DE19629163C1 - Verfahren und Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmo­ tors, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, wobei eine erste Betriebsart, in der ein früher Kraftstoffeinspritzbeginn eingestellt und dem Abgasstrom vor einem stickoxidreduzierenden Abgaskatalysator ein Stickoxidreduktionsmittel zugegeben wird, und eine zweite Betriebsart, in der ein später Kraftstoffein­ spritzbeginn eingestellt wird, vorgesehen sind.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind in der Patentschrift DE 44 25 018 C1 beschrieben. Dort wird norma­ lerweise der Motor in der ersten Betriebsart betrieben, bei der ein vergleichsweise früher Kraftstoffeinspritzbeginn eingestellt wird. Dieser hat verglichen mit einem späteren Kraftstoffein­ spritzbeginn den Vorteil eines geringeren Kraftstoffverbrauchs, jedoch steigt dadurch die Stickoxidkonzentration im Motorabgas an. Dem wird durch die Zugabe eines Stickoxidreduktionsmittels in den Abgasstrom in Verbindung mit einem nachgeschalteten, auf katalytische Stickoxidreduktion ausgelegten Abgaskatalysator entgegengewirkt. Bei dem bekannten System wird der Motor nur dann in der zweiten Betriebsart mit spätem Kraftstoffeinspritz­ beginn betrieben, wenn das zuzugebende Stickoxidreduktionsmittel zur Neige gegangen ist. Durch die Einstellung des späten Kraft­ stoffeinspritzbeginns wird die gewünschte niedrige Stickoxid­ emission innermotorisch unter Inkaufnahme eines etwas erhöhten Kraftstoffverbrauchs sichergestellt.
In der Offenlegungsschrift wo 83/00057 sind ebenfalls ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors offenbart. Das dortige Verfahren bein­ haltet die Zugabe eines Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas­ strom vor einem stickoxidreduzierenden Abgaskatalysator und die Messung der Temperatur im Abgaskatalysator. Das Stickoxidreduk­ tionsmittel wird dabei nur dann zugegeben, wenn die gemessene Abgaskatalysatortemperatur innerhalb eines vorgebbaren Tempera­ turbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit denen ein stickoxidemissionsarmer Verbren­ nungsmotorbetrieb sowohl während Startphasen des Motors als auch bei warmgelaufenem Motor erzielt wird und die eine Überwachung der stickoxidreduzierenden Abgaskatalysatorfunktion und/oder ei­ ne Regelung auf gleichbleibend geringe Stickoxidemissionen er­ möglichen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 oder 4. Verfah­ rensgemäß wird hierbei die Temperatur im Abgaskatalysator gemes­ sen und der Motor in der Betriebsart mit spätem Kraftstoff­ einspritzbeginn betrieben, wenn die gemessene Abgaskatalysator­ temperatur außerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt. Durch die Einstellung eines späten Kraftstoffeinspritzbeginns wird eine niedrige Stickoxidemission innermotorisch sichergestellt. Sobald die gemessene Abgaskatalysatortemperatur dann innerhalb des vor­ gegebenen Bereichs wirksamer katalytischer Stickoxidumsetzung liegt, kann auf die Betriebsart mit frühem, verbrauchsgünstigem Kraftstoffeinspritzbeginn umgestellt werden, wobei dann zusätz­ lich das Stickoxidreduktionsmittel dem Abgasstrom vor dem Abgas­ katalysator zugegeben wird. Die zur Durchführung dieses Be­ triebsverfahrens geeignete Vorrichtung beinhaltet einen Kataly­ satortemperatursensor und eine Motorsteuerung, welche die Motor­ betriebsart in der genannten Weise einstellt.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise beruht auf der Tatsache, daß die stickoxidreduzierende, katalytische Wirkung herkömmlicher Abgaskatalysatoren, wie sie z. B. für Kraftfahrzeug-Dieselmotoren eingesetzt werden, merklich temperaturabhängig ist. Insbesondere setzt diese katalytische Stickoxidreduktionswirkung erst ober­ halb einer gewissen Mindesttemperatur des Katalysators ein. Mit der Erfindung kann nun für den Kaltstart-Temperaturbereich un­ terhalb dieser Mindesttemperatur ein stickoxidemissionsarmer Verbrennungsmotorbetrieb dadurch erzielt werden, daß eine gerin­ ge Stickoxidkonzentration im Abgas innermotorisch durch Betrieb des Motors in der Betriebsart mit spätem Kraftstoffeinspritzbe­ ginn bewirkt wird. Erst wenn die Mindesttemperatur überschritten wird, wird gegebenenfalls auf die verbrauchsgünstigere Motorbe­ triebsart mit frühem Kraftstoffeinspritzbeginn und zusätzlicher Stickoxidreduktionsmittelzugabe zum Abgasstrom umgestellt. Dabei kann eine Überwachung dieser außermotorischen Maßnahme zur Ver­ ringerung der Stickoxidkonzentration im Abgas vorgesehen sein, um gegebenenfalls auf den innermotorisch stickoxidemissionsarmen Motorbetrieb mit spätem Kraftstoffeinspritzbeginn umstellen zu können, beispielsweise dann, wenn das Stickoxidreduktionsmittel zur Neige gegangen ist.
Weitergehend wird speziell bei dem Verfahren nach Anspruch 1 die stickoxidreduzierende Wirkung des Abgaskatalysators durch ent­ sprechende Sensoren vor und hinter demselben überwacht und ein Warnsignal erzeugt, wenn nicht wenigstens ein vorgebbarer Min­ destbruchteil der eingangsseitig eingeleiteten Stickoxidmenge im Katalysator reduziert wird, obwohl sich die Katalysatortempera­ tur im Bereich effektiver Stickoxidreduktion befindet. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich die Vorrichtung nach Anspruch 3.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 2 wird der Verbrennungsmotor speziell so betrieben, daß unabhängig vom jeweiligen Motorlast­ wert eine im wesentlichen konstante spezifische Stickoxid­ emission erhalten wird, wozu der Kraftstoffeinspritzbeginn je­ weils geeignet verstellt wird. Dies geht zweckmäßig mit einer entsprechenden Ansteuerung der Stickoxidreduktionsmittelzugabe zum Abgasstrom einher, d. h. bei spätem Kraftstoffeinspritzbeginn wird verglichen mit dem Fall frühen Einspritzbeginns weniger oder gar kein Stickoxidreduktionsmittel zugegeben. Zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens eignet sich die Vorrichtung nach Anspruch 4.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt blockdiagrammatisch eine Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung dient zum stickoxid­ emissionsarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors (1), z. B. eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeuges. Dem Motor (1) ist Verbren­ nungsluft über eine Leitung (2) zuführbar, während das Motorab­ gas über einen Abgasstrang (3) abgeführt wird, in deren Verlauf ein Katalysator (4) angeordnet ist, von dem wenigstens ein Ab­ schnitt für katalytische Stickoxidreduktion ausgelegt ist. Die Kraftstoffeinspritzung in den Motor (1) erfolgt über eine Ein­ spritzregeleinheit (6), die Teil einer Motorsteuerung, z. B. ei­ nes zentralen Motorsteuergerätes, ist und mit der sowohl die Einspritzdauer als auch der Einspritzbeginn regulierbar ist.
Um in Motorbetriebsphasen mit frühem, verbrauchsgünstigem Kraft­ stoffeinspritzbeginn, in denen das Motorabgas eine vergleichs­ weise hohe Stickoxidkonzentration besitzt, diese Stickoxidkon­ zentration zu verringern, sind in Strömungsrichtung vor dem Ka­ talysator (4) Mittel (5, 7, 8) zur Zugabe eines Stickoxidreduk­ tionsmittels vorgesehen. Diese umfassen einen Speichertank (5) zur Speicherung des Reduktionsmittels, z. B. Harnstoff oder Ammo­ niak, eine Zumischeinheit (8), die das Reduktionsmittel dem Ab­ gasstrom im Abgasstrang (3) zumischt und eine Pumpe (7) zur Zu­ führung des Reduktionsmittels aus dem Speichertank (5) zur Zu­ mischeinheit (8). Die Steuerung der Reduktionsmittelzumischung erfolgt durch eine zentrale Steuereinheit (10), die Teil der Mo­ torsteuerung, z. B. eines zentralen Motorsteuergerätes, sein kann, über eine Pumpensteuerleitung (13) . Die Fördermenge der Pumpe (7) wird durch die zentrale Steuereinheit (10) mit Hilfe verschiedener gespeicherter Daten aus einem Datenspeicher (11) gesteuert, die sie aus ihm über eine Verbindungsleitung (12) auslesen kann.
Im Abgaskatalysator (4) sind ein Temperatursensor (18), sowie ein erster, eingangsseitiger Stickoxidsensor (19) und ein zwei­ er, ausgangsseitiger Stickoxidsensor (20) angeordnet. Über zu­ gehörige Verbindungsleitungen sind die Meßsignale dieser drei Sensoren (18, 19, 20) der zentralen Steuereinheit (10) Zuge­ führt. Des weiteren ist dem Speichertank (5) ein Füllstandsensor (9) zugeordnet, dessen Ausgangssignal über eine Verbindungslei­ tung (14) ebenfalls der zentralen Steuereinheit (10) zugeführt wird.
Wenn die zentrale Steuereinheit (10) anhand des Signals des Füllstandsensors (9) erkennt, daß der Speichertank (5) leer ist bzw. sein Füllstand einen vorgebbaren Minimalwert unterschritten hat, gibt sie über eine Verbindungsleitung (15) ein Signal an die Einspritzregeleinheit (6) ab, auf deren Empfang hin selbige den Motorbetrieb in eine Betriebsart mit spätem Kraftstoffein­ spritzbeginn einstellt, in welcher eine geringe Stickoxidkonzen­ tration im Abgas bereits innermotorisch sichergestellt wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Motor in dieser Situation in einer Betriebsart mit frühem Kraftstoffeinspritzbeginn gefah­ ren wird, was zwar kraftstoffverbrauchsgünstig ist, jedoch ver­ gleichsweise höhere Stickoxidkonzentrationen im Motorabgas zur Folge hat, die wegen des zur Neige gegangenen Reduktionsmittels nicht mehr außermotorisch verringert werden können. Um dem Fahr­ zeugführer das Fehlen von Reduktionsmittel im Speichertank (5) anzuzeigen, ist im Armaturentafelbereich des Kraftfahrzeuges ei­ ne optische Anzeige (17) vorgesehen, die über eine Verbindungs­ leitung (16) von der zentralen Steuereinheit (10) abhängig vom Signal des Füllstandsensors (9) aktiviert wird. Um den erhöhten Kraftstoffverbrauch zeitlich zu begrenzen, sollte das Nachfüllen des Reduktionsmittels so rasch wie möglich erfolgen. Dabei kann ein an den Füllstandsensor gekoppelter Zeitschalter vorgesehen sein, der die Motorsteuerung dazu veranlaßt, den Motorbetrieb ohne Reduktionsmittel lediglich über einen begrenzten Zeitraum zu erlauben.
Wenn die stickoxidreduzierende Abgasnachbehandlungseinrichtung funktionsfähig und insbesondere im Speichertank (5) noch Reduk­ tionsmittel vorhanden ist, kann die Stickoxidkonzentration im Abgas durch die Reduktionsmittelzumischung und die nachfolgende, katalytische Stickoxidreduktionsreaktion im Katalysator (4) au­ ßermotorisch verringert werden, wobei diese Reaktion oberhalb einer gewissen Mindesttemperatur effektiv einsetzt. Über den Temperatursensor (18) erfaßt die zentrale Steuereinheit (10) entweder direkt die für die Reduktionswirkung maßgebliche Tempe­ ratur des Katalysatorkörpers oder die Temperatur des durch den Katalysator (4) strömenden Abgases. In letzterem Fall errechnet sie aus dem Verlauf der Abgastemperatur im Katalysator (4) die maßgebliche Temperatur des Katalysatorkörpers unter Berücksich­ tigung von dessen thermischer Trägheit.
Wenn die solchermaßen ermittelte Katalysatortemperatur unterhalb der Mindesttemperatur für eine effektive katalytische Stickoxid­ reduktion liegt, veranlaßt die zentrale Steuereinheit (10) die Einspritzbeginnregeleinheit (6) dazu, den Motor in der Betriebs­ art mit spätem Kraftstoffeinspritzbeginn zu betreiben. Dies hat zwar einen etwas erhöhten Kraftstoffverbrauch während solcher Startbetriebsphasen zur Folge, gewährleistet aber innermotorisch eine geringe Stickoxidemission, die in dieser Situation außermo­ torisch durch die stickoxidreduzierende Abgasnachbehandlungsein­ richtung wegen des noch zu kalten Katalysators (4) nicht bewirkt werden kann. Neben einem erhöhten Kraftstoffverbrauch können auch erhöhte Partikel- und Kohlenwasserstoffemissionen auftre­ ten, wobei sich letztere durch eine Oxidationskatalysatorstufe verringern lassen, die als separater Katalysator oder in den stickoxidreduzierenden Katalysator (4) integriert angeordnet sein kann.
Erst bei warmgelaufenem Motor, d. h. dann, wenn die Katalysator­ temperatur die vorgegebene Mindesttemperatur überschritten hat, gibt die zentrale Steuereinheit (10) die Einspritzregeleinheit (6) dazu frei, auf den verbrauchsgünstigen Motorbetrieb mit frü­ hem Einspritzbeginn umzustellen, wenn sie gleichzeitig erkennt, daß die stickoxidreduzierende Abgasnachbehandlungseinrichtung Intakt ist. Bei dieser Betriebsart wird dann die im Motorabgas noch relativ hohe Stickoxidkonzentration durch die Zumischung des Reduktionsmittels und die katalytische, stickoxidreduzie­ rende Wirkung des Katalysators (4) verringert. Es versteht sich, daß die zentrale Steuereinheit (10) das Umschalten auf frühen Einspritzbeginn erst dann auslöst, denn die Aufheizung des Kata­ lysatorkörpers durch heißes Abgas genügend lange erfolgte, um diesen auf die ausreichende Reaktionstemperatur zu bringen.
Mit den beiden Stickoxidsensoren (19, 20) wird die Funktion des Katalysators (4) überwacht, indem die zentrale Steuereinheit (10) in der Betriebsart mit aktiver Reduktionsmittelzugabe, d. h. mit über der Mindesttemperatur liegender Abgaskatalysatortempe­ ratur, prüft, ob die vom ausgangsseitig positionierten Sensor (20) gemessene Stickoxidkonzentration größer als ein vorgebbarer Bruchteil-Grenzwert der vom eingangsseitig positionierten Sensor (19) gemessenen Stickoxidkonzentration ist. Wenn dies der Fall ist, bedeutet dies, daß trotz ausreichender Katalysatortempera­ tur aufgrund irgendeiner Störung keine effektive Stickoxidreduk­ tion im Katalysator (4) stattfindet. Die zentrale Steuereinheit (10) gibt dann ein entsprechendes Warnsignal ab. Der Bruchteil- Grenzwert kann in typischen Fällen bevorzugt im Bereich zwischen 20% bis 40% der eingangsseitigen Stickoxidkonzentration gewählt werden.
Bei Bedarf kann der Motorbetrieb, insbesondere bei warmgelaufe­ nem Motor, durch entsprechende Einspritzbeginnverstellung auf eine konstante spezifische Stickoxidemission, d. h. auf einen be­ stimmten, vorgegebenen Wert der Stickoxidmasse bezogen auf die erzeugte Motorenergie, eingeregelt werden. Dazu wird die Stick­ oxidkonzentration im Abgas vom ausgangsseitigen Stickoxidsensor (20) gemessen und in der zentralen Steuereinheit (10) mit den hierzu erforderlichen Motorgrößen, insbesondere der Motorlast und der Abgasmasse als Summe der Luftmasse und der eingespritz­ ten Kraftstoffmasse, auf den zugehörigen spezifischen Emissions­ wert umgerechnet und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen.
Bei Überschreiten des Sollwertes wird dann ein späterer Ein­ spritzbeginn eingestellt, während bei Unterschreiten des Soll­ wertes ein früherer, verbrauchsgünstigerer Einspritzbeginn ge­ wählt wird, so daß auch für größere, schwankende Motorlastwerte eine gleichmäßige, geringe Stickoxidemission erhalten wird. Die Verstellung des Spritzbeginns kann selbstverständlich von einer entsprechenden Aktivierung bzw. Deaktivierung der Stickoxidre­ duktionsmittelzugabe in den Abgasstrom vor dem stickoxidreduzie­ renden Abgaskatalysator (4) begleitet sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Ver­ brennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, bei dem
  • - eine erste Betriebsart, in der ein früher Kraftstoffeinspritz­ beginn eingestellt und dem Abgasstrom vor einem stickoxidredu­ zierenden Abgaskatalysator (4) ein Stickoxidreduktionsmittel zugegeben wird, und eine zweite Betriebsart, in der ein später Kraftstoffeinspritzbeginn eingestellt wird, vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Temperatur im Abgaskatalysator (4) gemessen,
  • - der Motor (1) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, wenn die gemessene Abgaskatalysatortemperatur außerhalb eines vor­ gebbaren Temperaturbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt, und
  • - die Stickoxidkonzentration im Abgasstrom eingangsseitig und ausgangsseitig des Abgaskatalysators (4) gemessen und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die Abgaskatalysatortemperatur innerhalb des Bereichs für eine wirksame katalytische Stick­ oxidreduktion liegt und die katalysatorausgangsseitig gemesse­ ne Stickoxidkonzentration größer als ein vorgebbarer Bruch­ teil-Grenzwert der katalysatoreingangsseitig gemessenen Stick­ oxidkonzentration ist.
2. Verfahren zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Ver­ brennungsmotors, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem
  • - eine erste Betriebsart, in der ein früher Kraftstoffeinspritz­ beginn eingestellt und dem Abgasstrom vor einem stickoxidredu­ zierenden Abgaskatalysator (4) ein Stickoxidreduktionsmittel zugegeben wird, und eine zweite Betriebsart, in der ein später Kraftstoffeinspritzbeginn eingestellt wird, vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Temperatur im Abgaskatalysator (4) gemessen,
  • - der Motor (1) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, wenn die gemessene Abgaskatalysatortemperatur außerhalb eines vor­ gebbaren Temperaturbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt, und
  • - die Stickoxidkonzentration im Abgasstrom ausgangsseitig des Abgaskatalysators (4) gemessen und daraus die spezifische Stickoxidemission ermittelt und letztere durch geeignete Ver­ stellung des Kraftstoffeinspritzbeginns auf eine konstante, vorgebbare spezifische Stickoxidemission eingeregelt wird.
3. Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Ver­ brennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors, mit
  • - einer stickoxidreduzierenden Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Mittel (5, 7, 8) zur Zugabe eines Stickoxidreduktionsmit­ tels zum Abgasstrom und einen nachgeschalteten, stickoxidredu­ zierenden Abgaskatalysator (4) umfaßt, und
  • - einer Motorsteuerung (6, 10) zur wahlweisen Einstellung eines frühen oder eines späten Kraftstoffeinspritzbeginns, wobei sie einen frühen Kraftstoffeinspritzbeginn einstellt, wenn die stickoxidreduzierende Nachbehandlungseinrichtung aktiv ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein Sensor (18) zur Messung der Katalysatortemperatur vorgese­ hen ist,
  • - die Motorsteuerung (6, 10) einen späten Kraftstoffeinspritzbe­ ginn einstellt, wenn die gemessene Katalysatortemperatur au­ ßerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt,
  • - eingangsseitig und ausgangsseitig des Abgaskatalysators (4) jeweils ein Stickoxidsensor (19, 20) vorgesehen ist und
  • - die Motorsteuerung (6, 10) ein Warnsignal erzeugt, wenn die Abgaskatalysatortemperatur innerhalb des Bereiches für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt und die vom katalysatorausgangsseitigen Stickoxidsensor (20) gemessene Stickoxidkonzentration größer als ein vorgebbarer Bruchteil- Grenzwert der vom katalysatoreingangsseitigen Stickoxidsensor (19) gemessenen Stickoxidkonzentration ist.
4. Vorrichtung zum stickoxidemissionsarmen Betrieb eines Ver­ brennungsmotors, insbesondere nach Anspruch 3, mit
  • - einer stickoxidreduzierenden Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Mittel (5, 7, 8) zur Zugabe eines Stickoxidreduktionsmit­ tels zum Abgasstrom und einen nachgeschalteten, stickoxidredu­ zierenden Abgaskatalysator (4) umfaßt, und
  • - einer Motorsteuerung (6, 10) zur wahlweisen Einstellung eines frühen oder eines späten Kraftstoffeinspritzbeginns, wobei sie einen frühen Kraftstoffeinspritzbeginn einstellt, wenn die stickoxidreduzierende Nachbehandlungseinrichtung aktiv ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein Sensor (18) zur Messung der Katalysatortemperatur vorgese­ hen ist,
  • - die Motorsteuerung (6, 10) einen späten Kraftstoffeinspritzbe­ ginn einstellt, wenn die gemessene Katalysatortemperatur au­ ßerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs für eine wirksame katalytische Stickoxidreduktion liegt,
  • - die Stickoxidkonzentration von einem ausgangsseitig des Abgas­ katalysators (4) angeordneten Stickoxidsensor (20) gemessen wird und
  • - die Motorsteuerung aus der gemessenen Stickoxidkonzentration die zugehörige spezifische Stickoxidemission ermittelt und letztere durch geeignete Verstellung des Kraftstoffeinspritz­ beginns auf eine konstante, vorgebbare spezifische Stickoxid­ emission einregelt.
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