DE102009014360A1

DE102009014360A1 - Verfahren zur Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE102009014360A1
Application number: DE102009014360A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dr. Keppeler; Ortwin Balthes
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-03-21
Filing date: 2009-03-21
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors (1) angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators (6). Erfindungsgemäß wird ein Satz von n vorgebbaren, einen Gehalt mindestens einer Komponente des vom Dieselmotor (1) abgegebenen Abgas beeinflussenden Motorbetriebsparametern derart ausgewählt, dass von den ausgewählten Motorbetriebsparametern ein n-dimensionaler Parameterraum gebildet wird. Ferner werden Wertebereiche für jeden der ausgewählten Motorbetriebsparameter derart vorgegeben, dass der n-dimensionale Parameterraum in jeder seiner n Dimensionen zweiseitig abgegrenzt wird. Innerhalb des abgegrenzten Parameterraums wird eine Kombination von Werten für die ausgewählten Motorbetriebsparameter ermittelt, bei welcher ein Extremum für den Gehalt einer vorgebbaren Abgaskomponente oder für ein Gehaltsverhältnis von zwei vorgebbaren Abgaskomponenten in dem vom Motor abgegebenen Abgas zumindest annähernd erreicht wird und die dem Extremum zugeordneten Werte der ausgewählten Motorbetriebsparameter werden bei unterstöchiometrischem Verbrennungsbetrieb des Dieselmotors eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators.
Zur Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren ist es erforderlich, ein reduzierend wirkendes, d. h. eine fettes Abgas mit einem Abgas-Lambdawert von λ < 1 bereitzustellen. Im Abgas im Überschuss enthaltene Reduktionsmittel wie Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) reduzieren im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherte Stickoxide bzw. Schwefeloxide, wodurch der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert wird und seine Eigenschaft zur Stickoxidentfernung wiederhergestellt werden kann. So ist beispielsweise aus der DE 197 31 623 B4 ein Verfahren zur Schwefel-Regeneration eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators bekannt, bei welchem ein nahezu sauerstofffreier Abgasstrom mit einem Gehalt von 1% bis 10% CO erzeugt wird. Die Einstellung des vorgeschlagenen CO-Gehalts führt jedoch nicht zwangsläufig zu einem optimalen Regenerationsablauf bzw. Regenerationsergebnis.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Regenerationsverfahren für einen Stickoxid-Speicherkatalysator eines Dieselmotors anzugeben, welches einen verbesserten Regenerationsablauf bzw. ein verbessertes Regenerationsergebnis ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regeneration eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators wird ein Satz von n vorgebbaren, einen Gehalt mindestens einer Komponente des vom Dieselmotor abgegebenen Abgas beeinflussenden Motorbetriebsparametern derart ausgewählt, dass von den ausgewählten Motorbetriebsparametern ein n-dimensionaler Parameter raum gebildet wird. Dabei werden Wertebereiche für jeden der ausgewählten Motorbetriebsparameter derart vorgegeben, dass der n-dimensionale Parameterraum in jeder seiner n Dimensionen zweiseitig abgegrenzt wird. Innerhalb des abgegrenzten Parameterraums wird eine Kombination von Werten für die ausgewählten Motorbetriebsparameter ermittelt, bei welcher ein Extremum für den Gehalt einer vorgebbaren Abgaskomponente oder für ein Gehaltsverhältnis von zwei vorgebbaren Abgaskomponenten in dem vom Motor abgegebenen Abgas zumindest annähernd erreicht wird und die dem Extremum zugeordneten Werte der ausgewählten Motorbetriebsparameter werden bei unterstöchiometrischem Verbrennungsbetrieb des Dieselmotors zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators eingestellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Zusammensetzung des vom Dieselmotor bei unterstöchiometrischem Verbrennungsbetrieb abgegebenen Abgases den Regenerationsablauf bzw. das Regenerationsergebnis beeinflusst. Unter Regeneration soll hier ein Vorgang verstanden werden, bei welchem unter Zufuhr von chemisch reduzierend wirkenden Abgasbestandteilen eine Stickoxid-Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators ganz oder zumindest teilweise wiederhergestellt wird. Dabei werden im Stickoxid-Speicherkatalysator vorhandene Speicherzentren von beispielsweise in Form von Nitrat bzw. Sulfat gebundenem Stickoxid bzw. Schwefeloxid befreit. Freigesetzte oder gebundene Stickoxide und/oder Schwefeloxide werden von einem oder mehreren der Abgasbestandteile H₂, CO, HC chemisch reduziert. Durch an einen jeweiligen Betriebspunkt angepasste Optimierung der Abgaszusammensetzung ist eine verbesserte Regeneration eines mit NOx und/oder Schwefel bzw. SOx beladenen Stickoxid-Speicherkatalysators ermöglicht. Die Optimierung erfolgt dabei durch gezieltes Einstellen von Werten von Motorbetriebsparametern, welche ihrerseits die Abgaszusammensetzung beeinflussen. Die Einstellung erfolgt innerhalb eines jeweiligen Wertebereichs, welcher bevorzugt unter Beachtung von Querbeeinflussungen und Randbedingungen wie Fahrbarkeit, Rauchemission usw. empirisch ermittelt und vorgegeben wird. Es ist vorgesehen, innerhalb des resultierenden abgegrenzten Parameterraums die Lage eines Minimums oder eines Maximums für den Gehalt einer vorgebbaren Abgaskomponente bzw. für das Gehaltsverhältnis von zwei vorgebbaren Abgaskomponenten betriebspunktabhängig zu ermitteln. Bevorzugt wird ein Vektor von Werten für die ausgewählten Motorbetriebsparameter betriebspunktabhängig vorab ermittelt und abgespeichert. Im Falle einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators werden die einem jeweiligen Betriebspunkt zugeordneten abgespeicherten Werte ausgelesen und eingestellt. Die Rasterung in Bezug auf die Abstände von benachbarten Betriebspunkten kann je nach Aufwand mehr oder weniger fein erfolgen. In Zwischenbereichen kann eine Interpolation von Werten zweier Vektoren vorgenommen werden, die den am nächsten kommenden Betriebspunkten zugeordnet sind. Bevorzugt werden zur Bildung des Parameterraums Motorbetriebsparameter ausgewählt, die den stärksten Einfluss auf eine oder mehrere der Abgaskomponenten H₂, CO, HC und NOx haben.
In Ausgestaltung der Erfindung wird für einen betriebswarmen Motor ein erster Satz von Motorbetriebsparametern und für einen nicht betriebswarmen Motor ein zweiter Satz von Motorbetriebsparametern ausgewählt, wobei der erste Satz von Motorbetriebsparametern sich in wenigstens einem Motorbetriebsparameter von dem zweiten Satz von Motorbetriebsparametern unterscheidet. Dadurch wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass bei nicht betriebswarmem Motor der Einfluss bestimmter Motorbetriebsparameter auf die Abgaszusammensetzung sich von dem bei betriebswarmem Motor unterscheidet. Ferner wurde erkannt, dass bei nicht betriebswarmem Motor für einen optimalen Ablauf einer Nitratregeneration eine gegenüber betriebswarmem Motor veränderte Abgaszusammensetzung vorteilhaft ist. Da bei nicht betriebswarmem Motor der Stickoxid-Speicherkatalysator ebenfalls niedrige Temperaturen von beispielsweise weniger als 200°C aufweist, erfolgt daher erfindungsgemäß bei nicht betriebswarmem Motor eine Einstellung einer für die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators vorteilhaften Abgaszusammensetzung durch Auswahl eines zumindest in Teilen anderen Satzes von Motorbetriebsparametern. Dabei wird der Dieselmotor dann als betriebswarm angesehen, wenn die Kühlmitteltemperatur eine vorgebbare Schwelle von etwa 70°C bis 90°C überschreitet. Als Kriterium zur Unterscheidung zwischen einem betriebswarmen und einem nicht betriebswarmen Motor kann jedoch auch ein vorgebbarer Wert von etwa 200°C für die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators dienen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Werte der für nicht betriebswarmen Motor ausgewählten Motorbetriebsparameter des ersten Satzes derart ermittelt, dass in dem vom Motor abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten H₂ und NOx wenigstens annähernd erreicht wird. Wie festgestellt wurde, ermöglicht ein anzustrebender möglichst hoher H₂-Anteil in dem vom Motor abgegebenen Abgas einen vergleichsweise raschen Verlauf der Regeneration, insbesondere wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators kleine Werte von 150°C oder weniger aufweist. Ferner können im Zuge der Nitratregeneration aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator freigesetzte Stickoxide durch Reaktion mit H₂ zu einem hohen Anteil zu unschädlichem Stickstoff umgesetzt werden. Durch einen möglichst niedrigen NOx-Anteil im Abgas wird die Zusatzbelastung des Stickoxid-Speichers durch Stickoxide vermindert, wodurch wiederum eine verbesserte Umsetzung gespeicherter Stickoxide resultiert. Stickoxid-Konzentrationsspitzen hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator können daher klein gehalten werden. Die wenigstens annähernde Einstellung eines maximalen H₂/NOx-Gehaltsverhältnisses im abgegrenzten Parameterraum der ausgewählten Motorbetriebsparameter ermöglicht daher bei kurzer Dauer eine weitestgehend vollständige Regeneration insbesondere bei nicht betriebswarmem Motor bzw. nicht betriebswarmer Abgasanlage. Vorteilhaft ist es, mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators die ursprünglich für einen ungealterten Stickoxid-Speicherkatalysator für den betriebswarmen Dieselmotor vorgesehenen Wertebereiche von ausgewählten Motorbetriebsparametern in Richtung der für einen nicht betriebswarmen Dieselmotor vorgesehenen Wertebereiche zu verschieben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Werte der für betriebswarmen Motor ausgewählten Motorbetriebsparameter des zweiten Satzes derart ermittelt, dass in dem vom Motor abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten CO und NOx wenigstens annähernd erreicht wird. Es konnte festgestellt werden, dass speziell bei betriebswarmem Motor bzw. bei Temperaturen des Stickoxid-Speicherkatalysators oberhalb von etwa 200°C, CO im Vergleich zu HC eine schnellere und verbesserte Nitrat-Regeneration ermöglicht. Bei vergleichbaren Lambdawerten des Abgases resultieren aus hohen CO-Anteilen entsprechend niedrige HC-Anteile und damit eine verbesserte Wirksamkeit des Abgases in Bezug auf das Regenerationsergebnis. Ein möglichst hoher CO-Gehalt im Abgas ermöglicht daher eine rasche und gleichzeitig vollständige Regeneration. Infolge eines gleichzeitig möglichst niedrigen NOx-Gehalts ist der Reduktionsmittelbedarf als solcher vermindert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Einstellung von besonders niedrigen Lambdawerten zur Durchführung einer Nitrat-Regeneration. Die wenigstens annähernde Einstellung eines maximalen Gehaltsverhältnisses der Abgaskomponenten CO und NOx im abgegrenzten Parameterraum der ausgewählten Motorbetriebsparameter ermöglicht daher bei kurzer Dauer eine weitestgehend vollständige Regeneration insbesondere bei betriebswarmem Motor bzw. betriebswarmer Abgasanlage.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen der erste und der zweite Satz von Motorbetriebsparametern wenigstens eine Abgasrückführrate, einen Verbrennungsluftmassenstrom und ein Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis. Von den Erfindern wurde festgestellt, dass diese Größen die Abgaszusammensetzung des unterstöchiometrisch betriebenen Dieselmotors sowohl in betriebswarmen, als auch in nicht betriebswarmen Zustand vergleichsweise stark beeinflussen. Andererseits ist eine Beeinflussung von Abgasrückführrate, Verbrennungsluftmassenstrom und Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis auf einfache Weise möglich. Der Parameterraum wird daher erfindungsgemäß wenigstens aus diesen genannten Größen aufgespannt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind eine Regenerationszeit für eine Nitrat-Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators und eine innerhalb der Regenerationszeit dem Stickoxid-Speicherkatalysator mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge derart vorgesehen, dass die innerhalb der Regenerationszeit dem Stickoxid-Speicherkatalysator mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge wenigstens zur Reduktion der bei Start der Nitrat-Regeneration im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxidmenge ausreicht. Auf diese Weise werden unvollständige Nitrat-Regenerationen vermieden und der Stickoxid-Speicherkatalysator wenigstens annähernd wieder in einen Zustand maximaler Stickoxidspeicherfähigkeit gebracht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zu Beginn der Nitrat-Regeneration für eine vorgebbare erste Zeitspanne ein konstanter Motor-Lambdawert von kleiner als 1,0 eingestellt und nach Ablauf der ersten Zeitspanne wird für den verbleibenden Teil der Regenerationszeit ein zeitlich zunehmender Motor-Lambdawert eingestellt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Beschleunigung des Regenerationsablaufs, da zu Beginn der Regeneration der noch vergleichsweise großen Stickoxid-Speichermenge Abgas mit einem dem Lambdawert entsprechenden relativ hohen Reduktionsmittelgehalt zugeführt wird. Ist ein merklicher Teil der gespeicherten Stickoxide reduziert, so wird durch den zeitlich zunehmenden Abgas-Lambdawert das Reduktionsmittelangebot der verminderten Menge an gespeicherten Stickoxiden angepasst. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die zu Beginn der Nitrat-Regeneration in der ersten Zeitspanne dem Stickoxid-Speicherkatalysator mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge mehr als 50% der dem Stickoxid-Speicherkatalysator während der Nitrat-Regeneration insgesamt zugeführten Reduktionsmittelmenge beträgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Schwefel-Regeneration bei betriebswarmer Motor ein dritter Satz von Motorbetriebsparametern ausgewählt. Der dritte Satz von Motorbetriebsparametern unterscheidet sich dabei bevorzugt wenigstens in Bezug auf einen der Motorbetriebsparameter vom ersten und/oder zweiten Satz von Motorbetriebsparametern. Typischerweise weist der Stickoxid-Speicherkatalysator bei der Schwefel-Regeneration Temperaturen von ca. 550°C oder mehr auf. Die Wirkung der reduzierenden Abgasbestandteile auf eingespeicherte Schwefelverbindungen ist im Ver gleich zu der gegenüber eingespeicherten Stickoxiden unterschiedlich. Erfindungsgemäß wird dem durch einen dritten Satz von ausgewählten Motorbetriebsparametern Rechnung getragen, mit denen der Ablauf einer Schwefel-Regeneration besonders wirksam beeinflusst werden kann. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Werte der für betriebswarmen Motor ausgewählten Motorbetriebsparameter des dritten Satzes derart ermittelt werden, dass in dem vom Motor abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten H₂ und CO wenigstens annähernd erreicht wird. Auf diese Weise wird eine im Vergleich zu CO erhöhte Reaktivität von H₂ in Bezug auf einen reduktiven Sulfatumsatz ausgenutzt. Dadurch ist eine wirksame Schwefel-Regeneration bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Weiterhin kann ein unerwünschter HC-Schlupf minimiert werden. Dies ist wegen der typischerweise im Vergleich zu einer Nitratregeneration verlängerten Fettbetriebszeit des Dieselmotors von Vorteil. Analog zur Nitrat-Regeneration umfasst der dritte Satz von Motorbetriebsparametern erfindungsgemäß wenigstens eine Abgasrückführrate, einen Verbrennungsluftmassenstrom und ein Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Dieselmotor mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Brennräume betrieben, wobei die Kraftstoffeinspritzung eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung und eine drehmomentwirksame Nacheinspritzung umfasst. Mittels der Voreinspritzung kann ein ruhiger und geräuscharmer Verbrennungsablauf erzielt werden. Durch die erfindungsgemäße frühe mitbrennende und damit drehmomentwirksame Nacheinspritzung wird eine Anfettung erleichtert wobei im Vergleich zu einer späten, nicht mitbrennenden Nacheinspritzung ein übermäßiges HC-Angebot vermieden wird. Insbesondere in Bezug auf die angestrebte Beeinflussung der Zusammensetzung des vom Dieselmotor ausgestoßenen Abgases ist es vorteilhaft und erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Satz und/oder der zweite Satz und/oder der dritte Satz von Motorbetriebsparametern einen Ansteuerbeginn für die Nacheinspritzung und/oder ein Mengenverhältnis von Nacheinspritzung und Haupteinspritzung umfassen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Wertebereiche der ausgewählten Motorbetriebsparameter in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl abgegrenzt. Dadurch wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass sich bevorzugte Wertebereiche für eine Vielzahl von Motorbetriebsparametern in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl generell verschieben. Eine abhängig von Motorlast und Motordrehzahl vorgenommene Abgrenzung der ausgewählten Motorbetriebsparameter ermöglicht es ferner, die entsprechenden Wertebereiche jeweils vergleichsweise klein zu halten.
Dadurch ist der Aufwand zur Ermittlung eines jeweiligen Extremums im abgegrenzten Parameterraum erleichtert.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Systems von Dieselmotor und Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaft aus drei Motorbetriebsparametern gebildeten Parameterraums
1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform eines Systems von Verbrennungsmotor 1 und Abgasreinigungsanlage 2 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Verbrennungsmotor 1 ist bevorzugt als direkteinspritzende magerlauffähige, insbesondere als luftverdichtende Brennkraftmaschine nach dem Hubkolbenprinzip, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgeführt. Ein zugeordnetes nicht dargestelltes Kraftstoffeinspritzsystem ist vorzugsweise als so genanntes Common-Rail-System mit einstellbarem Raildruck bzw. Kraftstoffeinspritzdruck oder in Form eines Einspritzsystems nach dem Pumpe-Düse- oder Pumpe-Leitung-Düse-Prinzip ausgeführt.
Den Zylindern des Verbrennungsmotors sind jeweils ein Brennraum mit ein oder zwei Einlass- und Auslassventilen, einer Glühkerze und einem Kraftstoffinjektor sowie ein oder mehrere Einlasskanäle für die Verbrennungsluft zugeordnet, was im Einzelnen nicht näher dargestellt ist. Die Kraftstoffinjektoren sind dabei zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen befähigt.
Der Dieselmotor 1 erhält seine Verbrennungsluft über eine Luftzufuhrleitung 3, in der ein nicht dargestellter Luftmassenmesser angeordnet ist. Der Luftmassenmesser ist bevorzugt als so genannter Heißfilm-Luftmassenmesser oder als Hitzdraht-Luftmassenmesser ausgebildet. Luftdichteschwankungen können von diesem erkannt und bei einer Einstellung des Luftmassenstroms kompensiert werden. Mittels eines ebenfalls nicht darge stellten einstellbaren Drosselelements kann der dem Dieselmotor 1 zugeführte Luftmassenstrom auf ein einstellbares Maß gedrosselt werden. Die Verbrennungsluft wird mittels eines Abgasturboladers 15 verdichtet und einem Ladeluftkühler 16 zur Kühlung zugeführt. Der Abgasturbolader ist dabei vorzugsweise als so genannter VTG-Lader oder als Wastegate-Lader mit einstellbarem Ladedruck ausgeführt. In den Brennräumen der Zylinder des Dieselmotors 1 erzeugtes Abgas wird über eine Abgasleitung 4 abgeleitet. Dabei kann der Verbrennungsluft über eine Abgasrückführleitung 13 Abgas beigemischt und somit zum Dieselmotor 1 zurückgeführt werden. Der Anteil des rückgeführten Abgases (AGR-Rate) kann über ein AGR-Ventil 14 eingestellt werden. Vorzugsweise wird das zum Dieselmotor 1 rückführte Abgas mittels eines nicht dargestellten AGR-Kühlers gekühlt, wobei für den AGR-Kühler eine gegebenenfalls einstellbare Umgehung vorgesehen sein kann. Dadurch kann der Verbrennungsluft wahlweise gekühltes oder heißes Abgas zugemischt werden. Nicht rückgeführtes Abgas wird über den Abgasturbolader 15 der Abgasreinigungsanlage 2 zugeführt. Mit der beschriebenen Ausführungsform können bedarfsgerecht unterschiedliche Werte für die wesentlichen Motorbetriebsparameter wie z. B. Luftmassenstrom, Einspritzzeitmenge, -Druck und -Zeitpunkt mehrerer Kraftstoffeinspritzungen, AGR-Rate, Ladeluftdruck und damit unterschiedliche Brennverfahren dargestellt werden. Insbesondere kann der Dieselmotor 1 mit einem Luft-Kraftstoffgemisch mit wechselnden Lambdawerten, nachfolgend als Motor-Lambdawert λ_M bezeichnet, betrieben werden. Motor-Lambdawerte λ_M größer als eins entsprechen einem mageren und Motor-Lambdawerte λ_M kleiner als eins einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch bzw. Betrieb des Dieselmotors 1. Entsprechend resultiert aus einem mageren Motorbetrieb ein mageres Abgas mit einem Überschuss an oxidierend wirkenden Bestandteilen wie insbesondere Sauerstoff und einem Abgas-Lambdawert λ_A größer als eins. Bei einem fetten Motorbetrieb resultiert eine fettes Abgas mit einem Überschuss an reduzierenden Bestandteilen wie beispielsweise CO, H₂ und HC und einem Abgas-Lambdawert λ_A größer als eins.
In der Abgasleitung 4 des Dieselmotors 1 ist als Abgasreinigungskomponente wenigstens ein Stickoxid-Speicherkatalysator 6 vorgesehen. In der bevorzugten, in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Abgasreinigungsanlage 2 weiterhin in Strömungsrichtung des Abgases gesehen einen Oxidationskatalysator 5 stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators 6, einen Partikelfilter 7 stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 und optional einen nachgeschalteten SCR-Katalysator 8. Als Partikelfilter 7 kommt vorzugsweise ein so genannter Wallflow-Filter auf SiC-Cordiererit- oder Aluminiumtitanatbasis zum Einsatz. Der Partikelfilter 7 kann jedoch auch als Sintermetallfilter oder als Filtereinheit mit einer offenen Filterstruktur ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Partikelfilter 7 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen. Die katalytische Wirksamkeit der Beschichtung kann in Bezug auf eine Förderung eines Rußabbrands bzw. eine generell Oxidationsreaktion betreffend ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine SCR-katalytische Beschichtung vorgesehen sein, welche eine selektive Reduktion von Stickoxiden bei Sauerstoffüberschuss fördert. Dadurch kann der SCR-Katalysator 8 entfallen oder zumindest kleiner ausgeführt werden.
Der gegebenenfalls stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 angeordnete SCR-Katalysator 8 besitzt die Eigenschaft, bei reduzierenden Bedingungen NH₃ einspeichern zu können und bei oxidierenden Bedingungen eingespeichertes sowie ev. zugeführtes NH₃ als Reaktionspartner in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion unter Stickstoffbildung zur chemischen Reduktion von NOx nutzen zu können. Die letztgenannte Eigenschaft wird insbesondere dazu genutzt, dem SCR-Katalysator 8 zugeführte NOx unschädlich zu machen. Der SCR-Katalysator 8 erhält NOx in der Anordnung nach 1 beispielsweise durch zunehmenden NOx-Schlupf infolge der im Verlauf der NOx-Einlagerung zunehmenden Abnahme der NOx-Aufnahmekapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 bei Mager-Betrieb des Dieselmotors 1. Der SCR-Katalysator 8 ist vorzugsweise als Vollkatalysator auf V₂O₅-WO₃-Basis oder Zeolithbasis oder als beschichteter Katalysator mit edelmetallhaltiger Beschichtung ausgebildet. Eine vanadiumfreie Beschichtung überwiegend von Mischoxiden, insbesondere von Übergangsmetall-Mischoxiden, kann ebenfalls vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung als Trägerkatalysator mit einer Kupfer- oder Eisenhaltigen Zeolithbeschichtung. Bevorzugt sind die Katalysatoren 5, 7, 8 als Wabenkörpermonolithen ausgeführt, die von katalytisch beschichteten Kanälen durchzogen sind, durch welches das zugeführte Abgas strömen kann.
Eingangsseitig des Oxidationskatalysators 5 kann eine Brennstoffzugabeeinheit vorgesehen sein, über welche beispielsweise Kraftstoff als Brennstoff dem Abgas zugeführt werden kann. Dies ermöglicht infolge exothermer Oxidation von dem Abgas bedarfsgerecht zugeführtem Brennstoff eine gezielte Aufheizung des Abgases. Falls vorhanden, wird die Brennstoffzugabeeinheit vorwiegend im Zusammenhang einer aktiven Regeneration des Partikelfilters 7 durch thermischen Rußabbrand oder zur Aufheizung eines nachgeschalteten Abgasreinigungsbauteils aktiviert. Es ist jedoch bevorzugt, auf die Brennstoffzugabeeinheit zu verzichten und eine Anreicherung des Abgases mit oxidierbaren Bestandteilen motorisch durch einen Betrieb mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch vorzunehmen. Nachfolgend wird von der letztgenannten Variante ausgegangen.
In der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 sind verschiedene Temperatur- und Abgassensoren zur Erfassung von Abgas- und Bauteiletemperaturen sowie von Konzentrationen wichtiger Abgasbestandteile vorgesehen. Beispielhaft sind in 1 eingangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 sowie ausgangsseitig des Partikelfilters 7 je ein Temperatursensor 10, 11 in der Abgasreinigungsanlage 2 angeordnet. Ausgangsseitig des SCR-Katalysators 8 ist ein gegenüber NOx und/oder NH₃ empfindlicher Gassensor 12 vorgesehen. Zur Ermittlung der Beladung des Partikelfilters 7 mit Ruß und/oder Asche ist es zudem bevorzugt, ein- und ausgangsseitig des Partikelfilters 7 Drucksensoren bzw. einen Differenzdrucksensor vorzusehen, was in 1 nicht gesondert dargestellt ist. Weiterhin ist stromab vom Stickoxid-Speicherkatalysator 6 ein Lambdasensor 9 zur Erfassung des dort vorhandenen Abgas-Lambdawerts λ_A angeordnet. Der Lambdasensor 9 kann wie dargestellt ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 6, aber auch ausgangsseitig des Partikelfilters 7, d. h. zwischen dem Partikelfilter 7 und dem SCR-Katalysator 8 angeordnet sein. Mittels dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren kann der Betriebszustand der Abgasreinigungsanlage 2 umfassend ermittelt und der Betrieb des Dieselmotors 1 gegebenenfalls angepasst werden.
Zur Einstellung bzw. Erfassung des Motorbetriebs ist ein elektronisches Motorsteuergerät 17 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 erhält einerseits Informationen über maßgebliche Motorbetriebsgrößen wie z. B. Drehzahl, Motorlast, Kühlmitteltemperatur, Temperaturen in der Abgasreinigungsanlage 2, Drücke von den entsprechenden Sensoren bzw. Fühlern und kann andererseits Steuersignale als Einstellgrößen an Aktuatoren wie z. B. an das AGR-Ventil 14, den Abgasturbolader 15 oder das Drosselelement in der Luftzufuhrleitung 3 ausgeben. Es ist eine Regulierbarkeit von Betriebs- bzw. Zustandsgrößen der Gaszufuhrseite und der Kraftstoffzufuhrseite vorgesehen. Insbesondere ist das Motorsteuergerät 17 in der Lage, die Kraftstoffinjektoren zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen anzusteuern und gegebenenfalls den Kraftstoffeinspritzdruck bedarfsgerecht einzustellen. Zur Einstellung von betriebspunktabhängigen Vorgabewerten für die verschiedenen Motorbetriebsparameter kann das Motorsteuergerät 17 auf abgespeicherte Kennfelder zurückgreifen. Es kann auch ein Rückgriff auf Berechnungs- bzw. Regel- oder Steuerroutinen vorgesehen sein, mit deren Hilfe Einstellwerte von Motorbetriebsparametern situationsabhängig jeweils aktuell errechnet werden. Hierfür vorgesehene Subsysteme, wie Rechner, Speicher oder Ein-Ausgabeeinheiten und dergleichen sind nicht gesondert dargestellt.
In analoger Weise ist zur Erfassung und Einstellung von Betriebs- und Zustandsgrößen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 ein zweites Steuergerät 18 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 und das zweite Steuergerät 18 sind mittels einer bidirektionalen Datenleitung 19 miteinander verbunden. Auf diese Weise ist ein wechselseitiger Austausch von einem jeweiligen Steuergerät zur Verfügung stehenden Daten ermöglicht. Es versteht sich, dass die Steuergeräte 17, 18 auch in einer einzigen integralen Messwerterfassungs- und Steuereinheit zusammengefasst sein können.
Der Stickoxid-Speicherkatalysator 6 verfügt über die Fähigkeit, unter oxidierenden Bedingungen im Abgas vorhandene NOx und SOx, hauptsächlich durch chemische Bindung als Nitrat bzw. Sulfat an das Beschichtungsmaterial, einzulagern. Bei der üblichen Betriebsweise des Dieselmotors 1 mit Luftüberschuss, nachfolgend als erster Betriebsmodus bezeichnet, ist dies somit im Allgemeinen der Fall. Während die Einlagerung von NOx wegen der angestrebten Stickoxid-Entfernung an sich erwünscht ist, ist die Einlagerung der SOx nachteilig, da diese Speicherplätze für NOx blockieren. Um die NOx-Entfernungsfunktion des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 aufrechtzuerhalten, sind wiederkehrende Regenerationen erforderlich, bei denen die eingelagerten NOx bzw. SOx wieder entfernt werden. Die Entfernung der eingelagerten NOx erfolgt dabei in einer so genannten Nitrat-Regeneration, die Entfernung der SOx in einer als Schwefel- oder auch Sulfat-Regeneration bezeichneten Prozedur. Wegen der deutlich höheren Konzentration von NOx im Abgas im Vergleich zu SOx, sind Nitrat-Regenerationen in deutlich kürzeren Abständen erforderlich als Schwefel-Regenerationen. Typischerweise erfolgen Nitrat-Regenerationen im Abstand von 30 Sekunden bis wenigen Minuten, während Schwefel-Regenerationen bevorzugt fahrsteckenbezogen nach Zurücklegen von etwa 1000 km durchgeführt werden. In beiden Fällen ist es erforderlich, wenigstens zeitweise ein reduzierend wirkendes Abgas, d. h. ein Abgas mit einem Abgas-Lambdawert λ_A von kleiner als eins bereitzustellen. Hierfür wird erfindungsgemäß der Dieselmotor 1 mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch versorgt und in einem Betriebsmodus mit einem Motor-Lambdawert λ_M von kleiner als eins betrieben. Dieser Betriebsmodus wird nachfolgend als zweiter Betriebsmodus bezeichnet. Unter den dann vorherrschenden reduzierenden Bedingungen werden bei einer Nitrat-Regeneration eingelagerte NOx wieder freigesetzt und zum größten Teil in N₂ und gegebenenfalls NH₃ umgesetzt. Bei einer Schwefel-Regeneration wird als Sulfat eingelagerter Schwefel zu flüchtigen Schwefelverbindungen wie SO₂ oder H₂S reduziert. Insbesondere bei einer Nitratregeneration kann es vorgesehen sein, dem Stickoxid-Speicherkatalysator 6 eine Abgas mit einem zeitlich variablem Abgas-Lambdawert λ_A < 1,0 zuzuführen.
Allgemein wird der Dieselmotor 1 bzw. die Abgasreinigungsanlage 2 wie folgt betrieben. Zunächst wird bei aktivem ersten Betriebsmodus dem Stickoxid-Speicherkatalysator 6 ein mageres Abgas mit einem hohen Sauerstoffgehalt zugeführt. Dieses wird von dem mit einem Motor-Lambdawert λ_M von beispielsweise λ_M = 3 betriebenen Dieselmotor 1 geliefert. Die Motorbetriebsgrößen wie AGR-Rate, Ladedruck, Raildruck, Einspritzparameter von Vor- und Haupteinspritzung etc. werden entsprechend der angeforderten Leistung und dem Betriebspunkt im Last-Drehzahl-Kennfeld bevorzugt kennfeldgesteuert eingestellt. Dabei vom Dieselmotor 1 emittierte und im Abgas enthaltene NOx werden großteils in das Katalysatormaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators 6, vorzugsweise in Form von Nitraten, eingelagert und so aus dem Abgas entfernt. Durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 6 tretender Schlupf von NOx kann gegebenenfalls durch Reduktion im nachgeschalteten SCR-Katalysator 8 wenigstens teilweise unschädlich gemacht werden.
Wird mit zunehmender Sättigung des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 beispielsweise sensorisch oder modellbasiert ein auf inakzeptable Werte angestiegener NOx-Schlupf oder das Erreichen eines NOx-Speichermengengrenzwerts festgestellt, so wird, falls vorgegebene Freigabebedingungen erfüllt sind, eine Nitrat-Regeneration eingeleitet. Der NOx-Speichermengengrenzwert wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit von der Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 und in Abhängigkeit von dessen Alterungszustand und/oder in Abhängigkeit von der eingelagerten Schwefelmenge vorgegeben. Als Freigabebedingung kann beispielsweise das Vorliegen eines Motorbetriebs in einem vorgebbaren Last-Drehzahl-Kennfeldbereich mit einer Motorlast von einem vorgebbaren Bruchteil der Volllast herangezogen werden. Sind die Freigabebedingungen erfüllt, so wird für eine vorgebbare Regenerationszeit auf den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet und der Stickoxid-Speicherkatalysator 6 regeneriert. Die in der Regenerationszeit dem Stickoxid-Speicherkatalysator 6 zugeführte Menge an Reduktionsmitteln wird vorzugsweise in Relation zur ermittelten NOx-Speichermenge bemessen. Dabei ist vorgesehen, die Reduktionsmittelmenge so zu bemessen, dass diese wenigstens ausreicht, um die gesamte NOx-Speichermenge zu N₂ zu reduzieren. Gegebenenfalls vorhandener Verbrauch durch Oxidation mit parallel zu NOx eingespeichertem Sauerstoff wird dabei vorzugsweise ebenfalls berücksichtigt. Es kann vorgesehen sein, eine Nitrat-Regeneration derart durchzuführen, dass zu Beginn des zweiten Betriebsmodus für eine vorgebbare erste Zeitspanne ein erster, vergleichsweise niedriger und zeitlich konstanter Motor-Lambdawert λ_M von beispielsweise etwa λ_M = 0,90 eingestellt wird und nach Ablauf der ersten Zeitspanne ein kontinuierlich ansteigender Motor-Lambdawert λ_M für den verbleibenden Teil der Regenerationszeit eingestellt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Zeitspanne so gewählt ist, dass die Menge der dabei zugeführten Reduk tionsmittel mehr als 50%, insbesondere mehr als 60% der insgesamt in der Regenerationszeit zugeführten Reduktionsmittelmenge beträgt. Infolge der in Bezug auf H₂ und/oder CO optimierten Abgaszusammensetzung ist das in der ersten Zeitspanne dem Stickoxid-Speicherkatalysator 6 zugeführte Abgas besonders regenerationswirksam und die Regenerationszeit kann insgesamt kurz gehalten werden.
Zur Beendigung der Nitrat-Regeneration wird wieder in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet. Die Regenerationszeit kann in Abhängigkeit von Temperatur und optional in Abhängigkeit vom Alterungszustand des Stickoxid-Speicherkatalysators vorgebbar sein. Es kann auch vorgesehen sein, die Regeneration zu beenden, wenn die zur Reduktion der zu Beginn der Regeneration vorhandenen NOx-Speichermenge als notwendig ermittelte Reduktionsmittelmenge vom Dieselmotor 1 insgesamt seit Beginn der Regeneration abgegeben wurde.
Aus Gründen des Kraftstoffverbrauchs ist ein hoher Zeitanteil des mageren Motorbetriebs im ersten Betriebsmodus mit einem Motor-Lambdawert λ_M von größer als eins anzustreben. Entsprechend ist ein vergleichsweise niedriger Zeitanteil für den zweiten Betriebsmodus wünschenswert. Dabei ist bei einer Regeneration eine möglichst vollständige Wiederherstellung der Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 anzustreben. Weiterhin ist es wünschenswert, Endrohremissionen von Schadstoffen wie NOx, HC, CO während einer Regeneration zu vermeiden bzw. möglichst gering zu halten. Insbesondere bei nicht betriebswarmem Dieselmotor 1 bzw. nicht betriebswarmer Abgasreinigungsanlage 2 kann es zu einem unvollständigen Umsatz von CO und/oder HC im Stickoxid-Speicherkatalysator 6 kommen. Ferner können insbesondere unmittelbar nach Umschalten vom ersten auf den zweiten Betriebsmodus NOx-Desorptionsspitzen auftreten, welche beispielsweise aufgrund mangelnder Umsatzfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 oder aufgrund eines mangelnden Reduktionsmittelangebots nicht abgebaut werden können. Wie festgestellt werden konnte, ist insbesondere hinsichtlich dieser Probleme der Ablauf und das Ergebnis einer Regeneration maßgeblich von der Zusammensetzung des vom Dieselmotor 1 gelieferten Abgases beeinflusst. In umfangreichen Untersuchungen wurden die vorteilhaftesten Abgaszusammensetzungen sowie diese maßgeblich beeinflussende Motorbetriebsparameter ermittelt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden erfindungsgemäß wie folgt genutzt.
Zunächst werden mehrere, d. h. wenigstens zwei Motorbetriebsparameter ausgewählt, die den Gehalt mindestens einer Komponente des vom Dieselmotor 1 abgegebenen Abgases beeinflussen. Besonders bevorzugt werden Motorbetriebsparameter ausgewählt, welche einen maßgeblichen Einfluss auf den Gehalt von wenigstens einer der Komponenten NOx, H₂, CO und HC im Abgas haben. Zu den ausgewählten Motorbetriebsparametern gehören vorzugsweise wenigstens die AGR-Rate, der Verbrennungsluftmassenstrom sowie der Motor-Lambdawert λ_M. Es ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, je nach Betriebszustand einen oder mehrere weitere Motorbetriebsparameter auszuwählen, welche ebenfalls die Abgaszusammensetzung, insbesondere hinsichtlich der vorstehend genannten Komponenten, beeinflussen. Die insgesamt n (n ≥ 2) ausgewählten Motorbetriebsparameter werden derart miteinander in Beziehung gesetzt, dass sie einen n-dimensionalen Parameterraum bilden. Durch Vorgabe von Wertebereichen für jeden der n Motorbetriebsparameter wird der Parameterraum in jeder seiner n Dimensionen zweiseitig abgegrenzt. Die Abgrenzung wird dabei bevorzugt derart vorgenommen, dass innerhalb des abgegrenzten Parameterraums vorgegebene Randbedingungen eingehalten sind. Die Randbedingungen können durch vorgegebene Schwellenwerte beispielsweise für Drehmomentschwankungen, Abgasschwärzungszahl, Verbrennungsstabilität, Verbrennungsgeräusch usw. definiert sein. Innerhalb des abgegrenzten Parameterraums wird ein Punkt ermittelt, an welchem ein Extremum für den Gehalt einer Abgaskomponente, insbesondere einer der Abgaskomponenten NOx, H₂, CO und HC oder ein Extremum für das Gehaltsverhältnis von zwei Abgaskomponenten, insbesondere von zwei der der Abgaskomponenten NOx, H₂, CO und HC wenigstens annähernd erreicht wird.
Zur Verdeutlichung der Vorgehensweise wird nachfolgend auf 2 Bezug genommen. In 2 ist beispielhaft ein dreidimensionaler Parameterraum 20 dargestellt, der aus den Motorbetriebsparametern P1, P2, P3 gebildet ist. Durch die vorgegebenen Grenzen p11, p12 für den Motorbetriebsparameter P1, die Grenzen p21, p22 für den Motorbetriebsparameter P2 sowie die Grenzen p31, p32 für den Motorbetriebsparameter P3 ist der dreidimensionale Parameterraum 20 in jeder seiner drei Dimensionen zweiseitig abgegrenzt. Zur wenigstens annähernden Ermittlung des hier maßgeblichen Extremums 21 wird vorzugsweise die Abhängigkeit des Gehalts einer Abgaskomponente oder die Abhängigkeit des Gehaltsverhältnisses von zwei Abgaskomponenten von jedem der drei ausgewählten Motorbetriebsparameter P1, P2, P3 einzeln ermittelt. Innerhalb der jeweiligen Wertebereiche ermittelte Werte, bei denen der Gehalt oder das Gehaltsverhältnis einen Maximal- oder Minimalwert annimmt, werden zu einem Vektor mit drei Komponenten zusammengefasst. Selbstverständlich kann das Extremum 21 auch auf eine Grenzfläche oder eine Grenzlinie des Parameterraums 20 fallen. In analoger Weise wird bei zwei oder bei mehr als drei, allgemein bei n ausgewählten Motorbetriebsparametern verfahren.
Die ermittelten Werte für n Motorbetriebsparameter des Extremums werden im zweiten Betriebsmodus bei Durchführung einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 eingestellt. Dabei ist vorgesehen, innerhalb eines für den Dieselmotor 1 maßgeblichen Last-Drehzahlkennfelds eine Mehrzahl von Extremwerten zu ermitteln und abzuspeichern, so dass innerhalb des ganzen oder zumindest im überwiegenden Teil des Betriebsbereiches des Dieselmotors 1 Motorbetriebsparameter zur Verfügung stehen, mit denen eine zumindest annähernd optimale Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators ermöglicht ist. Die Wertebereiche der jeweils ausgewählten Motorbetriebsparameter werden bevorzugt in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl, d. h. abhängig von der Lage des Betriebspunkts im Last-Drehzahlkennfeld gewählt. Falls für einen speziellen Betriebspunkt keine Werte für ein Extremum zur Verfügung stehen, wird bevorzugt zwischen den Werten interpoliert, die für benachbarte Betriebspunkte verfügbar sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einerseits zwischen betriebswarmem und nicht betriebswarmem Dieselmotor 1 bzw. Abgasreinigungsanlage 2 und andererseits zwischen einer Nitrat-Regeneration und einer Schwefel-Regeneration zu unterscheiden. Nachfolgend wird zunächst auf bevorzugte Einstellungen bei einer Nitrat-Regeneration bei nicht betriebswarmem Dieselmotor 1 bzw. nicht betriebswarmer Abgasreinigungsanlage 2 eingegangen.
Im unterstöchiometrischen Verbrennungsbetrieb des Dieselmotors 1, d. h. im zweiten Betriebsmodus wird bei nicht betriebswarmem Zustand bevorzugt eine AGR-Rate im Bereich von 10% bis 30%, ein Verbrennungsluftmassenstrom entsprechend etwa 10% bis 50% des im ersten Betriebsmodus eingestellten ungedrosselten Verbrennungsluftmassenstroms am Nenn-Betriebspunkt und ein Motorlambdawert λ_M im Bereich von 0,88 bis 0,92 eingestellt. Die genauen tatsächlichen Einstellwerte dieser Motorbetriebsparameter ergeben sich aus der vorab ermittelten Lage eines Minimums für den Gehalt von NOx und/oder eines Maximums für den Gehalt von H₂ in einem zumindest aus den genannten Motorbetriebsparametern und den genannten Wertebereichen gebildeten Parameterraum. Besonders bevorzugt werden Werte für diese Motorbetriebsparameter eingestellt, bei welchen innerhalb der genannten Wertebereiche ein Maximum für das H₂/NOx-Gehaltsverhältnis im vom Dieselmotor 1 beim jeweiligen Betriebspunkt abgegebenen Abgas wenigstens annähernd erreicht wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, zumindest den Raildruck und/oder den auf die Haupteinspritzmenge bezogenen Anteil der Nacheinspritzmenge ebenfalls in Bezug auf ein maximales H₂/NOx-Gehaltsverhältnis einzustellen. Entsprechende Werte für die beiden letztgenannten Motorbetriebsparameter werden vorzugsweise ebenfalls vorab ermittelt und in Tabellen- oder Kennfeldform bereit gehalten. Der Parameterraum wird damit um diese Motorbetriebsparameter erweitert. Dabei werden als Wertebereiche für den Raildruck etwa 40% bis 60% des Nenndrucks und für die Nacheinspritzmenge etwa 15% bis 40% der Haupteinspritzmenge vorgegeben. Durch die vergleichsweise hohe AGR-Rate von 10% bis 30% und den auf weniger als 50% abgesenkten Verbrennungsluftmassenstrom wird die NOx-Rohemission besonders wirksam abgesenkt und damit die zusätzliche NOx-Belastung des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 bei der Nitrat-Regeneration vermindert. Die Absenkung des Verbrennungsluftmassenstroms vergrößert zudem die Abgasverweilzeit im Stickoxid-Speicherkatalysator 6. Durch Einstellung des insbesondere für Dieselmotoren vergleichsweise niedrigen Motorlambdawerts λ_M von weniger als 0,92, besonders bevorzugt weniger als 0,90 wird im Zusammenhang mit den anderen Mototrbetriebsparametereinstellungen ein hoher H₂-Gehalt im Abgas erzielt.
Bei betriebswarmem Zustand und unterstöchiometrischem Verbrennungsbetrieb des Dieselmotors 1, d. h. im zweiten Betriebsmodus werden bevorzugt eine AGR-Rate im Bereich von 20% bis 40%, ein Verbrennungsluftmassenstrom entsprechend etwa 40% bis 60% des im ersten Betriebsmodus eingestellten ungedrosselten Verbrennungsluftmassenstroms am Nenn-Betriebspunkt und ein Motorlambdawert λ_M im Bereich von 0,93 bis 0,95 eingestellt. Die genauen Einstellwerte ergeben sich analog zum vorstehend beschriebenen Fall durch die betriebspunktabhängige und vorab ermittelte Lage eines Minimums für den Gehalt von NOx und/oder eines Maximums für den Gehalt von CO bzw. eines Maximums für das CO/NOx-Gehaltsverhältnis in einem zumindest aus den genannten Motorbetriebsparametern und den genannten Wertebereichen gebildeten Parameterraum. Vorzugsweise ist es vorgesehen, zumindest die Ansteuerbeginne für die Kraftstoff-Vor- und Nacheinspritzung ebenfalls in Bezug auf ein maximales CO/NOx-Gehaltsverhältnis einzustellen. Entsprechende Werte für die beiden letztgenannten Motorbetriebsparameter werden vorzugsweise ebenfalls vorab ermittelt und in Tabellen- oder Kennfeldform bereitgehalten. Der Parameterraum wird damit um diese Motorbetriebsparameter erweitert. Dabei werden als Wertebereiche für den Ansteuerbeginn der Voreinspritzung vorzugsweise etwa 2,0 ms bis 2,4 ms vor dem Ansteuerbeginn für die Kraftstoff-Haupteinspritzung vorgegeben. Als Ansteuerbeginn für die Nacheinspritzung wird bevorzugt ein Wert von 35°KWnOT bis 45°KWnOT vorgegeben.
Eine Schwefel-Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 wird generell nur bei betriebswarmem Dieselmotor 1 durchgeführt. Bevorzugt wird der Bedarf hierfür durch Abschätzung einer Schwefel-Speichermenge im Stickoxid-Speicherkatalysator 6 ermittelt, welche wiederum über die Laufstrecke und/oder den Kraftstoffverbrauch seit der letzten Schwefel-Regeneration sowie einen angenommenen Kraftstoffschwefelgehalt errechnet wird. Zur Durchführung einer Schwefel-Regeneration wird der Stickoxid-Speicherkatalysator 6 auf eine Temperatur von wenigstens 550°C, bevorzugt wenigsten 650° aufgeheizt. Die Schwefel-Regeneration erfolgt bei aufgeheiztem Zustand durch Einstellen einer Abfolge von unmittelbar aufeinander folgenden Betriebsphasen, in denen der Dieselmotor abwechselnd im ersten und im zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Typischerweise dauern die Betriebsphasen des ersten Betriebsmodus 5 s bis 10 s und die Betriebsphasen des zweiten Betriebsmodus 5 bis 20 s.
Für einen vorteilhaften Verlauf der Schwefel-Regeneration mit möglichst raschem und vollständigem Schwefelaustrag wird bevorzugt in einem Parameterraum, wiederum gebildet wenigstens aus den Motorbetriebsparametern AGR-Rate, Verbrennungsluftmassenstrom und Motorlambdawert λ_M, der H2-Gehalt oder das H2/HC-Gehaltsverhältnis des Motorabgases beim unterstöchiometrischen Betrieb des zweiten Betriebsmodus wenigstens annähernd maximal eingestellt. Genauer gesagt erfolgt die Maximierung in einem Parameterraum der bezüglich der AGR-Rate durch einen Wertebereich von 0% bis 15%, bezüglich des Verbrennungsluftmassenstroms durch einen Wertebereich von 10% bis 50% und bezüglich des Motorlambdawerts λ_M durch einen Wertebereich von 0,88 bis 0,92 abgegrenzt ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, zumindest die Ansteuerbeginne für die Kraftstoff-Vor- und Nacheinspritzung ebenfalls in Bezug auf einen maximalen CO-Gehalt oder ein maximales CO/HC-Gehaltsverhältnis im abgegrenzten Parameterraum einzustellen. Entsprechende Werte für die beiden letztgenannten Motorbetriebsparameter werden vorzugsweise ebenfalls vorab ermittelt und in Tabellen- oder Kennfeldform bereitgehalten. Der Parameterraum wird damit um diese Motorbetriebsparameter erweitert. Dabei werden als Wertebereiche für den Ansteuerbeginn der Voreinspritzung vorzugsweise etwa 2,3 ms bis 2,5 ms vor dem Ansteuerbeginn für die Kraftstoff-Haupteinspritzung vorgegeben. Als Ansteuerbeginn für die Nacheinspritzung wird bevorzugt ein Wert von 38°KWnOT bis 42°KWnOT vorgegeben. Optional kann zur weiteren Verbesserung zusätzlich der Raildruck derart eingestellt werden, dass im Bereich von 60% bis 80% des Nenndrucks ein wenigstens annähernd maximaler CO-Gehalt oder ein maximales CO/HC-Gehaltsverhältnis resultiert.
Durch eine wie erläutert vorgenommene Einstellung von Motorbetriebsparametern im Sinne einer Maximierung des Gehalts einer Abgaskomponente bzw. des Gehaltsverhältnisses von zwei Abgaskomponenten für einen jeweils vorgebbar abgegrenzten Wertebereich ist eine Optimierung der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 6 ermöglicht. Generell ist es für den dabei eingestellten unterstöchiometrischen Verbrennungsbe trieb des zweiten Betriebsmodus des Dieselmotors 1 vorgesehen, die Haupteinspritzung gegenüber den üblichen Werten des mageren ersten Betriebsmodus zu ”späteren” Kurbelwellenwinkeln zu verschieben. Bevorzugt sind Werte für den entsprechenden Ansteuerbeginn des Injektor-Steuerstroms im Bereich von OT bis 5°KWnOT.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19731623 B4 [0002]

Claims

Verfahren zur Regeneration eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors (1) angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators (6), wobei – ein Satz von n vorgebbaren, einen Gehalt mindestens einer Komponente des vom Dieselmotor (1) abgegebenen Abgas beeinflussenden Motorbetriebsparametern derart ausgewählt wird, dass von den ausgewählten Motorbetriebsparametern ein n-dimensionaler Parameterraum gebildet wird, – Wertebereiche für jeden der ausgewählten Motorbetriebsparameter derart vorgegeben werden, dass der n-dimensionale Parameterraum in jeder seiner n Dimensionen zweiseitig abgegrenzt wird, – innerhalb des abgegrenzten Parameterraums eine Kombination von Werten für die ausgewählten Motorbetriebsparameter ermittelt wird, bei welcher ein Extremum für den Gehalt einer vorgebbaren Abgaskomponente oder für ein Gehaltsverhältnis von zwei vorgebbaren Abgaskomponenten in dem vom Motor abgegebenen Abgas zumindest annähernd erreicht wird und – die dem Extremum zugeordneten Werte der ausgewählten Motorbetriebsparameter bei unterstöchiometrischem Verbrennungsbetrieb des Dieselmotors zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (6) eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen betriebswarmen Dieselmotor (1) ein erster Satz von Motorbetriebsparametern und für einen nicht betriebswarmen Motor ein zweiter Satz von Motorbetriebsparametern ausgewählt wird, wobei der erste Satz von Motorbetriebsparametern sich in wenigstens einem Motorbetriebsparameter von dem zweiten Satz von Motorbetriebsparametern unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der für nicht betriebswarmen Dieselmotor (1) ausgewählten Motorbetriebsparameter des ersten Satzes derart ermittelt werden, dass in dem vom Motor abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten Wasserstoff und Stickoxid wenigstens annähernd erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der für betriebswarmen Dieselmotor (1) ausgewählten Motorbetriebsparameter des zweiten Satzes derart ermittelt werden, dass in dem vom Dieselmotor (1) abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid und Stickoxid wenigstens annähernd erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Satz von Motorbetriebsparametern wenigstens eine Abgasrückführrate, einen Verbrennungsluftmassenstrom und ein Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regenerationszeit für eine Nitrat-Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (6) und eine innerhalb der Regenerationszeit dem Stickoxid-Speicherkatalysator mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge derart vorgesehen sind, dass die innerhalb der Regenerationszeit dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge wenigstens zur Reduktion der bei Start der Nitrat-Regeneration im Stickoxid-Speicherkatalysator (6) gespeicherten Stickoxidmenge ausreicht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Nitrat-Regeneration für eine vorgebbare erste Zeitspanne ein konstanter Motor-Lambdawert (λ_M) von kleiner als 1,0 eingestellt wird und nach Ablauf der ersten Zeitspanne für den verbleibenden Teil der Regenerationszeit ein zeitlich zunehmender Motor-Lambdawert (λ_M) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu Beginn der Nitrat-Regeneration in der ersten Zeitspanne dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) mit dem Abgas zugeführte Reduktionsmittelmenge mehr als 50% der dem Stickoxid-Speicherkatalysator (6) während der Nitrat-Regeneration insgesamt zugeführten Reduktionsmittelmenge beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Schwefel-Regeneration bei betriebswarmem Dieselmotor (1) ein dritter Satz von Motorbetriebsparametern ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der für betriebswarmen Dieselmotor (1) ausgewählten Motorbetriebsparameter des dritten Satzes derart ermittelt werden, dass in dem vom Dieselmotor (1) abgegebenen Abgas ein maximales Gehaltsverhältnis der Abgaskomponenten Wasserstoff und Kohlenwasserstoff wenigstens annähernd erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Satz von Motorbetriebsparametern wenigstens eine Abgasrückführrate, einen Verbrennungsluftmassenstrom und ein Verbrennungs-Luft-Kraftstoffverhältnis umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselmotor (1) mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung in einen oder mehrere Brennräume betrieben wird, wobei die Kraftstoffeinspritzung eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung und eine drehmomentwirksame Nacheinspritzung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz und/oder der zweite Satz und/oder der dritte Satz von Motorbetriebsparametern einen Ansteuerbeginn für die Nacheinspritzung und/oder ein Mengenverhältnis von Nacheinspritzung und Haupteinspritzung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wertebereiche der ausgewählten Motorbetriebsparameter in Abhängigkeit von Motorlast und Motordrehzahl abgegrenzt werden.