindest nahe der stöchiometrischen Anspringtemperatur LOλ=1 liegt, wird das Umschalten der Verbrennungskraftmaschine 10 in den Lambda=1 -Betrieb ausgelöst. Anstelle der Katalysatortemperaturschwelle Ts kann auch eine Temperaturschwelle für eine Abgastemperatur vorgegeben werden. Die Modellierung der Katalysatortemperatur THκ anhand aktueller Betriebsparameter, in die gegebenenfalls auch mit Hilfe von Temperatursensoren gemessene Abgastemperaturen einfließen können, ist bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Ähnlich der Bestimmung des Warmlaufendes tE anhand des ermittelten Wärmestromeintrags (vgl. Fig. 4) besteht auch hier der Vorteil in der Berücksichtigung tatsächlich vorherrschender Betriebsparameter.
Eine weitere erfindungsgemäße Verfahrensausgestaltung zeigt Figur 6. Hier wird die Magerphase χM nicht unmittelbar nach Beendigung der Aufheizphase xH eingeleitet, sondern nach einer weiteren Phase xs, in der das Katalysatorsystem 14, 16 mit einer stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda = 1 ,00 beaufschlagt wird. Die stöchiometrische Phase χs wird dabei so lange aufrecht erhalten, bis die Hauptkatalysatortemperatur THK eine vorgebbare Schwelle erreicht, die annähernd der Mageranspringtemperatur LOλ>ι entspricht oder vorzugsweise etwas unterhalb dieser liegt. Insbesondere entspricht die Schwelle einer Hauptkatalysatortemperatur THκ von 170 bis 300 °C, vorzugsweise von 220 bis 270 °C. Das Erreichen dieser Temperatur kann entsprechend der vorstehend ausgeführten Verfahren mittels einer fest vorgegebenen Zeitdauer, des ermittelten Wärmestromeintrages oder der gemessenen oder modellierten Hauptkatalysatortemperatur THκ erfasst werden. Bei Überschreiten der Schwelle wird in die Magerphase τM gewechselt, die wiederum gemäß einer der vorstehend beschriebenen Methoden beendet wird. Dieses Verfahren führt insgesamt zu einer Verkürzung der Magerphase xM und trägt somit dem Umstand Rechnung, dass selbst bei lediglich leicht mageren Abgaswerten Stickoxide in einem stöchiometrischen Überschuss entstehen, die katalytisch nicht abgebaut werden können und somit einen gewissen NOx-Durchbruch verursachen. Selbst im Falle eines als NOx-Speicherkatalysator ausgestalteten Hauptkatalysators 16 können diese, am Vorkatalysator nicht konvertierten Stickoxide in dieser Phase nicht eingelagert werden, da die hierfür erforderlichen Katalysatortemperaturen oberhalb von 220 °C weitgehend noch nicht vorliegen. Da nach Beendigung der Aufheizphase xH der Hauptkatalysator 16 noch nicht einmal seine Mager-Anspringtemperatur LOλ>ι erreicht hat und er somit in dieser Phase ohnehin nicht unterstützend bei der HC- und CO-Konvertierung wirken kann, wird die Zeit bis zu seinem Anspringen durch die stöchiometrische Abgasbeaufschlagung, in der kein O2- und NOx-Überschuss vorhanden ist, überbrückt. Gegenüber den vorausgehend beschriebenen Verfahrensvarianten kann somit während der Phase xs die NOx-Emission reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Magerphase xM auf Betriebsphasen mit hohen HC-Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 und/oder hohen Raumgeschwindigkeiten des Abgases beschränkt (Fig. 7). Hierfür kann für die Motorlast und/oder für eine Motordrehzahl eine Schwelle vorgegeben werden, bei deren Unterschreitung die Magerbeaufschlagung während der Magerphase xM unterdrückt wird und die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Verhältnis mit Lambda = 1 betrieben wird. Auf diese Weise wird nur dann auf die Unterstützung des Hauptkatalysators 16 bezüglich der HC- und CO-Konvertierung zurückgegriffen, wenn dies betriebspunktabhängig erforderlich ist. Entsprechend muss auch nur in dieser begrenzten Phase ein geringer NOx-Durchbruch in Kauf genommen werden, woraus sich eine weitere Verminderung der NOx-Emission gegenüber der in Figur 6 dargestellten Ausführung ergibt.
Eine weitere, in Figur 8 gezeigte Ausführung des Verfahrens berücksichtigt ein Problem von NOx-Speicherkatalysatoren, das darin besteht, dass bei nur leicht magerem Abgas, etwa bei Lambda < 1 ,05 und unter bestimmten weiteren Umständen eine Konkurrenz von NOx-Einlagerung und Nitratzerfall ohne anschließende NOx-Konvertierung beobachtet wird. Daher kann vorteilhafterweise speziell für NOx-Speicherkatalysatoren vorgesehen sein, abhängig von der Abgaszusammensetzung, von der Temperatur THK des NOx-Speicherkatalysators des Abgasmassenstroms und/oder der NOx-Rohemission die Lambdavorgabe in der Magerphase xM auf Werte oberhalb von 1 ,05, vorzugsweise auf Lambda = 1 ,1 bis 1 ,15, anzuheben. Damit wird aufgrund des hohen Sauerstoffüberschusses der Nitratzerfall ohne anschließende NOx-Konvertierung zumindest weitgehend unterdrückt.
Zusätzlich kann bei allen beschriebenen Verfahren durch Anhebung der Abgasrückführrate eine weitere Minderung der NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden. Dies kann sowohl durch weitere Öffnung eines AGR-Ventils in einer AGR-Leitung (externer AGR) als auch durch Veränderung von Ventilüberschneidungen von Ein- und Auslassventilen der Zylinder (interne AGR) erreicht werden. Vorzugsweise wird die AGR- Rate um einen Faktor 1,1 bis 2,5, optimal um einen Faktor 1 ,3 bis 1 ,6, gegenüber üblichen homogenen Applikationen (10 bis 30 % AGR-Rate) angehoben.
Zur Vermeidung von Fahrverhaltensproblemen kann die Anhebung der AGR-Rate von einer Laufruhe beziehungsweise einer Laufunruhe der Verbrennungskraftmaschine abhängig gemacht werden. Dazu wird die AGR-Rate während der Magerphase χM schrittweise oder stufenlos so lange angehoben, bis eine vorgebbare maximale Soll-AGR-Rate überschritten wird oder bis eine durch Anhebung der AGR-Rate bedingte Zunahme der Laufunruhe eine vorgebbare Schwelle überschreiet. In diesem Fall kann die AGR-Rate zunächst zurückgenommen werden. Anschließend kann erneut eine Anhebung der AGR-Rate erfolgen, um während der Magerphase xM eine motorindividuelle maximale AGR-Rate fahren zu können. Bei Unterschreiten einer laufunruheabhängigen minimalen AGR-Zunahme kann die Magerbeaufschlagung unterdrückt werden.
Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise und ohne dass ein Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf genommen werden muss, eine Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO während der Warmlaufphase eines Katalysatorsystems reduziert. Die verschiedenen vorteilhaften Ausführungsbeispiele ermöglichen dabei, eine NOx-Mehremission - abgestimmt auf die vorliegende Betriebssituation - zu minimieren. Das Verfahren lässt sich mit sehr geringem Aufwand in übliche Motorsteuerungen integrieren.
B EZU G SZ E I C H E N L I STE
10 Verbrennungskraftmaschine
12 Abgaskanal
14 Vorkataiysator
16 Hauptkatalysator
18 Lambdasonde
20 NOχ-Sensor oder Lambdasonde
22 Temperatursensor
24 Motorsteuergerät
λ Luft-Kraftstoff- Verhältnis Lambda
LOλ=1 Anspringtemperatur bei Lambda = 1
LOλ>1 Anspringtemperatur bei Lambda > 1 t Zeit tE Warmlaufende
Tκat Katalysatortemperatur
TVK Vorkatalysatortemperatur
THK Hauptkatalysatortemperatur H Aufheizphase τiu Magerphase τs stöchiometrische Phase
VFzg Fahrzeuggeschwindigkeit
W kumulierter Wärmestromeintrag
Ws Wärmestromschwelle

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems (14, 16), mindestens bestehend aus einem Vorkatalysator (14) und einem diesem nachgeschalteten Hauptkatalysator (16), wobei
(a) in einer Aufheizphase (XH) ein Katalysatorheizen durch Anhebung einer Abgastemperatur mittels motorischer Maßnahmen bei einer Beaufschlagung des
Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (TVκ) des Vorkatalysators (14) zumindest annähernd eine Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat, und
(b) in einer Magerphase (xM) eine Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (THκ) des Hauptkatalysators (16) zumindest annähernd die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat.
2. Verfahren zur Steuerung eines Warmlaufs eines einer Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems (14, 16), mindestens bestehend aus einem Vorkatalysator (14) und einem diesem nachgeschalteten Hauptkatalysator (16), wobei
(a) in einer Aufheizphase (xH) ein Katalysatorheizen durch Anhebung einer Abgastemperatur mittels motorischer Maßnahmen bei einer Beaufschlagung des
Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (TVκ) des Vorkatalysators (14) zumindest annähernd eine Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=1) erreicht hat,
(b) in einer sich dem Motorstart oder der Aufheizphase (xH) anschließenden Phase (xs) das Katalysatorsystem (14, 16) mit einer stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda = 1 beaufschlagt wird, bis der Hauptkatalysator (16) zumindest annähernd eine Anspringtemperatur bei Lambda > 1 (LOλ>1) erreicht hat, und
(c) in einer Magerphase (xM) eine Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 durchgeführt wird, bis eine Temperatur (THκ) des Hauptkatalysators (16) zumindest annähernd die Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=ι) erreicht hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheiz- und/oder der Magerphase (XH, XM) die Beaufschlagung des Katalysatorsystems
(14, 16) mit einem Lambda von 1 ,005 bis 1 ,2 erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheiz- und/oder der Magerphase (χH, XM) die Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einem Lambda von 1 ,01 bis 1 ,07, insbesondere von 1 ,01 bis 1 ,03, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beendigung der Magerphase (xM) ein fester Zeitraum nach Motorstart oder nach Beendigung der Aufheizphase vorgebbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kumulierter Wärmestromeintrag (W) in das Katalysatorsystem (14, 16) ermittelt wird und die Beendigung der Magerphase (xM) bei Überschreiten einer vorgebbaren Wärmestromschwelle (Ws) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (THκ) des Hauptkatalysators gemessen und/oder anhand von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (10) modelliert wird und die der Magerphase (xM) bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelle (Ts) beendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerphase (xM) um eine vorgebbare Zeitspanne vor Erreichen der Anspringtemperatur bei Lambda = 1 (LOλ=ι) durch den Hauptkatalysator (16) beendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die motorischen Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur in der Aufheizphase (xH) eine Spätzündung und/oder eine Verringerung einer Abgasrückführrate umfassen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Magerphase (xM) die Abgasrückführrate (AGR-Rate) angehoben wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der Magerphase (χ ) die AGR-Rate um einen Faktor 1 ,1 bis 2,5, insbesondere um einen Faktor 1 ,3 bis 1 ,6, angehoben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Anhebung der AGR-Rate in Abhängigkeit von einer Laufruhe oder Laufunruhe des Motors erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer minimalen Schwelle der AGR-Rate während der Magerphase (xM) die Magerphase beendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer vorgebbaren Laufruheschwelle beziehungsweise Überschreiten einer vorgebbaren Laufunruheschwelle die Magerphase (τM) nicht zugelassen oder beendet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Magerphase (xM) die Beaufschlagung des Katalysatorsystems (14, 16) mit einer mageren Abgasatmosphäre unterdrückt wird, wenn eine Motorlast und/oder eine Motordrehzah! eine vorgebbare Schwelle unterschreitet.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkatalysator (16) ein 3-Wege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator ist.
17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase (χs) beendet wird, wenn der Hauptkatalysator (16) eine Temperatur (THκ) von 170 bis 300 °C, insbesondere von 220 bis 270 °C, erreicht hat.
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