WO2007096064A1 - Direkteinspritzende, fremdgezündete verbrennungskraftmaschine mit scr-katalysator - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a direct-injection automotive internal combustion engine, which operates on the Otto principle, and a method for operating this internal combustion engine.
- An improvement in the exhaust gas quality in an internal combustion engine of a motor vehicle requires that the relevant systems are not only operated trouble-free, but that their operation is designed so that no unwanted exhaust gases.
- This relates in particular to a NOx reduction.
- DE 101 50 170 A1 an exhaust gas recirculation results for a spark-ignited gasoline direct-injection gasoline engine with a 3-way catalytic converter as a proposal.
- a gas flow dividing element for exhaust gas recirculation is proposed. The same is known for example from DE 102 40 131 A1. With the exhaust gas recirculation to a temperature reduction is achieved and thus a NOx production can be lowered.
- the object of the present invention is to improve an exhaust system of a direct-injection, spark-ignited internal combustion engine.
- a direct-injection automotive internal combustion engine according to the invention which operates on the Otto principle, has a 3-way catalytic converter and an SCR catalytic converter.
- a device is provided with a stored control or regulation that adapts a supply of a reducing agent for generating ammonia for nitrogen oxide reduction in the SCR catalyst to a load change jump.
- a reducing agent for generating ammonia for nitrogen oxide reduction in the SCR catalyst to a load change jump.
- it may be provided to adapt an offer of an ammonia-containing reducing agent for the reduction of nitrogen oxide to a load change jump.
- the device is designed such that a breakthrough of an ammonia-containing substance and outflow thereof is prevented from an exhaust pipe at a load change from a lean operation in a homogeneous operation.
- the internal combustion engine preferably has the device designed in such a way that an offer of reducing agent is made available when a load jump is coming from a homogeneous operation.
- the device has a model-based pilot control, via which a reducing agent supply can be controlled. For example, this can be coupled with a monitoring.
- a model of the SCR catalyst is deposited with regard to its ammonia storage and desorption capacity in the pilot control. It is also possible to deposit a model of the lambda-dependent NOx raw emissions.
- a NOx sensor can also be used.
- the model can also be connected to or part of a neural network and / or with at least one fuzzy system.
- it may be a self-learning system. For example, this can be adapted to the driving style of different drivers in a vehicle, so that load changes due to acceleration processes and decelerations are individually different predictable.
- the model can be stored in a control unit that uses a neural network, as is apparent from DE 10 2004 030 782. This publication is fully referenced in this regard in the context of the disclosure.
- the device has a first monitoring, which ensures a short-term operation of the internal combustion engine at lambda> 1 at a load jump from a lean operation to a homogeneous operation.
- the device of the internal combustion engine may have a second monitoring, which comes at a load jump from a homogeneous operation, at least between a provision of a short-term oversupply of reducing agent in a load operation at lambda> 1 and one to a storage capacity of the SCR Memory chooses adapted reductant supply.
- the first and the second monitoring are combined in one unit.
- the unit may be, for example, a separate control unit or even a motor control itself.
- the unit is connected to at least one of the following sensors: fuel sensor for determining a fuel composition, lambda sensor, temperature sensor of the SCR catalytic converter, NO x sensor, a sensor for measuring an NH 3 content in the exhaust gas.
- the SCR catalyst may consist of a single catalyst. However, it is possible to arrange two or more different SCR catalysts in a row. For example, a low temperature and a high temperature SCR catalyst may be provided. In this respect, as well as with regard to various SCR systems and their materials, operating modes of SCR systems and ammonia-containing reducing agents, reference is made to DE 699 10 605 T2 in the context of this disclosure.
- a NO x -FaIIe is also mitang sorted in the exhaust line.
- the structure, usable materials, as well as the coupling with an SCR catalyst reference is made to DE 699 16 312 T2 within the scope of the disclosure.
- a method for operating a direct-injection automotive internal combustion engine operated according to the Otto principle in which a three-way catalytic converter and an SCR catalytic converter are used for reducing the exhaust gas. It is determined a load jump and adapted to the nature of the load jump, a reducing agent for the production of ammonia for nitrogen oxide reduction in the SCR catalyst provided. In particular, it is also possible to make available an ammonia-containing reducing agent adapted.
- an engine control system controls the internal combustion engine as a function of the load jump and of the reducing agent requirement.
- the transition from lean to homogeneous operation of a direct-injection gasoline internal combustion engine with 3-way and SCR catalyst is designed, for example, by a model-based pilot control so that first the reducing agent supply is interrupted and then the air ratio is maintained at a value> 1, until the ammonia stored on the SCR catalyst has been converted at least approximately completely by reduction of the nitrogen oxides. In this way, an unwanted ammonia breakthrough is avoided.
- the 3-way catalytic converter is preferably arranged upstream of the SCR catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas. According to a further development, switching to homogeneous operation takes place only after the complete conversion of the stored ammonia when the load is increased, so that the nitrogen oxides in the 3-way catalyst are reduced.
- a further embodiment provides that in the case of the return from the homogeneous to the thrust or lean operation, the reducing agent supply is adjusted so that a sufficient supply of ammonia for reducing the nitrogen oxides in the SCR catalyst is available in good time.
- the reducing agent supply is adjusted so that a sufficient supply of ammonia for reducing the nitrogen oxides in the SCR catalyst is available in good time.
- a specific temperature and a specific water content should be present behind an injection.
- the temperature as well as the water content can be determined, for example, and included in a control or regulation.
- Such an operation is preferably provided with an arrangement of the 3-way catalyst before as well as after the SCR catalyst.
- the method provides according to a development, which is ensured in the case of laser reduction by a brief overdose of reducing agent that the ammonia storage is replenished.
- an ammonia-containing substance in particular ammonia itself
- a product into the exhaust gas line, from which, in conjunction with hot exhaust gas, an ammonia-containing substance, in particular ammonia itself, is formed.
- an ammonia-containing substance in particular ammonia itself
- a urea-water solution or an ammonium salt can be used for this purpose.
- the ammonia-containing or -forming starting material can be provided in powder form, as a pellet, gaseous as well as liquid.
- the ammonia reduces the nitrogen oxides in the SCR catalyst to form nitrogen and water vapor. At low temperatures, depending on the type of SCR catalyst, a portion of the ammonia is stored in the SCR catalyst. In homogeneous operation, the nitrogen oxides are not reduced in the SCR catalyst, but in the 3-way catalyst.
- an exhaust system with a 3-way catalyst and an SCR catalyst as well as the reducing agent injection located in front of it are provided.
- an additional hydrolysis catalyst can be used.
- the 3-way catalyst is placed before the SCR system to minimize the potentially harmful HC emissions of the engine to the SCR catalyst. It is also possible to arrange the 3-way catalyst behind the SCR catalyst.
- the nitrogen oxides are reduced in a known manner by an ammonia-forming reducing agent in the SCR catalyst.
- Gaseous ammonia can be used as the reducing agent.
- Alternative materials may also be used, e.g. Urea-water solution, solid urea, ammonium carbamate, which are passed through an intermediate step, e.g. a hydrolysis or a thermolysis, form ammonia.
- the engine produces particularly high NOx raw emissions at this air ratio, and on the other hand, the nitrogen oxides can not already be reduced in the 3-way catalytic converter due to the excess of oxygen.
- Another embodiment results in the arrangement of the SCR catalyst before the 3-way catalyst.
- the nitrogen oxides are reduced in lean operation with activated reducing agent supply in the SCR catalyst.
- the load is reduced, but it continues to load operation, this time with lambda> 1 instead.
- nitrogen oxides are passed directly to the SCR catalyst, whose ammonia storage is emptied.
- the reducing agent to replenish the ammonia storage of the SCR catalyst to a certain extent and at the same time to provide enough ammonia for NOx reduction available.
- modeling is preferably used, in particular a modeling of the catalyst behavior with regard to the ammonia storage or desorption capacity on the one hand, and the lambda-dependent NO x raw emission level on the other hand.
- the engine control how much ammonia is still stored on the SCR catalyst during the load step and how long the engine has to be kept in the transition region between lean and homogeneous operation in order to completely decompose the stored ammonia via the NOx reduction or how much reductant must be added again during the return in thrust or homogeneous operation, in order to be able to reduce enough nitrogen oxides in time.
- Exhaust gas recirculation can be effected, for example, by means of an internal exhaust gas recirculation by a valve overlap in the intake and exhaust valve and / or by an exhaust gas recirculation via an EGR valve.
- the exhaust gas recirculation is preferably triggered by the engine control, which in this case can incorporate a load jump.
- 1 shows a first arrangement of an internal combustion engine with downstream exhaust gas line
- 2 shows a second embodiment of an internal combustion engine with a downstream exhaust gas line
- FIG. 3 shows a representation of a behavior of an SCR catalyst over the temperature
- FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a possible inflow of reducing agent to prevent a breakdown of ammonia.
- Fig. 1 shows a direct-injection internal combustion engine 1, which operates on the Otto principle.
- a four-cylinder engine is shown.
- other cylinder numbers such as a 2-cylinder, 6-cylinder or 8-cylinder can be used.
- the cylinders may be in series as well as V-engines or in any other arrangement.
- Each cylinder is associated with at least one inlet and one outlet valve.
- Preferably, at least four or five valves are arranged on each cylinder.
- an internal exhaust gas recirculation in the system can be made possible.
- the valves in turn can be changed via a valve control 6 in its stroke or in the Hub Trustdale.
- the EGR valve 2 as well as the valve controller 6 are connected to a motor controller 7. This is able to provide a control or regulation for respective connected components or additional control devices.
- a bus system for signal transmission may be present.
- the exhaust gas 3 flows into a 3-way catalyst 8.
- a sensor 9 may be provided in each case. At least one of the sensors 9 is a lambda probe.
- the 3-way catalyst 8 below a supply 10 for a reducing agent 11 is arranged.
- a control valve 12 is arranged in the feeder 10, a control valve 12 is arranged.
- the control valve 12 is connected to a monitor 13, for example.
- control valve 12 may also be additionally or instead connected to the engine control 7.
- the monitoring is, for example, a control unit provided separately from the engine control unit 7. This receives, for example, from the engine control 7, a signal indicating a special load jump.
- the monitoring 13 is due to an evaluation able to actuate the control valve 12 based on the notified load jump so that either the ammonia-containing reducing agent is released early.
- the monitoring can be associated, for example, with one or more sensors with respect to an operating state of the SCR catalytic converter 14.
- Such a second sensor 15 may be, for example, a temperature sensor.
- the monitoring 13 has a model-based control or regulation of the supply of the reduction by means of. This is done in particular in conjunction with the engine control 7.
- the monitoring device 13 receives the necessary signals in order to enable a model-based evaluation, on the one hand, of the necessary reducing agent and, on the other hand, with regard to the behavior of the SCR catalytic converter 14 to the current operating state.
- a feedback circuit for monitoring 13 is provided.
- an actual state for example of the SCR catalytic converter 14, can be incorporated into the model.
- a NOx sensor 17 may be arranged downstream of the SCR catalytic converter 14. This is able to absorb the actual NO x content and thus to be able to ensure additional safety with respect to the operating behavior of the exhaust system by evaluating the monitoring 13 and / or the engine control 7.
- FIG. 2 shows a further embodiment in which the internal combustion engine 1 is in turn connected to an exhaust system 4.
- the reductant feed 10 directly follows the lambda probe 16 followed by the SCR catalyst 14. Only then is the 3-way catalyst 8 flows through the exhaust gas 3.
- Such an arrangement has the advantage that the risk of an ammonia breakthrough compared to that of FIG. 1 is lower.
- Fig. 3 shows a schematic view of the storage capacity of an SCR catalyst with respect to an ammonia-containing reducing agent as a function of a temperature of the SCR catalyst. It can be seen from the schematic illustration that a higher storage capacity is present at a lower temperature than at a higher temperature. In particular, the storage capacity approximately increases with increasing temperature linear and approaches after exceeding a temperature T s asymtotically a no longer available storage capacity. Taking this into account, the model preferably has a corresponding consideration of the temperature behavior of the respective SCR catalytic converter.
- the model of the SCR catalyst can be designed as described in SAE paper 2004-01-0153 entitled "Control-Oriented Model of an SCR Catalytic Converter System" by Schr et al. evident. Preferably, such a model is also used in a feedback control and / or forward control. The content of this paper is hereby incorporated by reference in this disclosure in its entirety.
- FIG. 4 shows in a schematic view, for example, a possible course of a reducing agent metering during a load change with respect to a course of lambda in the case of an arrangement of a 3-way catalytic converter upstream of the SCR catalytic converter, as is apparent from FIG. 1 by way of example.
- the internal combustion engine is first operated at low load.
- Lambda is set here in the lean range. Due to, for example, an acceleration process, a load jump is required. This is represented by the requirement "high load”.
- the supply of the ammonia-containing reducing agent is preferably completely interrupted, or at least largely reduced.
- a further embodiment may provide that the supply of the reducing agent is not completely interrupted, but only gradually decreases.
- Fig. 4 also shows the reverse operation.
- the internal combustion engine is driven at high load and undergoes a load jump into a pushing operation or a lean operation.
- a load jump into a pushing operation or a lean operation.
- the system is able to enrich an enrichment of the reducing agent as a reserve in the SCR catalyst by immediate supply of reducing agent, so that there is sufficient reducing agent available for NO x conversion after reaching a stable load condition. Is a sufficient stock the SCR catalyst is carried out with ammonia-containing reducing agent, the supply of reducing agent may drop again.
- the curves shown in Fig. 4 are each shown only schematically. They may run this way, but may include other curved transitions, as well as vibrations, smaller plateaus, or the like, as well as convergent patterns of behavior.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, mit einem 3-Wege-Katalysator und mit einem SCR-Katalysator, wobei eine Einrichtung mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen ist, die ein Angebot an einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxid an einen Lastwechselsprung anpasst. Auch wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit welchem eine Anpassung eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels bei einem Lastwechselsprung ermöglicht wird.
Description
Direkteinspritzende, fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit SCR-
Katalysator
Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Verbrennungskraftmaschine.
Eine Verbesserung der Abgasqualität bei einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs setzt voraus, dass die diesbezüglichen Systeme nicht nur störungsfrei betrieben werden, sondern dass auch deren Betrieb so ausgelegt ist, dass keine unerwünschten Abgase entstehen. Dieses betrifft insbesondere eine NOx-Reduktion. Aus der DE 101 50 170 A1 geht für einen fremdgezündeten Benzin-Direkteinspritz-Ottomotor mit einem 3- Wege-Katalysator als Vorschlag eine Abgasrückführung hervor. Dort wird ein spezielles, eine Gasströmung aufteilendes Element zur Abgasrückführung vorgeschlagen. Entsprechendes ist beispielsweise auch aus der DE 102 40 131 A1 bekannt. Mit der Abgasrückführung soll eine Temperaturabsenkung erzielt und damit eine NOx-Produktion abgesenkt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgassystem einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, weist einen 3-Wege-Katalysator und einen SCR- Katalysator auf. Eine Einrichtung ist mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen, die ein Angebot an einem Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung anpasst. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, ein Angebot an einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxid an einen Lastwechselsprung anzupassen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass ein Durchschlagen eines ammoniakhaltigen Stoffes und Ausströmen desselben
aus einer Abgasleitung bei einem Lastwechsel aus einem Magerbetrieb in einen homogenen Betrieb verhindert ist. Vorzugsweise weist die Verbrennungskraftmaschine die Einrichtung derart ausgelegt auf, dass bei einem Lastsprung aus einem Homogenbetrieb kommend ein Angebot an Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung gestellt wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Einrichtung eine modellbasierte Vorsteuerung aufweist, über die eine Reduktionsmittelzufuhr steuerbar ist. Beispielsweise kann diese mit einer Überwachung gekoppelt sein. Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Modell des SCR-Katalysators hinsichtlich seiner Ammoniakspeicher- und Desorptionsfähigkeit in der Vorsteuerung hinterlegt. Auch besteht die Möglichkeit, ein Modell der lambdaabhängigen NOx-Rohemissionen zu hinterlegen. Alternativ kann auch ein NOx-Sensor verwendet werden. Vorzugsweise kann das Modell auch in einem neuronalen Netz und/oder mit zumindest einem Fuzzy-System verbunden bzw. Bestandteil davon sein. Insbesondere kann es sich um ein selbstlernendes System handeln. Beispielsweise kann dieses an die Fahr- weise unterschiedlicher Fahrer in einem Fahrzeug angepasst werden, so dass Lastwechsel aufgrund von Beschleunigungsvorgängen und Abbremsungen individuell unterschiedlich vorhersagbar werden. Beispielsweise kann das Modell in einem Steuergerät hinterlegt sein, dass ein neuronales Netz nutzt, wie es aus der DE 10 2004 030 782 hervorgeht. Auf diese Druckschrift wird diesbezüglich im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich verwie- sen.
Vorzugsweise weist die Einrichtung eine erste Überwachung auf, die bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicherstellt. Zusätzlich oder an Stelle der ersten Überwachung kann die Einrichtung der Verbrennungskraftmaschine eine zweite Überwachung aufweisen, die bei einem Lastsprung von einem Homogenbetrieb kommend, zumindest zwischen einer Bereitstellung eines kurzfristigen Überangebots an Reduktionsmittel bei einem Lastbetrieb bei Lambda >1 und einem an eine Speicherfähigkeit des SCR-Speichers angepasste Reduktionsmittelzufuhr auswählt. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die erste und die zweite Überwachung in einer Einheit zusammengefasst sind. Die Einheit kann beispielsweise ein getrennt vorliegendes Steuergerät oder auch eine Motorsteuerung selbst sein. Die Einheit ist gemäß einer Weiterbildung zumindest mit einem der folgenden Sensoren verbunden: Kraftstoff-Sensor zur Feststellung einer Kraftstoffzusammensetzung, Lambda-Sensor, Temperatursensor des SCR-Katalysators, NOx- Sensor, einen Sensor zur Messung eines NH3 -Gehaltes im Abgas.
Der SCR-Katalysator kann aus einem einzelnen Katalysator bestehen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, auch zwei oder mehr verschiedene SCR-Katalysatoren hintereinander anzuordnen. Beispielsweise kann ein Niedertemperatur- und ein Hochtemperatur-SCR- Katalysator vorgesehen werden. Diesbezüglich wie auch hinsichtlich verschiedener SCR- Systeme und deren Materialien, Betriebsweisen von SCR-Systemen sowie ammoniakhal- tiger Reduktionsmittel wird auf die DE 699 10 605 T2 im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine NOx-FaIIe eben- falls im Abgasstrang mitangeordnet wird. Hinsichtlich der Anordnung, des Aufbaus, verwendbarer Materialien, wie auch der Kopplung mit einem SCR-Katalysator wird auf die DE 699 16 312 T2 im Rahmen der Offenbarung verwiesen.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto- Prinzip betrieben wird, zur Verfügung gestellt, bei der zur Abgasreduzierung ein 3-Wege- Katalysator und ein SCR-Katalysator eingesetzt werden. Es wird ein Lastsprung ermittelt und an die Art des Lastsprunges angepasst ein Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator zur Verfügung gestellt. Insbe- sondere besteht auch die Möglichkeit, eine ammoniakhaltiges Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung zu stellen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Motorsteuerung in Abhängigkeit vom Lastsprung und vom Reduktionsmittelbedarf die Verbrennungskraftmaschine ansteuert. Vorzugswei- se wird bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb die Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich mit Lambda > 1 betrieben, bevor eine Lambda = 1 - Reglung eingestellt wird.
Der Übergang vom mageren in den homogenen Betrieb einer direkteinspritzenden Otto- Verbrennungskraftmaschine mit 3-Wege- und SCR-Katalysator wird beispielsweise durch eine modellbasierte Vorsteuerung so gestaltet, dass zunächst die Reduktionsmittelzufuhr unterbrochen wird und anschließend das Luftverhältnis solange auf einem Wert > 1 gehalten wird, bis das auf dem SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak zumindest annähernd vollständig durch Reduktion der Stickoxide umgesetzt wurde. Auf diese Weise wird ein ungewollter Ammoniakdurchbruch vermieden. Hierzu wird vorzugsweise der 3-Wege- Katalysator vor dem SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung wird erst nach dem vollständigen Umsatz des eingespeicherten Ammoniaks bei Lasterhöhung in den homogenen Betrieb umgeschaltet, so dass die Stickoxide im 3-Wege-Katalysator reduziert werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Falle des Rücksprungs vom homogenen in den Schub- oder Magerbetrieb die Reduktionsmittelzufuhr so eingestellt wird, dass rechtzeitig ein ausreichendes Angebot an Ammoniak zur Reduktion der Stickoxide im SCR- Katalysator zur Verfügung steht. Beim Sprung in den Schubbetrieb wird vorzugsweise berücksichtigt, dass je nach verwendetem Reduktionsmittel für die Ammoniakbildung eine spezielle Temperatur und ein spezieller Wassergehalt hinter einer Eindüsung vorliegen sollten. Die Temperatur wie auch der Wassergehalt können beispielsweise ermittelt und in eine Steuerung oder Regelung mit eingehen. Eine derartige Betriebsweise wird vorzugsweise bei einer Anordnung des 3-Wege-Katalysators vor wie auch nach dem SCR- Katalysators zur Verfügung gestellt.
Das Verfahren sieht gemäß einer Weiterbildung vor, das bei Lasterniedrigung durch eine kurzzeitige Überdosierung an Reduktionsmittel dafür gesorgt wird, dass der Ammoniakspeicher wieder aufgefüllt wird.
Bei einer Ausgestaltung der direkteinspritzenden Otto-Verbrennungskraftmaschine wird bei einer Lasterhöhung vom mageren Betrieb in den homogenen Betrieb (Lambda=1) entsprechend umgeschaltet. Es wird jedoch zumindest ein Zwischenschritt zusätzlich vollzogen, in dem Lambda > 1 seitens der Motorsteuerung eingestellt wird. Ein möglicher Betriebsablauf sieht dann wie folgt aus: Im Magerbetrieb wird über eine Eindüsung Am- moniak in einen Abgastrakt eingeleitet, welches aus unterschiedlichen Reduktionsmitteln, z.B. Harnstoff-Wasser-Lösung, Festharnstoff, Ammoniumcarbamat, aus Feststoff oder aus flüssigen Stoffen, beispielweise katalytisch oder thermisch gebildet, oder direkt aus einer Gasflasche entnommen wird. Auch besteht die Möglichkeit, ein Produkt in den Abgasstrang einzuführen, aus dem in Verbindung mit heißem Abgas ein ammoniakhaltiger Stoff, insbesondere Ammoniak selbst gebildet wird. Beispielswiese kann eine Harnstoff- Wasserlösung oder auch ein Ammoniumsalz hierfür eingesetzt werden. Der ammoniakenthaltende oder -bildende Ausgangsstoff kann in Pulverform, als Pellet, gasförmig wie auch flüssig zur Verfügung gestellt werden. Das Ammoniak reduziert im SCR-Katalysator die Stickoxide unter Bildung von Stickstoff und Wasserdampf. Bei niedrigen Temperaturen wird abhängig vom Typ des SCR-Katalysators ein Anteil des Ammoniaks im SCR- Katalysator eingespeichert. Im homogenen Betrieb werden die Stickoxide nicht im SCR- Katalysator, sondern im 3-Wege-Katalysator reduziert. Das bis zu diesem Zeitpunkt im
SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak kann daher nicht über eine NOx- Reduktionsreaktion verbraucht werden und würde aufgrund der bei hohen Katalysatortemperaturen deutlich reduzierten Ammoniakspeicherfähigkeit unmittelbar nach dem Lastsprung in die Umgebung abgegeben werden. Ein solcher Ammoniakdurchbruch ist jedoch zu vermeiden, da er zu Geruchsbelästigung und bei hohen Konzentrationen sogar zu Gesundheitsschäden führen kann. Die Vermeidung erfolgt beispielsweise durch ein Fahren im Homogenbetrieb bei Lambda > 1.
Beim Rücksprung in den Magerbetrieb wird ebenfalls dafür gesorgt, dass das Motorma- nagement so eingestellt wird, dass sofort ein ausreichendes Angebot an Ammoniak im SCR-Katalysator zur Verfügung steht, um die nun vorhandenen Stickoxide unmittelbar reduzieren zu können.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung wird nachfolgend beschrieben: Zur Nachbehandlung des Abgases wird beispielsweise ein Abgassystem mit einem 3-Wege-Katalysator und einem SCR-Katalysator sowie der vor diesem befindlichen Reduktionsmitteleindüsung vorgesehen. Je nach verwendetem Reduktionsmittel kann ein zusätzlicher Hydrolysekatalysator eingesetzt werden. Vorzugsweise wird der 3-Wege-Katalysator vor dem SCR- System angeordnet, um die für den SCR-Katalysator unter Umständen schädlichen HC- Emissionen des Motors zu minimieren. Es ist darüber hinaus auch die Anordnung des 3- Wege-Katalysators hinter dem SCR-Katalysators möglich.
Im Magerbetrieb werden die Stickoxide in bekannter Weise durch ein Ammoniak bildendes Reduktionsmittel im SCR-Katalysator reduziert. Als Reduktionsmittel kann gasförmi- ges Ammoniak verwendet werden. Es können auch alternative Stoffe eingesetzt werden, z.B. Hamstoff-Wasser-Lösung, Festharnstoff, Ammoniumcarbamat, die über einen Zwischenschritt, z.B. einer Hydrolyse oder einer Thermolyse, Ammoniak bilden. Bei höheren Lasten wird die Verbrennungskraftmaschine mit Lambda = 1 betrieben, so dass die Stickoxide nahezu vollständig im 3-Wege-Katalysator umgesetzt werden. In diesem Fall wird eine Reduktionsmittelzufuhr unterbrochen.
Um eine Gefahr des Ammoniakdurchbruchs beim Umschalten vom Mager- in den Homogenbetrieb für die Anordnung mit SCR-Katalysator hinter dem 3-Wege-Katalysator zu vermeiden, wird vorgeschlagen, unmittelbar bei Erkennung einer Lasterhöhung, die zum Umschalten in den Homogenbetrieb führt, die Reduktionsmittelzufuhr zu unterbrechen. Gleichzeitig befindet sich im SCR-Katalysator eine Restmenge an eingespeichertem Ammoniak. Dieses ist durch ein ausreichendes Angebot an Stickoxiden zu verbrauchen, um
einen Ammoniakdurchbruch zu unterbinden. Um die benötigten Stickoxide vor dem SCR- Katalysator darzustellen, wird das Luftverhältnis des Motors nach dem Lastsprung nicht unmittelbar auf 1 eingestellt, sondern zunächst auf einen höheren Wert, z.B. Lambda=1.1. Bei diesem Luftverhältnis produziert der Motor zum einen besonders hohe NOx- Rohemissionen, zum andere können die Stickoxide aufgrund des Sauerstoffüberschusses nicht bereits im 3-Wege-Katalysator reduziert werden. Außerdem steigt die Temperatur des Abgases langsamer an als beim unmittelbaren Sprung auf Lambda=1 , so dass dieses einer schnellen Desorption des gespeicherten Ammoniaks zusätzlich entgegen wirkt.
Eine andere Ausgestaltung ergibt sich bei der Anordnung des SCR-Katalysators vor dem 3-Wege-Katalysators. Dabei werden die Stickoxide im Magerbetrieb mit aktivierter Reduktionsmittelzufuhr im SCR-Katalysator reduziert.
Bei einer Umschaltung vom Mager- in den Homogenbetrieb ist eine kurzzeitige Regelung des Luftverhältnisses auf werte > 1 für diese Anordnung nicht unbedingt erforderlich, da die Stickoxide hier zuerst mit dem auf dem SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniak reagieren, bis dieses verbraucht ist. Ein Ammoniakdurchbruch tritt hier bei direkter Umschaltung auf Lambda = 1 bei entsprechender Auslegung der Systeme nicht zwangsläufig auf.
Dagegen ist bei beiden Varianten bei einer Lasterniedrigung, die zum Rücksprung vom homogenen in den mageren Betrieb führt, vorgesehen, dass die nun auf den SCR- Katalysator treffenden Stickoxide ohne Verzögerung reduziert werden können. Dazu sind zwei Fälle zu unterscheiden. Zum einen kann es zu einem Sprung in den Schubbetrieb kommen. In diesem Fall werden keine Stickoxide produziert und die Temperatur des SCR-Katalysators wird schnell zurückgehen. Dadurch nimmt die Speicherfähigkeit für Ammoniak zu. Um beim Einsetzen des Lastbetriebs sofort eine SCR-Aktivität zu erreichen, ist vorzugsweise eine gewisse Menge Ammoniak auf dem SCR-Katalysator einzuspeichern. Dazu wird bereits während des Schubbetriebs kurzzeitig die Reduktions- mittelzufuhr aktiviert. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass je nach verwendetem Reduktionsmittel eine ausreichende Temperatur für die Thermolyse und eine ausreichende Wasserkonzentration für die Hydrolyse vorliegen sollte.
Im zweiten Fall wird die Last erniedrigt, aber es findet weiterhin Lastbetrieb, diesmal mit Lambda > 1 statt. Dadurch werden unmittelbar Stickoxide zum SCR-Katalysator geleitet, dessen Ammoniakspeicher geleert ist. Um nun sofort eine ausreichende SCR-Aktivität zu realisieren, wird, vorzugsweise abhängig von der Temperatur des SCR-Katalysators,
kurzzeitig das Reduktionsmittel überdosiert, um den Ammoniakspeicher des SCR- Katalysators zu einem gewissen Grade aufzufüllen und zugleich genug Ammoniak zur NOx-Reduktion zur Verfügung zu stellen.
Wird eine Vorsteuerung eingesetzt, um geringe Reaktionszeiten zu ermöglichen, wird bevorzugt eine Modellierung genutzt, insbesondere eine Modellierung einerseits des Katalysatorverhaltens bezüglich der Ammoniakspeicher- bzw. Desorptionsfähigkeit und andererseits des lambda-abhängigen NOx-Rohemissionsniveaus. Auf diese Weise kann von der Motorsteuerung kalkuliert werden, wie viel Ammoniak beim Lastsprung noch auf dem SCR-Katalysator gespeichert ist und wie lange der Motor im Übergangsbereich zwischen Mager- und Homogenbetrieb gehalten werden muss, um das gespeicherte Ammoniak vollständig über die NOx-Reduktion abzubauen bzw. wie viel Reduktionsmittel beim Rücksprung in Schub- oder Homogenbetrieb wieder zudosiert werden muss, um rechtzeitig genügend Stickoxide reduzieren zu können.
Ebenfalls ist es möglich, dass bei einem vorhandenem Ammoniak- oder NOx-Sensor auch eine geregelte Vorsteuerung der Ammoniakzugabe und des Lambdawertes vorgenommen werden, sofern die Regelstrecke ausreichend schnell reagiert.
Eine zusätzliche Unterstützung kann die Abgasstrategie durch weitere Maßnahmen wie beispielsweise einer Abgasrückführung erhalten. Die Abgasrückführung kann beispielweise mittels einer inneren Abgasrückführung durch eine Ventilüberschneidung bei Einlassund Auslassventil und/oder durch eine Abgasrückführung über ein AGR-Ventil gesteuert erfolgen. Die Abgasrückführung wird vorzugsweise durch die Motorsteuerung ausgelöst, wobei diese hierbei einen Lastsprung miteinfließen lässt. Hinsichtlich verschiedener Ausgestaltungen einer Abgasrückführung wird auf die DE 102 40 131 A1 und auf die DE 101 50 170 A1 verwiesen, die diesbezüglich vollumfänglich mitaufgenommen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung sind aus den nachfolgenden Zeichnungen zu entnehmen. Diese sind jedoch nicht beschränkend sondern nur als beispielhafte Ausgestaltungen zu verstehen. Die dort jeweils dargestellten wie auch beschriebenen Merkmale sind mit denjenigen der obigen Beschreibung wie auch mit denjenigen anderer Zeichnungen zu Weiterbildungen verknüpfbar. Es zeigen:
Fig. 1 : eine erste Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeordne- tem Abgasstrang,
Fig. 2: eine zweite Ausgestaltung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachge- ordnetem Abgasstrang,
Fig.3: eine Darstellung eines Verhaltens eines SCR-Katalysators über der Temperatur, und Fig. 4: eine beispielhafte Ausgestaltung eines möglichen Zuflusses an Reduktionsmittel zur Verhinderung eines Durchschlags an Ammoniak.
Fig. 1 zeigt eine direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine 1 , die nach dem Otto- Prinzip arbeitet. Hierbei ist eine Vierzylindermaschine dargestellt. Es können jedoch auch andere Zylinderzahlen, beispielsweise ein 2-Zylinder, 6-Zylinder oder 8-Zylinder eingesetzt werden. Die Zylinder können in Reihe wie auch als V-Motor oder in sonstiger Anordnung vorhanden sein. Jedem Zylinder sind zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil zugeordnet. Vorzugsweise sind zumindest vier bzw. 5 Ventile an jedem Zylinder angeordnet. Darüber kann beispielsweise eine interne Abgasrückführung in dem System ermög- licht werden. Auch besteht die Möglichkeit, beispielsweise über eine AGR-Ventil 2 einen Teil des Abgasstromes 3 nicht in das Abgassystem 4, sondern in eine Bypass-Leitung 5 überströmen zu lassen. Die Ventile wiederum können über eine Ventilsteuerung 6 in ihrem Hubverlauf bzw. in den Hubsteuerzeiten verändert werden. Das AGR-Ventil 2 wie auch die Ventilsteuerung 6 sind mit einer Motorsteuerung 7 verbunden. Diese ist in der Lage, eine Regelung bzw. Steuerung für jeweilige angeschlossene Bauteile bzw. zusätzliche Steuergeräte vorzusehen. Hierzu kann beispielsweise ein Bussystem zur Signalübertragung vorhanden sein. Das Abgas 3 strömt in einen 3-Wege-Katalysator 8. Vor, im und/oder nach dem 3-Wege-Katalysator 4 kann jeweils ein Sensor 9 vorgesehen sein. Zumindest einer der Sensoren 9 ist eine Lambda-Sonde. Dem 3-Wege-Katalysator 8 nachfolgend ist eine Zuführung 10 für ein Reduktionsmittel 11 angeordnet. In der Zuführung 10 ist ein Steuerventil 12 angeordnet. Das Steuerventil 12 ist beispielsweise mit einer Überwachung 13 verbunden. Das Steuerventil 12 kann jedoch auch zusätzlich oder stattdessen mit der Motorsteuerung 7 verbunden sein. Die Überwachung ist beispielsweise ein getrennt von der Motorsteuerung 7 vorgesehenes Steuergerät. Diese erhält bei- spielsweise von der Motorsteuerung 7 ein Signal, aus dem ein spezieller Lastsprung hervorgeht. Die Überwachung 13 ist aufgrund einer Auswertung in der Lage, auf Basis des mitgeteilten Lastsprunges das Steuerventil 12 so zu betätigen, dass entweder frühzeitig das ammoniakhaltige Reduktionsmittel freigegeben wird. Die Überwachung kann hierfür beispielsweise mit einem oder mehreren Sensoren bezüglich eines Betriebszustandes des SCR-Katalysators 14 in Verbindung stehen. Ein derartiger zweiter Sensor 15 kann beispielsweise ein Temperatursensor sein. Die Überwachung 13 weist gemäß einer Weiterbildung eine modellbasierte Steuerung bzw. Regelung der Zuführung des Reduktions-
mittels auf. Dieses erfolgt insbesondere im Zusammenspiel mit der Motorsteuerung 7. Wird beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine 1 im Magerbetrieb bei Teillast gefahren und kommt ein plötzlicher Lastsprung, beispielsweise bei einem Überholvorgang, so weist die Motorsteuerung 7 eine Reaktion bei einem bestimmten Zustand des SCR- Katalysators in Abhängigkeit von der Höhe des Lastsprunges auf, so dass anstelle einer Lambda = 1- Regelung eine Lambda> 1 -Regelung kurzzeitig an der Verbrennungskraftmaschine 1 eingestellt wird. Gleichzeitig erhält die Überwachung 13 die notwendigen Signale, um eine modellbasierte Auswertung hinsichtlich einerseits des notwendigen Reduktionsmittels und andererseits hinsichtlich des Verhaltens des SCR-Katalysators 14 zum momentanen Betriebszustand zu ermöglichen. Vorzugsweise ist eine Feedback- Schaltung zur Überwachung 13 vorgesehen. Mittels dieser kann in das Modell ein Ist- Zustand, beispielsweise des SCR-Katalysators 14 einfließen. Die Überwachung 13 erteilt nach Erreichen einer vorgebbaren Anreicherung des Reduktionsmittels 11 im SCR- Katalysator 14 die Anweisung, dass die Motorsteuerung 7 wieder in Homogenbetrieb, d.h. in eine Regelung von Lambda = 1 zurückkehren kann. Vorzugsweise ist dem SCR-
Katalysator 14 eine Lambda-Sonde 16 vorgeordnet. Dem SCR-Katalysator 14 kann beispielsweise ein NOx-Sensor 17 nachgeordnet sein. Dieser ist in der Lage, den tatsächlichen NOx-Gehalt aufzunehmen und damit eine zusätzliche Sicherheit bezüglich des Betriebsverhaltens des Abgasstranges durch Auswertung der Überwachung 13 und/oder der Motorsteuerung 7 gewährleisten zu können.
Im Folgenden werden gleiche oder gleichartige Elemente mit gleichem Bezugszeichen versehen:
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Verbrennungskraftmaschine 1 wiederum mit einem Abgassystem 4 verbunden ist. Dabei ergibt sich gegenüber dem Aufbau aus Fig. 1 eine andere Anordnung der einzelnen Elemente. Der Zuführung 10 für das Reduktionsmittel folgt direkt die Lambda-Sonde 16, welcher der SCR-Katalysator 14 folgt. Erst danach wird der 3-Wege-Katalysator 8 durch das Abgas 3 durchströmt. Eine derarti- ge Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Gefahr eines Ammoniakdurchbruches gegenüber derjenigen Anordnung aus Fig.1 geringer ist.
Fig. 3 zeigt in schematischer Ansicht die Speicherfähigkeit eines SCR-Katalysators hinsichtlich eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einer Temperatur des SCR-Katalysators. Der schematischen Darstellung ist entnehmbar, dass bei einer niedrigen Temperatur eine höhere Speicherfähigkeit vorliegt als bei einer höheren Temperatur. Insbesondere nimmt die Speicherfähigkeit mit ansteigender Temperatur annähernd
linear ab und nähert sich nach Überschreiten einer Temperatur Ts asymtotisch einer nicht mehr vorhandenen Speicherfähigkeit. Diesem Rechnung tragend, weist vorzugsweise das Modell eine entsprechende Berücksichtigung des Temperaturverhaltens des jeweiligen SCR-Katalysators auf. Insbesondere kann das Modell des SCR-Katalysators so ausges- taltet werden, wie es aus dem SAE-Paper 2004-01-0153 mit dem Titel "Control-Oriented Model of an SCR Catalytic Converter System" von Schär et al. hervorgeht. Vorzugsweise wird ein derartiges Modell auch in einer Feedback-Regelung und/oder Forward-Regelung eingesetzt. Auf den Inhalt dieses Papers wird diesbezüglich im Rahmen dieser Offenbarung vollständig Bezug genommen.
Fig. 4 zeigt in beispielsweise schematischer Ansicht einen möglichen Verlauf einer Reduktionsmitteldosierung bei einer Laständerung in Bezug auf einen Verlauf von Lambda bei einer Anordnung eines 3-Wege-Katalysators in Strömungsrichtung vor dem SCR- Katalysator, wie es aus Fig. 1 beispielhaft hervorgeht. Die Verbrennungskraftmaschine wird zuerst in niedriger Last betrieben. Lambda ist hierbei im Magerbereich eingestellt. Aufgrund beispielsweise eines Beschleunigungsvorganges wird ein Lastsprung erforderlich. Dieses ist dargestellt durch die Anforderung "hohe Last". Anstatt dass nun Lambda den Wert 1 einnimmt, um im Rahmen einer Homogenregelung die Verbrennungskraftmaschine zu fahren, wird Lambda in einem Bereich eingestellt, der geringer als Lambda = 1 ,3 ist. Das heißt, der Magerbereich wird verlassen und Lambda wird dem Wert 1 angenähert, ohne dass jedoch Lambda = 1 eingestellt wird. Dieses erfolgt erst zu einem Zeitpunkt, wenn die Speicherung von Ammoniak soweit abgebaut ist, dass kein Ammoniakdurchbruch mehr möglich ist. Dieses kann so wie oben dargestellt berechnet und/oder geregelt werden. Gleichzeitig wird bei einer Änderung der Lastanforderung die Zuführung des ammoniakhaltigen Reduktionsmittels vorzugsweise vollständig unterbrochen, zumindest aber weitestgehend reduziert. Eine weitere Ausgestaltung kann dabei vorsehen, dass die Zuführung des Reduktionsmittels nicht vollständig unterbrochen wird, sondern nur allmählich absinkt.
Des Weiteren geht aus Fig. 4 auch die umgekehrte Betriebsweise hervor. Die Verbrennungskraftmaschine wird bei hoher Last gefahren und erfährt einen Lastsprung hinein in einen Schubbetrieb oder in einen Magerbetrieb. Hier ist dargestellt, dass aus dem Homogenbetrieb in einen Magerbetrieb hinein eine Laständerung angestrebt wird. Wird dieser Lastsprung detektiert, ist das System in der Lage, durch sofortige Reduktionsmittelzufüh- rung eine Anreicherung des Reduktionsmittels als Vorrat im SCR-Katalysator anzureichern, so dass nach Erreichen eines stabilen Lastzustandes dort ausreichend Reduktionsmittel für die NOx-Umsetzung zur Verfügung steht. Ist eine ausreichende Bevorratung
des SCR-Katalysators mit ammoniakhaltigem Reduktionsmittel erfolgt, kann die Zuführung an Reduktionsmittel wieder absinken. Die in Fig. 4 dargestellten Verläufe sind jeweils nur schematisch dargestellt. Sie können in dieser Art verlaufen, können jedoch auch andere kurvenförmige Übergänge wie auch Schwingungen, kleinere Plateaus oder ähnliches wie auch konvergente Verhaltensmuster beinhalten.
Claims
1. Direkteinspritzende Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet, mit einem 3-Wege-Katalysator und mit einem SCR-Katalysator, wobei eine Einrichtung mit einer hinterlegten Steuerung oder Regelung vorgesehen ist, die ein Angebot an einem Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid-Reduktion in dem SCR-Katalysator an einen Lastwechselsprung an- passt.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung derart ausgelegt ist, dass ein Durchschlagen eines ammoniakhaltigen Stoffes und Ausströmen desselben aus einer Abgasleitung bei einem Lastwechsel aus einem Magerbetrieb in einen homogenen Betrieb verhindert ist.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass bei einem Lastsprung aus einem Homogenbetrieb kommend ein Angebot an Reduktionsmittel angepasst zur Verfügung gestellt wird.
4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine modellbasierte Vorsteuerung aufweist, über die eine Reduktionsmittelzufuhr steuerbar ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine erste Überwachung aufweist, die bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb einen kurzfristigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lambda > 1 sicherstellt.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine zweite Überwachung aufweist, die bei einem Lastsprung von einem Homogenbetrieb kommend, zumindest zwischen einer Bereitstellung eines kurzfristigen Überangebots an Reduktionsmittel bei einem Lastbetrieb bei Lambda >1 und einem an eine Speicherfähigkeit des SCR- Speichers angepasste Reduktionsmittelzufuhr auswählt.
7. Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Kraftfahrzeug- Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip betrieben wird, und bei der zur Abgasreduzierung ein 3-Wege-Katalysator und ein SCR-Katalysator eingesetzt werden, wobei ein Lastsprung ermittelt wird und an die Art des Lastsprunges angepasst ein Reduktionsmittel zur Erzeugung von Ammoniak zur Stickoxid- Reduktion in dem SCR-Katalysator zur Verfügung gestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung in Abhängigkeit vom Lastsprung und vom Reduktionsmittelbedarf die Verbrennungskraftmaschine ansteuert.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastsprung aus einem Magerbetrieb in einen Homogenbetrieb die Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich mit Lambda > 1 betrieben wird, bevor eine Lambda = 1 - Reglung eingestellt wird.
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