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WO1999036689A1 - MAGER-REGENERATION VON NOx-SPEICHERN - Google Patents

MAGER-REGENERATION VON NOx-SPEICHERN Download PDF

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WO1999036689A1
WO1999036689A1 PCT/EP1998/008290 EP9808290W WO9936689A1 WO 1999036689 A1 WO1999036689 A1 WO 1999036689A1 EP 9808290 W EP9808290 W EP 9808290W WO 9936689 A1 WO9936689 A1 WO 9936689A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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exhaust gas
lean
rich
regeneration
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1998/008290
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ekkehard Pott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to EP98965852A priority Critical patent/EP1049861B1/de
Priority to DE59806001T priority patent/DE59806001D1/de
Publication of WO1999036689A1 publication Critical patent/WO1999036689A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually
    • F02D41/0082—Controlling each cylinder individually per groups or banks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
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    • F02D41/0275—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a NOx trap or adsorbent
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    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1408—Dithering techniques

Definitions

  • the invention relates to a method for regeneration of a NOx storage catalytic converter in lean-burn internal combustion engines.
  • An internal combustion engine can be operated lean if it is used at least for a subset of all conceivable speed-load combinations (in particular 1.5 x idle speed to 0.25 x nominal speed, 0.05 to 0.15 x Pme, max) Lambda> 1, 1 and particularly advantageously Lambda> 1, 3 can be operated over periods of> 10 seconds and particularly advantageously> 30 seconds.
  • the air-fuel ratio in the exhaust gas from lambda-controlled gasoline engines is usually monitored by one or more lambda sensors arranged in the exhaust line before and / or after the catalytic converter (s).
  • slightly rich and slightly lean exhaust gas is thus generated in the engine and pushed out into the exhaust system.
  • all cylinders do not run without a deviation from one another or without a deviation from the desired lambda signal. Since the gas columns are mixed on the way through the exhaust gas aftertreatment, with stoichiometric control the catalyst does not have sharply separated exhaust gas qualities, but clouds with rich and lean exhaust gas.
  • each volume element of the NOx storage catalytic converter alternates with time and place depending on the stoichiometric or lean exhaust gas with a relatively high oxygen concentration in the exhaust gas rich and lean exhaust gas.
  • the ⁇ value advantageously oscillates in the direction of the time axis around an average value ⁇ m , the average value ⁇ m being greater than or equal to one, in particular> 1.05.
  • the oscillation of the ⁇ value around the mean value ⁇ m can be a sinusoidal oscillation or, for example, a triangular oscillation, such as a sawtooth.
  • the amplitude of the oscillation is advantageously changed.
  • the frequency of the vibration can also be made variable. In other words, it can Amplitude or frequency modulation of the ⁇ function take place. In the corresponding application, amplitude and frequency modulation can be combined.
  • the average ⁇ value can advantageously be generated by cylinder-selective control of the internal combustion engine. That is, some of the cylinders are operated with a rich ⁇ value, while the other part of the cylinders are operated with a lean ⁇ value.
  • the individual ⁇ values of both the rich cylinder and those of the lean cylinder can differ from one another and from one another and are adapted to the respective requirement. Furthermore, the ⁇ value of the individual cylinder can be changed from cycle to cycle.
  • control of the lean exhaust gas can advantageously be generated by a change in the leaning rate or by a change in the dead times of the change in the injection quantity.
  • control frequencies of the ⁇ vibration are currently in the order of 0.1 to 20 Hz and are ultimately a function of the response times of the ⁇ probes used. With the development of probes with faster reaction times, it will be possible to increase the control frequency, whereby very high control frequencies can have a negative effect on the regeneration times with an average lean exhaust gas due to the decreasing "cloud formation".
  • FIGS. 1-5 each schematically show a storage catalytic converter in the upper part and the corresponding ⁇ function in the lower part;
  • 7 shows a frequency modulation of the ⁇ signal
  • 8 shows waveforms of the ⁇ signal in the form of a left-hand and right-hand saw tooth
  • Fig. 9 shows the course of the ⁇ signal when the lean regulation
  • Fig. 12 shows the adjustment of ⁇ > 1 by cylinder-selective
  • FIGS. 1-5 graphically show the underlying mechanisms of lean regeneration of NOx stores.
  • An exhaust system 1 which has a NOx storage catalytic converter 2, is shown in the respective upper part of FIGS. 1-5.
  • An idealized catalytic converter element 3 is considered in the storage catalytic converter, the flow through the catalytic converter element 3 being shown with the different exhaust gas qualities.
  • the corresponding ⁇ values are plotted against time t in the lower part of FIGS. 1-5.
  • the origin of the time axis is located at ⁇ value one.
  • the ⁇ values greater than one (lean exhaust gas) are shown above and the ⁇ values less than one (rich exhaust gas) are shown below.
  • the mean value ⁇ m is shown as a dashed line.
  • FIG. 1 shows an exclusively rich exhaust gas 4, represented by the hatching of the entire exhaust system 1. With this rich regeneration, the shortest regeneration times are possible thanks to time and location-resolved almost 100% rich flow. Because of the complete flow through the storage catalytic converter 2 with rich exhaust gas 4, any catalytic converter element 3 is always flowed through with rich exhaust gas 4 in both temporal and spatial resolution. In the lower part of Fig. 1 is the time course of ⁇ am Catalyst element 4 shown. Due to the control frequency of the ⁇ probe, the ⁇ value oscillates around an average value ⁇ m , the amplitude of the ⁇ oscillation always being in the rich range, ie ⁇ ⁇ 1. In other words, as is shown schematically in the upper part of FIG. 1, the catalytic element 3 is always flowed through with rich exhaust gas, the exhaust gas being periodically more or less rich.
  • FIG. 2 shows the situation in an exhaust system 1 with a NOx storage catalytic converter, through which rich exhaust gas 4 and lean exhaust gas 5 flow.
  • This is shown schematically by rich exhaust gas clouds 4 (hatched areas) which are surrounded by lean exhaust gas clouds 5 (shown as white areas).
  • any catalytic converter element 3 is flowed through in a temporally and spatially resolving manner, alternately with rich exhaust gas 4 and lean exhaust gas 5. That is, there are already small, lean fractions in the exhaust gas, so that time and location-resolved flow through all catalyst zones is not always rich. Shown in the lower part of FIG.
  • the time components of rich and lean exhaust gas 4, 5 are thus approximately the same, which leads to approximately the same areas I of regeneration and areas II of no regeneration in the lower part of FIG. 3.
  • the NOx storage is also regenerated here, however, the regeneration duration continues to increase.
  • Fig. 4 shows the situation with globally leaner exhaust gas, shown schematically by the fact that the number of clouds of rich exhaust gas 4 is less than the lean exhaust gas 5.
  • the time and location components of the rich exhaust gas 4 continue to decrease and the regeneration duration increases increasingly .
  • this means that the amplitudes of ⁇ are largely above the value 1 and only a small part of the values of ⁇ are below the value 1.
  • the middle one Value ⁇ m is above 1.
  • the regeneration areas I are smaller than the areas II in which no regeneration takes place. However, the NOx storage is still regenerated here.
  • Fig. 5 shows the situation with very lean exhaust gas 5.
  • a net storage discharge is only possible if the NOx mass flow converted by the time and place-resolved regeneration is greater than the lean NOx storage.
  • the course of ⁇ and the mean value ⁇ m are now completely above 1, ie there is only area II without regeneration.
  • FIG. 7 shows an optimization of the regeneration speed in NOx stores with oxygen storage capability by changing the control frequency, represented by a ⁇ oscillation in which the control frequency is varied.
  • the control frequency is reduced, with ⁇ fluctuating around an average value ⁇ m .
  • the frequency of the change between rich and lean flow influences the regeneration time.
  • a decreasing wobble frequency also causes a decrease in the regeneration times.
  • Regeneration areas I, non-regeneration areas II, and areas III can be seen in the areas defined by the oscillation of ⁇ , regeneration also not taking place in areas III below the stoichiometric ⁇ value, since stored O2 is consumed in the case of an oxygen-storing NOx store .
  • there is therefore a decrease in the control frequency an increase in the usable amount of reducing agent and a Increase in the rate of regeneration.
  • the control frequencies are currently in the order of 0.1 to 20 Hz.
  • Fig. 8 shows the variation of the pollutant reduction properties by a shape of ⁇ . It has been shown that shaping the fat-lean jumps influences the regeneration behavior.
  • the left graph in FIG. 8 shows a rapid enrichment and subsequent slow leaning. In the illustration, this results in the sawtooth curve falling rapidly after fat, also referred to as right-hand sawtooth, which shortens the NOx regeneration by starting the NOx conversion quickly, but there is a risk of HC and CO breakdowns.
  • the sawtooth shown on the right represents a rapid leaning and then slow enrichment (left-sided sawtooth).
  • the corresponding exhaust gas quality is generated controlled by a step response or broadband lambda probe.
  • FIG. 9 shows the control of a lean exhaust gas by changing the dead times of the injection quantity change in the case of a step response probe.
  • the setting of the globally lean exhaust gas takes place through different dead times between the detection of lean exhaust gas and the command to enrich the mixture and the detection of rich exhaust gas and the command to lean the mixture.
  • T1 means the dead time until the detection of "lambda lean”
  • T2 the dead time until the readjustment of the injection after rich
  • T3 the dead time until the detection of "lambda rich”
  • T4 the dead time until the readjustment of the injection after skinny.
  • FIG. 10 shows a control of a lean exhaust gas with a step response probe by changing the leaning rate, that is to say by means of different rates of change during enriching and leaning, whereby the ancestor of FIG. 8 is realized.
  • the meaning of the reference symbols T1, T2, T3 and T4 corresponds to that of FIG. 9.
  • the two arrows in the right part of FIG. 10 for ⁇ m > 1 indicate a faster and stronger emaciation with lean exhaust gas.
  • the target signal of the average lambda ⁇ m is set to the desired value (lambda> 1) and the time components of rich exhaust gas are monitored via frequency and amplitude.
  • FIG. 11 shows the regulation of ⁇ m > 1 by influencing the cylinder-selective injection quantity in broadband lambda sensors, the mean value ⁇ m being represented by the dashed line.
  • n-cylinder engine 1 to (n-1) cylinders here cylinders 1, 2, 3 and 4
  • the lambda signal continues to be used for global regulation to ⁇ m > 1.
  • lambda is regulated by regulating at least one lean-running cylinder. 11 is divided into areas A, B and C, which have the following meanings:
  • FIG. 12 shows a cylinder-selective injection quantity influencing for the generation of a lean exhaust gas with a step response probe.
  • the thick line means the ⁇ of the individual cylinders
  • the dashed line an average ⁇ over a cycle
  • the double solid line means the average ⁇ m over several cycles.
  • the cylinders running bold and / or stoichiometrically are also controlled and the cylinders running lean are regulated.

Landscapes

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Reinigen des Abgases einer mager betreibbaren, lambda -geregelten Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator (2) und einer lambda -Sonde, wird bei stöchiometrischem oder magerem Abgas (5) mit relativ hoher Sauerstoffkonzentration im Abgas jedes Volumenelement (3) des NOx-Speicherkatalysators zeit- und ortsabhängig alternierend mit fettem (4) und magerem (5) Abgas beaufschlagt. Dabei führt der lambda -Wert in Richtung der Zeitachse eine Schwingung um einen mittleren Wert lambda m aus, wobei der mittlere Wert lambda m grösser oder gleich eins ist.

Description

ager-Regeneration von NOx-Speichern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bei mager betreibbaren Brennkraftmotoren. Ein Brennkraftmotor ist mager betreibbar, wenn er zumindest für ein Teilmenge aller denkbaren Drehzahl-Last-Kombinationen (insbesondere 1 ,5 x Leerlauf-Drehzahl bis 0,25 x Nenn-Drehzahl, 0,05 bis 0,15 x Pme,max) mit Lambda > 1 ,1 und besonders vorteilhaft Lambda > 1 ,3 über Zeiträume von > 10 Sekunden und besonders vorteilhaft > 30 Sekunden betrieben werden kann.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas von lambdageregelten Ottomotoren wird üblicherweise durch eine oder mehrere im Abgasstrang vor und/oder nach dem/den Katalysator(en) angeordnete Lambdasonde(n) überwacht. Konventionelle Sprungsonden zeigen bei Lambda = 1 einen ausgeprägten Spannungssprung, der in der Motorsteuerung genutzt wird, um die Einspritzmenge bei hoher Spannung in Richtung „Mager" und bei niedriger Spannung in Richtung „Fett" zu verschieben. Mit der Regelfrequenz der Sonde wird somit im Motor leicht fettes und leicht mageres Abgas erzeugt und in die Abgasanlage ausgeschoben. Überdies laufen alle Zylinder bei realem Motorbetrieb weder ohne Abweichung untereinander noch ohne Abweichung zum Lambda-Sollsignal. Da die Gassäulen auf dem Weg durch die Abgasnachbehandlung vermischt werden, kommen bei stöchiometrischer Regelung am Katalysator keine scharf getrennten Abgasqualitäten, sondern Wolken mit fettem und magerem Abgas an.
Die gesamte derzeitige Fach- und Patentliteratur, insbesondere diejenige von Toyota, gibt als Voraussetzung für die Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren ein fettes oder stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis an. Für die Regeneration wird eine sauerstoffreie Umgebung sowie das Vorhandensein eines Reduktionsmittels (HC oder CO) gefordert. Bei homogener Anströmung, wie z.B. auf Synthesegasprüfständen, läßt sich diese Randbedingung über den gesamten Katalysatorquerschnitt für beliebig lange Zeiträume darstellen; am Motor ist dies nicht möglich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regenerationsverfahren für den NOx-Speicher einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das auch in einer sauerstoffbehafteten Abgasatmophäre arbeitet.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Reinigen des Abgases einer mager betreibbaren, λ-geregelten Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator und einer λ-Sonde wird bei stöchiometrischem oder mageren Abgas mit relativ hoher Sauerstoffkonzentration im Abgas jedes Volumenelement des NOx-Speicherkatalysators zeit- und ortsabhängig alternierend mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt.
Durch Versuche mit NOx-Speicherkatalysatoren an einem ausmagerungsfähigen Motor mit betriebszustandsabhängiger λ-Regelung konnte nachgewiesen werden, daß bei stöchiometrischem Abgas und relativ hohen Restsauerstoffkonzentrationen tatsächlich eine sichere NOx-Regeneration möglich ist. Dabei wird jedes Element des NOx- Speicherkatalysators zeit- und ortsabhängig abwechselnd mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt. Die NOx-Regeneration findet dabei in den Zeitanteilen mit fetter Beaufschlagung statt. Dieser Effekt wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt, um auch bei im Mittel magerem Abgas NOx-Speicherkatalysatoren reinigen zu können. Die Regenerationsdauer richtet sich nach den Zeitanteilen der fetten Beaufschlagung; gegenüber global fettem Abgas ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verlängerung der Regenerationsdauer zu rechnen.
Vorteilhafterweise führt dabei der λ-Wert in Richtung der Zeitachse eine Schwingung um einen mittleren Wert λm aus, wobei der mittlere Wert λm größer oder gleich eins, insbesondere > 1 ,05, ist. Dabei kann es sich bei der Schwingung des λ-Werts um den Mittelwert λm um eine sinusförmige Schwingung oder beispielsweise um eine Dreiecksschwingung, wie beispielsweise einen Sägezahn, handeln.
Um eine bestimmtes Regenerationsverhalten des NOx-Speichers zu erhalten, wird vorteilhafterweise die Amplitude der Schwingung verändert. Ferner kann auch die Frequenz der Schwingung variabel gestaltet werden. Mit anderen Worten, es kann eine Amplituden- bzw. Frequenzmodulation der λ-Funktion erfolgen. Im entsprechenden Anwendungsfall können Amplituden- und Frequenzmodulation kombiniert werden.
Vorteilhafterweise kann der mittlere λ-Wert durch eine zylinderselektive Regelung der Brennkraftmaschine erzeugt werden. D. h., ein Teil der Zylinder wird mit einem fetten λ- Wert betrieben, während der andere Teil der Zylinder mit einem mageren λ-Wert betrieben wird. Dabei können die einzelnen λ-Werte sowohl der fetten Zylinder als auch diejenigen der mageren Zylinder voneinander und untereinander unterschiedlich sein und werden der jeweiligen Anforderung angepaßt. Ferner kann der λ-Wert des einzelnen Zylinders von Zyklus zu Zyklus geändert werden.
Ferner kann vorteilhafterweise die Regelung des mageren Abgases durch eine Änderung der Ausmagerungsgeschwindigkeit oder durch eine Änderung der Totzeiten der Einspritzmengenänderung erzeugt werden.
Die Regelfrequenzen der λ- Schwingung liegen derzeit in der Größenordnung von 0,1 bis 20 Hz und sind letztlich eine Funktion der Reaktionszeiten der verwendeten λ- Sonden. Mit der Entwicklung von Sonden mit schnelleren Reaktionszeiten wird es möglich sein, die Regelfrequenz zu erhöhen, wobei sich sehr hohe Regelfrequenzen wegen der abnehmenden „Wolkenbildung" negativ auf die Regenerationszeiten bei im Mittel magerem Abgas auswirken können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Die Figuren 1 - 5 zeigen jeweils im oberen Teil schematisch einen Speicherkatalysator und im unteren Teil die entsprechende λ- Funktion;
Fig. 6 zeigt eine Amplitudenmodulation des λ-Signals,
Fig. 7 zeigt eine Frequenzmodulation des λ-Signals, Fig. 8 zeigt Verlaufsformungen des λ-Signals in der Form eines linksseitigen und rechtsseitigen Sägezahns,
Fig. 9 zeigt den Verlauf des λ-Signals bei einer Regelung des mageren
Abgases durch Änderung der Totzeiten der Einspritzmengenänderung,
Fig. 10 zeigt den Verlauf des λ-Signals bei einer Regelung des mageren
Abgases durch Änderung der Ausmagerungsgeschwindigkeit,
Fig. 11 zeigt die Einregelung von λ > 1 durch zylinderselektive
Einspritzmengen-Beeinflussung bei Breitband-Lambdasonden, und
Fig. 12 zeigt die Einregelung von λ > 1 durch zylinderselektive
Einspritzmengen-Beeinflussung bei Sprungantwort-Lambdasonden.
Die Figuren 1 - 5 zeigen grafisch die zugrundeliegenden Mechanismen der Mager- Regeneration von NOx-Speichem. Dargestellt sind im jeweiligen oberen Teil der Figuren 1 - 5 eine Abgasanlage 1 , die einen Nox-Speicherkatalysator 2 aufweist. In dem Speicherkatalysator wird ein idealisiertes Katalysatorelement 3 betrachtet, wobei die Durchströmung des Katalysatorelements 3 mit den verschiedenen Abgasqualitäten dargestellt ist. Im unteren Teil der jeweiligen Figur 1 - 5 sind die entsprechende λ-Werte gegenüber der Zeit t aufgetragen. Dabei ist der Ursprung der Zeitachse am λ-Wert Eins angesiedelt. Nach oben sind die λ-Werte größer Eins (mageres Abgas) und nach unten die λ-Werte kleiner Eins (fettes Abgas) dargestellt. Ferner ist noch der mittlere Wert λm als gestrichelte Linie dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein ausschließlich fettes Abgas 4, dargestellt durch die ausfüllende Schraffierung der gesamten Abgasanlage 1. Bei dieser fetten Regeneration sind die kürzesten Regenerationszeiten dank zeit- und ortsaufgelöst nahezu 100 % fetter Durchströmung möglich. Aufgrund der kompletten Durchströmung der Speicherkatalysators 2 mit fettem Abgas 4 wird ein beliebiges Katalysatorelement 3 immer mit fettem Abgas 4 sowohl in zeitlicher als auch räumlicher Auflösung durchströmt. Im unteren Teil von Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf von λ am Katalysatorelement 4 dargestellt. Aufgrund der Regelfrequenz der λ-Sonde schwingt der λ-Wert um einen mittleren Wert λm, wobei sich die Amplitude der λ-Schwingung immer im fetten Bereich, d. h. λ < 1 , aufhält. Mit anderen Worten, wie es im oberen Teil der Fig. 1 schematisch dargestellt ist, das Katalysatorelement 3 wird immer mit fettem Abgas durchströmt, wobei das Abgas periodisch mehr oder weniger fett ist.
Fig. 2 zeigt die Situation in einer Abgasanlage 1 mit NOx-Speicherkataiysator, die von fettem Abgas 4 und magerem Abgas 5 durchströmt wird. Dies ist schematisch durch fette Abgaswolken 4 (schraffierte Flächen) dargestellt, die von mageren Abgaswolken 5 (dargestellt als weiße Flächen) umgeben sind. Anschaulich ist daher klar, daß ein beliebiges Katalysatorelement 3 in zeitlicher und räumlicher Auflösung statistisch abwechselnd mit fettes Abgas 4 und magerem Abgas 5 durchströmt wird. D.h. es sind bereits geringe magere Anteile im Abgas vorhanden, so daß zeit- und ortsaufgelöst nicht alle Katalysatorzonen ständig fett durchströmt werden. In dem unteren Teil der Fig. 2 dargestellt, bedeutet dies, das der mittlere Wert λm naher an λ = 1 liegt, und die Amplituden des λ-Werts den stöchiometrischen Wert von λ = 1 überschreiten. Damit findet in den schraffierten Gebieten I, in denen der λ-Wert den Wert 1 unterschreitet, eine Regeneration statt, während in den Gebieten II, in denen der λ-Wert von 1 überschritten wird, keine Regeneration erfolgt. Im statistischen Mittel erfolgt bezogen auf den mittleren Wert λm nahe 1 insgesamt eine Regeneration des NOx-Speichers.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Situation wie Fig. 2 mit dem Unterschied, daß der mittlere Wert λm = 1 ist. Damit sind die Zeitanteile fetten und mageren Abgases 4, 5 etwa gleich, was in etwa zu gleichen Gebieten I einer Regeneration und solchen Gebieten II keiner Regeneration in dem unteren Teil der Fig. 3 führt. Eine Regeneration des NOx- Speichers erfolgt auch hier, allerdings nimmt die Regenerationsdauer weiter zu.
Fig. 4 zeigt die Situation bei global weiter ausgemagertem Abgas, schematisch dadurch dargestellt, daß die Anzahl der Wolken fetten Abgases 4 geringer ist als die mageren Abgases 5. Die Zeit- und Ortsanteile des fetten Abgases 4 nehmen weiter ab und die Regenerationsdauer verlängert sich zunehmend. In der unteren Darstellung der Fig. 4 bedeutet dies, daß die Amplituden von λ zum Großteil oberhalb des Wertes 1 liegen und nur noch ein geringer Teil der Werte von λ unterhalb des Wertes 1 liegen. Der mittlere Wert λm liegt oberhalb von 1. Die Regenerationsbereiche I sind kleiner als die Bereiche II, in denen keine Regeneration stattfindet. Allerdings findet auch hier noch eine Regeneration des NOx-Speichers statt.
Fig. 5 zeigt die Situation bei sehr magerem Abgas 5. In der Darstellung sind keine fetten Abgaswolken mehr vorhanden, bzw. die Zeit- und Ortsanteile des fetten Abgases werden zu klein für eine praxisgerechte Regenerationsdauer. Eine Netto- Speicherentladung ist nur möglich, wenn der durch die zeit- und ortsaufgelöste Regeneration umgesetzte NOx-Massenstrom größer als die Mager-NOx-Einlagerung ist. In der unteren λ-Darstellung liegt nun der Verlauf von λ sowie der mittlere Wert λm komplett oberhalb von 1 , d. h. es gibt nur noch Bereich II ohne Regeneration.
Fig. 6 zeigt die Anhebung der Reduktionsmittelmenge bei vorgegebenem mittleren Wert λm durch eine Erhöhung der λ-Amplitude. Bei steigendem Schadstoffanteil ist tendenziell mit abnehmender Regenerationsdauer zu rechnen. Deutlich zu erkennen ist, daß in Richtung des Pfeiles die Amplitude von λ zunimmt und daher auch die Regenerationsbereiche I flächenmäßig größer werden, d. h. der zur Regeneration notwendige Schadstoffanteil erhöht sich in Richtung des Pfeiles. Ebenso nimmt die Regenerationsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles zu. Die Amplitudenerhöhung von λ kann auch als Amplitudenmodulation bezeichnet werden.
Fig. 7 zeigt eine Optimierung der Regenerationsgeschwindigkeit bei NOx-Speichern mit Sauerstoffspeicherfähigkeit durch Änderung der Steuerfrequenz, dargestellt durch eine λ-Schwingung, bei der die Steuerfrequenz variiert wird. Im vorliegenden Beispiel wird die Steuerfrequenz erniedrigt, wobei λ um einen mittleren Wert λm schwankt. Die Häufigkeit des Wechsels zwischen fetter und magerer Durchströmung (Wobble-Frequenz) beeinflußt die Regenerationsdauer. Mit steigender Sauerstoffspeicherfähigkeit des NOx- Speicher bewirkt eine abnehmende Wobble-Frequenz auch eine Abnahme der Regenerationszeiten. In den von der Schwingung von λ definierten Flächen sind Regenerationsbereiche I, Nichtregenerationsbereiche II, sowie Bereiche III zu erkennen, wobei in den Bereichen III unterhalb des stöchiometrischen λ-Werts ebenfalls keine Regeneration erfolgt, da gespeichertes O2 im Falle eines sauerstoffspeichernden NOx- Speichers verbraucht wird. In Richtung des Pfeiles erfolgt daher eine Abnahme der Steuerfrequenz, eine Zunahme der verwertbaren Reduktionsmittelmenge sowie eine Zunahme der Regenerationsgeschwindigkeit. Die Steuerfrequenzen liegen derzeit, wie bereits erwähnt in der Größenordnung von 0,1 bis 20 Hz.
Fig. 8 zeigt die Variation der Schadstoffminderungseigenschaften durch eine Verlaufsformung von λ. Es hat sich gezeigt, daß eine Ausformung der fett-mager- Sprünge das Regenerationsverhalten beeinflußt. Der linke Graph der Fig. 8 zeigt ein rasches Anfetten und nachfolgendem langsamen Ausmagern. Dies ergibt in der Darstellung den links dargestellten schnell nach fett abfallenden Sägezahnverlauf, auch als rechtsseitigen Sägezahn bezeichnet, der die NOx-Regeneration verkürzt, indem die NOx-Umsetzung schnell anspringt, allerdings besteht die Gefahr von HC- und CO- Durchschlägen. Der rechts dargestellte Sägezahn stellt ein rasches Ausmagern und nachfolgend langsames Anfetten dar (linksseitiger Sägezahn). Ein derartiger schnell nach fett abfallender Verlauf bewirkt ein langsameres Anspringen der NOx-Umsetzung mit einer besseren Kontrolle der HC- und CO-Durchschläge und bewirkt eine längere Regenerationszeit im Vergleich zu dem linken Sägezahnverlauf des schnellen Anfettens. Das Ausmagern und Anfetten muß abweichend von der idealisierten Bilddarstellung nicht notwendigerweise linear erfolgen. Ferner sind wieder die Bereiche I der Regeneration sowie die ohne Regeneration II dargestellt.
Die Erzeugung der entsprechenden Abgasqualität erfolgt geregelt durch eine Sprungantwort- oder Breitband-Lambdasonde.
Fig. 9 zeigt die Regelung eines mageren Abgases durch Änderung der Totzeiten der Einspritzmengenänderung bei einer Sprungantwortsonde. Bei einer derartigen Sprungantwortsonde erfolgt die Einstellung des global mageren Abgases durch unterschiedliche Totzeiten zwischen dem Erkennen mageren Abgases und dem Befehl zur Gemischanfettung sowie dem Erkennen fetten Abgases und dem Befehl zum Gemisch-Ausmagern. Aufgetragen in Fig. 9 ist im oberen Graph die Sondenspannung Vs einer Sprungantwortsonde gegenüber der Zeit t und im unteren Teil der Fig. 9 das entsprechende Einspritzmengensignal E gegenüber der Zeit., und zwar einmal für einen mittleren Wert λm = 1 und im rechten Teil für λm > 1. Dabei bedeutet T1 die Totzeit bis zum Erkennen "Lambda Mager", T2 die Totzeit bis zur Nachregelung der Einspritzung nach fett, T3 die Totzeit bis zum Erkennen "Lambda fett" und T4 die Totzeit bis zur Nachregelung der Einspritzung nach mager. Auf diese Weise ist eine Realisierung der Vorschläge der Figuren 4 und 6 möglich. Dabei zeigt der eingezeichnete Pfeil im rechten Teil der Fig. 9 für λm > 1 auf eine längere Totzeit T4 bei magerem Abgas im Vergleich zu T4 des linken Teils der Fig. 9 für λm = 1.
Fig. 10 zeigt eine Regelung eines mageren Abgases mit einer Sprungantwortsonde durch eine Änderung der Ausmagerungsgeschwindigkeit, d. h. durch unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten beim Anfetten und Ausmagern, wodurch das Vorfahren der Fig. 8 realisiert wird. Die Bedeutung der Bezugszeichen T1 , T2, T3 und T4 entspricht derjenigen der Fig. 9. Die beiden Pfeile im rechten Teil der Fig. 10 für λm > 1 deuten auf eine schnellere und stärkere Ausmagerung bei magerem Abgas hin.
Bei Breitbandsonden wird das Sollsignal des mittleren Lambda λm auf den gewünschten Wert (Lambda > 1 ) eingestellt und über Frequenz und Amplitude die Zeitanteile fetten Abgases überwacht.
Fig. 11 zeigt die Einregelung von λm > 1 durch zylinderselektive Einspritzmengen- Beeinflussung bei Breitband-Lambsdasonden, wobei der mittlere Wert λm durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Neben der Beaufschlagung aller Zylinder mit dem gleichen Einspritzsignal ist auch denkbar, daß bei einem n-Zylinder-Motor 1 bis (n-1) Zylinder (hier Zylinder 1 , 2, 3 und 4) ein von den übrigen Zylindern abweichendes Einspritzsignal bekommen, wobei auch mehr als zwei unterschiedliche Einspritzsignale vorgegeben werden können (z. B. Ix sehr fett, Ix leicht fett, 2x mager). Bei Breitband- Lambdasonden wird weiterhin das Lambdasignal zur globalen Regelung auf λm > 1 verwendet. Bei Steuerung der fett und/oder stöchiometrisch laufenden Zylinder wird Lambda durch Regelung mindestens eines mager laufenden Zylinders geregelt. Die Fig. 11 ist in die Bereiche A, B und C unterteilt, die die folgenden Bedeutungen haben:
A: Steuerung der fetten Zylinder 1 und 4, angepaßte Regelung der Zylinder 2 und 3 (Idealfall).
B: Nachregelung des Zylinders 2, falls Zylinder 4 vom vorgegebenen Sollwert abweicht.
C: Eine bewußt unterschiedliche Ansteuerung der fetten Zylinder 1 und 4 wird durch eine geänderte Regelung der Zylinder 2 und 3 ausgeglichen. Fig. 12 schließlich zeigt eine zylinderselektive Einspritzmengenbeeinflussung zur Erzeugung eines mageren Abgases mit einer Sprungantwortsonde. Dabei bedeutet die dicke Linie das λ der einzelnen Zylinder, die gestrichelte Linie ein gemitteltes λ über einen Zyklus und die zweifach durchgezogenen Linie das mittlere λm über mehrere Zyklen. Auch hier liegt der Ursprung der Zeitachse bei λ = 1. Bei Sprungantwortsonden werden ebenfalls die fett und/oder stöchiomethsch laufenden Zylinder gesteuert und die mager laufenden Zylinder geregelt. Da mit der Sprungantwortsonde keine Information über den Grad der Ausmagerung zu bekommen ist, wird zunächst ein magererer als der mittlere gewünschte Lambdawert λm (1 + 2*Δλ, d.h.. Lambda 1 ,06 bei gewünscht Lambda 1,03) gesteuert angefahren, indem die Zylinder 2 und 3 sehr mager betrieben werden. S bezeichnet die Sprungantwort der Sonde.
Die Ausmagerung der Zylinder 2 und 3 wird über die folgenden Arbeitsspiele sukzessive zurückgenommen, bis die Sprungantwortsonde global fettes Abgas erkennt. Dann wird wieder der höchste Ausmagerungswert der mager laufenden Zylinder eingestellt. Fig. 12 verdeutlicht prinzipiell diese Vorgehensweise, wobei auch hier unterschiedliche zylinderindividuelle Ausmagerungen/Anfettungen denkbar sind.
Bei Mager-Otto- und Dieselmotoren vermindert diese Vorgehensweise neben dem Verbrauch auch HC- und CO-Durchschläge während der Regeneration; bei Dieselmotoren überdies noch die Partikelemissionen.
Wird die Verbrauchsminderung ganz oder teilweise in eine häufigere Regeneration umgesetzt, ist mit zusätzlichen Vorteilen bei der Schwefelvergiftung zu rechnen, da bei jeder NOx-Regeneration auch ein Teil der angelagerten Sulfate wieder mit ausgetragen wird. Der freigesetzte Schwefel wird über dies verstärkt in Form von SO2 emittiert; die geruchsbelästigende H2S-Bildung wird weitgehend unterdrückt. Ebenso ist mit einer nur geringfiüssigen NH3-Bildung zu rechnen. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Abgasanlage
2 NOx-Speicherkatalysator
3 Katalysatorelement
4 Fettes Abgas
5 Mageres Abgas
I Regenerationsbereich
II Nichtregenerationsbereich
III Nichtregenerationsbereich
T1 Totzeit
T2 Totzeit
T3 Totzeit
T4 Totzeit λm mittlerer λ-Wert s Sondenspannung
E Einspritzmengensignal
S Sprungantwortsignal

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Reinigen des Abgases einer mager betreibbaren, λ-geregelten Brennkraftmaschine mit einem Nox-Speicherkatalysator (2) und einer λ-Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß bei stöchiometrischem oder magerem Abgas mit relativ hoher Sauerstoffkonzentration im Abgas jedes Volumenelement des NOx- Speicherkatalysators zeit- und ortsabhängig alternierend mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der λ-Wert in Richtung der Zeitachse eine Schwingung um einen mittleren Wert λm ausführt, wobei der mittlere Wert λm größer oder gleich eins ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung von λ eine sinusförmige Schwingung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung von λ eine Dreiecksschwingung ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der λ-Schwingung verändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der λ-Schwingung variabel ist.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wert λm durch eine zylinderselektive Regelung der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zylinder mit einem fetten λ-Wert betrieben werden, während der andere Teil der Zylinder mit einem mageren λ-Wert betrieben werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die λ-Werte der fetten Zylinder als auch diejenigen der mageren Zylinder voneinander unterschiedlich sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des mageren Abgases durch eine Änderung der Ausmagerungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des mageren Abgases durch eine Änderung der Totzeiten der Einspritzmengenänderung erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schwingung größer oder gleich 0,1 Hz ist.
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