05 Abgaskonzept

5
Das Abgaskonzept für Motoren mit Direkteinspritzung
5.1
Die Breitband-Lambda-Sonde (LSU)
Die
unterschiedliche
Gemischzusammensetzung
in
den
verschiedenen
Betriebszuständen eines Otto-Direkteinspritzmotors wirkt sich auch auf die
Abgaszusammensetzung aus. Es treten Lambdawerte von 0,7 – ca. 3 auf. Deshalb
kann die bereits bekannte Spannungssprung-Lambda-Sonde nicht mehr verwendet
werden. Die Breitband-Lambda-Sonde ermöglicht die Erfassung von Lambdawerten
von  = 0,7 bis  = 3.
51
5.1.1 Aufbau des Sensorelements:
12
Schematischer Aufbau der planaren Breitband-Lambdasonde
Nummer Erklärung
Nummer Erklärung
1
Abgas
7
Referenzzelle
2
Abgasrohr
8
Sauerstoff-Pumpzelle
3
Heizer
9
Poröse Schutzschicht
4
Regelelektronik
10
Gaszutrittsloch
5
Referenzluftkanal
11
Poröse Diffusionsbarriere
6
Messspalt (10...50m)
12
Poröse Platinelektrode
Durch den planaren (schichtweisen) Aufbau des Sondenelements können mehrere
Funktionen in einem Messelement untergebracht werden. Pumpzelle (8) und
Referenzzelle (7) bestehen aus einer Zirkondioxid-Keramik (ZrO2). In die porösen
Platinelektroden wurde ebenfalls ZrO2 eingelagert. Die Sonde liefert erst bei einer
Betriebstemperatur von mindestens 600 ... 800° C ein brauchbares Signal. Damit
diese Temperatur auch bei niedrigeren Abgastemperaturen schnell erreicht wird, ist
die Sonde mit einem integrierten Heizelement versehen (3).
52
Die Referenzzelle und die Pumpzelle sind Nernst-Konzntrationszellen. Um die
Funktionsweise des Sondenelements verstehen zu können, müssen die Abläufe an
der Nernstzelle klar sein.
5.1.2 Abläufe an der Nernstzelle
Abgasseite
Legende:
Pt: Platin; ZrO2: Zirkoniumdioxid; Y2O3: Yttriumtrioxid
Die Nernstspannung UN entsteht dadurch, dass sich an der Elektrode Abgasseite
und der Elektrode Luftreferenz unterschiedlich hohe Sauerstoffkonzentrationen
einstellen. Entscheidend dafür ist, dass der Sauerstoff, der sowohl im Abgas als auch
in der Luft als O2-Molekül vorkommt, ionisiert wird. Dies erfolgt bei Temperaturen von
600...800 °C durch die katalytische Wirkung der Platin-Zirkoniumdioxid-Elektroden.
Je größer der Sauerstoffionenunterschied zwischen den beiden Elektroden, desto
größer wird die Nernstspannung UN.
Umgekehrt lässt sich diese Zelle als „Pumpzelle“ verwenden, wenn man an die
Elektroden eine Pumpspannung UP anlegt
53
Durch die Polarität der Pumpspannung kann die Bewegungsrichtung der
Sauerstoffionen gesteuert werden. In der oberen Abbildung wird auf diese Weise
Sauerstoff aus dem Hohlraum „abgepumpt“. Der Pumpstrom besteht aus den
wandernden
Sauerstoffionen.
Auf
diese
Weise
kann
im
Hohlraum
eine
Sauerstoffkonzentration, die Lambda = 1 entspricht, eingestellt werden.
5.1.3 Vorgänge in der Messzelle
Aufgrund
der
Referenzluftkanal
Unterschiede
(5)
und
dem
in
der
zum
Sauerstoffkonzentration
Abgas
hin
nur
durch
zwischen
eine
poröse
Diffusionsbarriere getrennten Messspalt (6) entsteht zwischen den Platinelektroden
eine Spannung. Das Prinzip der Messung beruht darauf, den Lambdawert im Messspalt (6) genau auf  = 1 zu halten. Dies entspricht einer Referenzspannung URef von
450 mV. Eine elektronische Regelschaltung erkennt die Abweichung von diesem
Spannungswert und beaufschlagt die Pumpzelle (8) mit einer entsprechenden
Pumpspannung
Up,
die
dieser
Änderung
entgegenwirkt.
Aufgrund
dieser
Pumpspannung fließt durch die Pumpzelle der Pumpstrom Ip. Je nach Polarität
fließen Sauerstoffionen in den Messspalt hinein oder heraus. Größe und Richtung
des Pumpstromes sind ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas, wie dem
untenstehenden Diagramm entnommen werden kann. Zum besseren Verständnis ist
daneben die Kennlinie der Referenzzelle (7) abgebildet.
54
Bei einer mageren Abgaszusammensetzung steigt der Lambdawert im Messspalt.
Als Folge sinkt die Referenzspannung unter 450 mV. Die Regelelektronik
beaufschlagt die Pumpzelle mit einer Spannung Up, so dass ein positiver Pumpstrom
fließt. Infolge davon wandern Sauerstoffionen vom Messspalt in den Abgasstrom. Bei
fettem Abgas steigt die Referenzspannung über 450 mV. Jetzt reagiert die
Regelelektronik mit einer entgegengesetzten Spannung, so dass ein negativer
Pumpstrom erzeugt wird. Sauerstoffionen werden durch Diffusionsvorgänge in den
Messspalt gedrückt. Liegt der -Wert bei 1 muss kein Sauerstoff transportiert
werden. Entsprechend fließt kein Pumpstrom. Die Regelelektronik erkennt die
Änderung
des
Pumpstroms
durch
den
Spannungsabfall
Us
an
einem
Messwiderstand.
5.2
Der Drei-Wege-Vorkatalysator
Er befindet sich im Abgaskrümmer und erreicht durch seine motornahe Anordnung
schnell
seine
Betriebstemperatur.
Dadurch
beginnt
er
schneller
mit
der
Abgasreinigung und die strengen Abgasgrenzwerte könne eingehalten werden.
5.2.1 Aufgabe des Vorkatalysators
Er wandelt die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe in unschädliche Stoffe
um. Die genauen Vorgänge im Katalysator werden als bekannt vorausgesetzt und
deshalb an dieser Stelle nur kurz erwähnt.
55
5.2.2 Homogen-Betrieb mit Lambda = 1
Die Kohlenwasserstoffe (HC) und die Kohlenmonoxide (CO) oxidieren mit dem Sauerstoff (O) der Stickoxide (NOx) zu Wasser
(H2O) und Kohlendioxid (CO2). Gleichzeitig
werden dadurch die Stickoxide zu Stickstoff
(N2) reduziert.
5.2.3 Schichtladungs- und Homogen-Mager-Betrieb mit Lambda > 1
Die Kohlenwasserstoffe und die Kohlenmonoxide oxidieren vorzugsweise mit dem im
Abgas reichlich vorhandenen Sauerstoff und
nicht mit dem Sauerstoff der Stickoxide.
Deshalb werden die Stickoxide von einem
Drei-Wege-Katalysator
im
Magerbetrieb
nicht in Stickstoff umgewandelt. Sie strömen
zum NOx-Speicherkatalysator.
5.3
Abgastemperatursensor
56
Das
Sensorelement
ist
ein
Messwiderstand
mit
einem
negativen
Temperaturkoeffizienten (NTC). Er hat einen Messbereich von – 40 – 1000°C.
Anhand des Temperatursignals errechnet das Motorsteuergerät die Temperatur im
NOx – Speicherkatalysator.
Dies ist erforderlich, weil:
-
der NOx – Speicherkatalysator nur bei einer Betriebstemperatur zwischen 250°C
und 500°C Stickoxide abspeichern kann. Deshalb darf auch nur in diesem
Temperaturbereich
in
den
Schichtladungs-
und
Homogen-Mager-Betrieb
geschaltet werden.
-
auch der Schwefel im NOx – Speicherkatalysator zwischengespeichert wird. Um
den Schwefel wieder aus den Speicherplätzen zu lösen, muss die Temperatur im
Speicherkatalysator mindestens 650° C betragen.
Diese Vorgänge werden in den Kapiteln 5.4.3, 5.4.4 und 5.6.1, 5.6.2 noch genauer
beschrieben.
5.4
Der NOx-Speicherkatalysator
Er ist an der gleichen Stelle verbaut, wie ein herkömmlicher Drei-WegeHauptkatalysator. Er beinhaltet die Funktion eines Drei-Wege-Katalysators und kann
zusätzlich Stickoxide einspeichern.
5.4.1 Aufgabe
Im Homogen-Betrieb bei Lambda = 1 arbeitet der NOx-Speicherkatalysator wie ein
herkömmlicher Drei-Wege-Katalysator.
57
Im Schichtladungs- und Homogen-Mager-Betrieb bei Lambda > 1 kann er die
Stickoxide nicht mehr umwandeln. Der Sauerstoff für den Oxidationsvorgang von
Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen wird in diesem Fall nicht von den
Stickoxiden abgespalten, sondern dem hohen Restsauerstoffanteil im Abgas
entnommen.
Daher
müssen
die
Stickoxide
gespeichert
werden.
Ist
die
Speicherfähigkeit erschöpft, wird eine Regeneration eingeleitet. Wegen der
chemischen Ähnlichkeit zu den Stickoxiden wird aber auch der im Kraftstoff
enthaltene Schwefel eingelagert.
5.4.2 Funktionsweise
Neben den aus dem Drei-Wege-Katalysator bekannten Beschichtungen Platin,
Rhodium und Palladium hat der NOx-Speicherkatalysator Bariumoxid als vierte
Beschichtung. Damit können Stickoxide im Magerbetrieb zwischengespeichert
werden.
Die
Beschichtung
zur
NOx-Speicherung
und
die
Beschichtung
des
Dreiwegekatalysators können auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sein.
Die NOx-Konvertierung geschieht im Speicherkatalysator allerdings nicht kontinuierlich, sondern läuft in drei Schritten ab: Einlagerung, Auslagerung, und Konvertierung
(Umwandlung).
5.4.3 Die Einlagerung
Dabei werden die Stickoxide an der
Platinbeschichtung
zu
Stickstoff-
dioxid oxydiert und reagieren dann
mit dem Bariumoxid und Sauerstoff
zu Bariumnitrat. Somit werden die
während des Mager-Betriebs entstehenden Stickoxide gespeichert.
Reaktionsgleichung:
2 BaO + 4 NO2 +O2  2 Ba(NO3)2
Das NOx-Steuergerät erkennt aufgrund der Signale des NOx-Sensors, wann der
Katalysator gesättigt und die Einlagerungsphase beendet ist.
58
5.4.4 Die Auslagerung und Konvertierung (Regeneration)
Mit zunehmender Menge an gespeicherten Stickoxiden nimmt die Fähigkeit weiter Stickoxide zu binden, ab.
Es muss regeneriert werden, d.h. die
eingelagerten Stickoxide müssen entfernt und konvertiert werden. Dazu
wird
kurzzeitig
auf
leicht
fetten
Homogenbetrieb (Lambda < 1). Die
Vorgänge für die Auslagerung des NOx
und Konvertierung in N2 und CO2 laufen getrennt ab. Die Auslagerung erfolgt im
Beispiel durch die im fetten Abgas reichlich vorhandenen CO-Moleküle. Zuerst wird
das Bariumnitrat durch das Kohlenmonoxid wieder zu Bariumoxid reduziert. Dadurch
wird Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid freigesetzt. Durch das Rhodium und Platin
werden die Stickoxide zu Stickstoff und das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid
oxydiert.
Reaktionsgleichungen:
Auslagerung:
Ba(NO3)2 + 3 CO  3 CO2 + BaO + 2 NO
Konvertierung: 2 NO + 2 CO  N2 + 2 CO2
5.5
Der NOx-Sensor
Er ist direkt hinter dem NOx-Speicherkatalysator
in das Abgasrohr geschraubt. Mit ihm wird der
Stickoxid- und der Sauerstoffanteil im Abgas
bestimmt und an das Steuergerät für den NOxSensor gesendet.
5.5.1 Aufbau des NOx-Sensors
Er besteht aus zwei Kammern, zwei Pumpzellen,
mehreren Elektroden und einer Heizung. Die
Pump-
und
Referenzzellen
bestehen
aus
Zirkoniumdioxid. Dieser Stoff hat die Eigenschaft,
dass
bei
negativen
einer
angelegten
Sauerstoffionen
Spannung
von
der
die
Minus-
elektrode zur Pluselektrode wandern können.
59
5.5.2 Funktion des NOx-Sensors
Die Funktion des NOx-Sensors basiert auf der Sauerstoffmessung und lässt sich von
einer Breitband-Lambdasonde ableiten. Mit ihm wird im Homogen-Betrieb die
Funktion der Breitband-Lambdasonde kontrolliert. Im Magerbetrieb ist er für die
Messung des NOx-Anteils im Abgas zuständig. Dieser soll im Folgenden näher
betrachtet werden.
5.5.3 Bestimmung des Lambda-Wertes in der ersten Kammer
Ein Teil des mageren Abgases strömt in die 1. Kammer. Wie bei der planaren
Breitband-Lambdasonde beruht das Prinzip der Messung darauf, den Lambda-Wert
in der 1. Kammer genau auf Lambda = 1 zu halten. Auf diese Weise stellt man in der
1. Kammer ein Abgas mit definiertem Sauerstoffanteil her. Dies ist wichtig für die
spätere Bestimmung des Stickoxidanteils, da in dieser „geeichten“ Abgasmenge je
nach Sättigungsgrad des Speicherkatalysators mehr oder weniger Stickoxide
enthalten sein können. Da der Lambda-Wert im Abgas beim Schichtladungsbetrieb
größer 1 ist, wird vom Steuergerät eine Spannung so angelegt, dass die negativ
geladenen Sauerstoffionen „abgepumpt“ werden. Die Größe des dabei fließenden
Ionenstroms (Pumpstroms) ist ein Maß für den Lambdawert im Abgas. In den
Abbildungen sind fälschlicherweise Sauerstoffmoleküle dargestellt. Tatsächlich
müssen es aber 2-fach negativ geladene Sauerstoffionen sein, denn nur geladene
Teilchen diffundieren in der Pumpzelle aufgrund der angelegten Spannung von einer
Elektrode zur anderen.
60
5.5.4 Bestimmung des NOx-Anteils in der zweiten Kammer
Die Abgase mit dem nun definierten Lambda-Wert = 1 (sauerstofffreies Abgas)
strömen dann von der 1. in die 2. Kammer. Dort werden die NO x-Moleküle im Abgas
an
einer
speziellen
Elektrode
katalytisch in N2-Moleküle und O2-Ionen aufgespaltet. Da zwischen
den Elektroden der 2. Pumpzelle
eine gleichmäßige Spannung von
Abgas
450 mV anliegt, wandern die
negativ
geladenen
Sauerstoff-
Ionen von der inneren zur äußeren
Elektrode. Der dabei fließende
Sauerstoffpumpstrom ist ein Maß
für den Sauerstoffanteil
in
der
2.
Kammer.
Da
der
Sauerstoffpumpstrom verhältnisgleich zum Stickoxidanteil im Abgas ist, kann so die
Stickoxidmenge bestimmt werden. Wird eine bestimmte Schwelle an Stickoxiden
überschritten, ist die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators erschöpft und
es wird eine NOx-Regeneration eingeleitet (siehe Kapitel 5.6.1). Wird die Schwelle in
immer kürzeren Zeitabständen überschritten, ist der Speicherkatalysator vom
Schwefel belegt und es wird eine Schwefel-Regeneration eingeleitet (siehe Kapitel
5.6.2).
Die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators ist stark temperaturabhängig.
Sie erreicht ein Maximum im Bereich von 300 ... 400° C. Damit ist der günstige
Temperaturbereich sehr viel niedriger als beim Dreiwege-Katalysator. Aus diesem
Grund müssen zwei getrennte Katalysatoren – ein motornah eingebauter DreiwegeKatalysator als Vorkatalysator und ein motorferner NOx-Speicherkatalysator als
Hauptkatalysator – eingesetzt werden.
Ein Problem für den NOx-Speicherkatalysator ist der Schwefelgehalt im Benzin. Der
im
mageren
Abgas
enthaltene
Schwefel
reagiert
mit
dem
Bariumoxid
(Beschichtungsmaterial) zu Bariumsulfat. Die für die NOx-Speicherung verfügbare
Menge an Speichermaterial nimmt daher mit der Zeit ab. Das Bariumsulfat ist sehr
temperaturbeständig und wird daher nur zu einem geringen Teil bei der NOxRegeneration abgebaut. Bei Verwendung schwefelhaltigen Kraftstoffs muss daher
immer wieder entschwefelt werden.
61
5.6
Regenerationsmodus
5.6.1 Regeneration von Stickoxiden
Die
Regeneration
erfolgt,
wenn
hinter
dem
Speicherkatalysator
die
Stickoxidkonzentration einen festgelegten Wert überschreitet. Das NOx-Steuergerät
gibt die Information, dass der Katalysator keine Stickoxide mehr speichern kann, an
das Motorsteuergerät. Der Regenerationsmodus wird eingeschaltet.
Dabei wird
vom mageren Schichtladungs-Betrieb in den Homogen-Betrieb
umgeschaltet, wodurch der Anteil an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid im
Abgas steigt. Im Speicherkatalysator verbinden sich beide mit dem Sauerstoff der
Stickoxide und aus den Stickoxiden entsteht Stickstoff.
Der NOx-Speicherkatalysator kann im Schichtladungs-Betrieb bis zu 90 Sekunden
lang Stickoxide speichern. Danach erfolgt eine ca. 2 Sekunden dauernde
Regeneration.
5.6.2 Regeneration von Schwefel
Die
Regeneration
von
Schwefel
ist
aufwändiger,
weil
Schwefel
temperaturbeständiger ist und bei der Stickoxid-Regeneration im Katalysator
verbleibt. Eine Entschwefelung wird vorgenommen, wenn die Speicherfähigkeit des
NOx-Speicherkatalysators in immer kürzeren Zeitabständen erschöpft ist. Das
Motorsteuergerät erkennt daraus, dass die Speicherplätze vom Schwefel belegt sind
und Stickoxide nicht mehr gespeichert werden können.
62
Dann wird ab einer fahrzeugspezifischen Mindestgeschwindigkeit für ca. 2 Minuten in
den Homogen-Betrieb geschaltet und durch Zündzeitpunktverstellung in Richtung
„spät“ die Temperatur des Speicher-Katalysators auf über 650 °C erhöht. Erst dann
reagiert der eingespeicherte Schwefel zu Schwefeldioxid (SO2).
Fahrten mit hoher Last und Drehzahl führen automatisch zur Entschwefelung, weil
dabei im Homogen-Betrieb gefahren wird und der NOx-Speicherkatalysator die
notwendige Entschwefelungstemperatur erreicht.
5.7
Benzindirekteinspritzung und schwefelfreier Kraftstoff
Um
den
Kraftstoff-
verbrauch und die Abgasemissionen
durch
die
Schwefel-Regeneration so
gering
wie
möglich
zu
halten, sollte möglichst ein
schwefelfreier
Kraftstoff
getankt werden.
Neben
den
mittlerweile
angebotenen
schwefelreduzierten Kraftstoffen ist der von der Firma Shell entwickelte Kraftstoff
63
„Shell Optimax“ mit einer ROZ von 99 als einziger wirklich schwefelfreier Kraftstoff an
den Tankstellen erhältlich.
Die Einführung schwefelfreien Kraftstoffs (Schwefelgehalt unter zehn ppm) eröffnet
besonders für anspruchsvolle Motorkonzepte wie die Benzindirekteinspritzung neue
Möglichkeiten im Blick auf Verbrauch und Emissionen. So gehen bei einem
Schwefelgehalt von 150 ppm rund zwei Prozent des gesamten Kraftstoffverbrauchs
auf das Konto der Entschwefelung. Theoretisch muss der Katalysator bei
schwefelfreiem Kraftstoff nur noch alle 7 500 Kilometer regeneriert werden. Man
kann jedoch davon ausgehen, dass der Katalysator auf dieser langen Strecke
mehrmals Temperaturen über 600 Grad im normalen Fahrbetrieb erreicht und
dadurch automatisch entschwefelt wird.
Generell führt schwefelfreier Kraftstoff bei allen Fahrzeugen mit Katalysator –
unabhängig von der Art der Einspritzung – zu reduzierten Stickoxid-, Kohlenmonoxidund Kohlenwasserstoff-Emissionen
Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile (auch für Saugrohreinspritzer):

ein geringerer Kraftstoffverbrauch (durch seltenere Schwefel-Regenerationen)

weniger
Schadstoffe
durch
spezielle
Verarbeitungsverfahren
Schwefelfreiheit

eine verbesserte Beschleunigung (durch ROZ 99 und Klopfsensor)

weniger Ablagerungen im Motor (durch besondere Kraftstoffzusätze)
5.8
Steuergerät für den NOx-Sensor
Das Steuergerät für den NOx-Sensor befindet
sich beim Lupo FSI und Golf FSI am Unterboden
in der Nähe des NOx-Sensors. Die nahe
Anordnung
soll
verhindern,
dass
äußere
Störeinflüsse die Signale des NOx-Sensors
verfälschen. Im Steuergerät werden die Signale
des Gebers für NOx aufbereitet und an das
Motorsteuergerät weitergesendet.
64
und
5.8.1 Elektrische Schaltung (PIN-Belegung)
Vom NOx-Sensor zum Steuergerät für den NOx-Sensor:
1-6 Kompensationswiderstände (Über die Kompensationswiderstände werden die Signale des
Gebers für NOx angepasst und Toleranzen aus der Sensor-Fertigung ausgeglichen.)
7-8 nicht belegt
9
Sensorsignal Masse
10
NOx-Pumpstrom (A), Kammer 2
11 Lambda-Pumpstrom (mA), Kammer 1
12
Heizung (Minus)
13 Referenzzellen-Spannung
14
Heizung (Plus)
Vom Steuergerät für den NOx-Sensor zum Steuergerät für Motronic:
1
NOx-Signal, Kammer 2
2
Sauerstoffanteil Lambda, Kammer 1
3
Temperatur-Geber für NOx
4
Sprungsonden-Spannung
5
Referenzzellen-Spannung
6
nicht belegt
7
Versorgungsspannung
8 Heizung (Minus)
9
Masse
10 Heizung (Plus)
Fällt das Steuergerät für den NOx-Sensor aus, wird von der Regelung in eine
Steuerung umgeschaltet. Wegen der Gefahr erhöhter Stickoxidemissionen wird der
Schichtladungs- und der Homogen-Mager-Betrieb untersagt.
5.9
Verwendung der NOx-Sensor-Signale
Aus den Signalen wird erkannt und geprüft:

ob die Katalysatorfunktion in Ordnung ist

ob der Lambda = 1-Regelpunkt der Vorkat-Breitband-Lambdasonde in
Ordnung ist oder korrigiert werden muss. Das ist durch eine interne Schaltung
im Steuergerät für NOx möglich. Mit ihr kann an den Elektroden des Gebers
für NOx ein der Sprungsonde ähnliches Signal abgegriffen werden. Ein
solches Signal ist im Bereich Lambda = 1 sehr genau.

wann die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators erschöpft ist und
eine NOx- oder Schwefel-Regeneration eingeleitet werden muss.
Fällt das Signal des Gebers für NOx aus, wird vom Motronic-Steuergerät nur noch
der Homogen-Betrieb zugelassen.
65