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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungsverfahren für eine magerbetreibbare
Brennkraftmaschine, bei dem in einer Magerbetriebsphase von der
Brennkraftmaschine emittierte NOx-Verbindungen in einem im Abgastrakt
der Brennkraftmaschine befindlichen NOx-Speicherkatalysator gespeichert
werden, wobei eine Beladung des NOx-Speicherkatalysators mit NOx-Verbindungen stattfindet, die
Brennkraftmaschine zeitweise in Regenerationsbetriebsphasen betrieben
wird, in denen der NOx-Speicherkatalysator
gespeicherte NOx-Verbindungen katalytisch umsetzt und dadurch von NOx-Verbindungen
entleert wird, wobei ein Wert für einen
Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators unter Rückgriff
auf ein die Emission an NOx-Verbindungen beschreibendes NOx-Modell
ermittelt wird.
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Um
den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen weiter zu reduzieren,
kommen immer häufiger
Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch
betrieben werden können,
da der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine im Magerbetrieb besonders
hoch ist. Zur Erfüllung geforderter
Abgasgrenzwerte ist jedoch im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine
regelmäßig eine
spezifische Abgasnachbehandlung erforderlich, da ansonsten Grenzwerte
hinsichtlich zulässiger NOx-Emissionen überschritten
würden.
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Deshalb
werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet, die aufgrund einer besonderen
Beschichtung in der Lage sind, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren,
die bei magerer Verbrennung entstehen. Zur Entleerung eines solchen
NOx-Speicherkatalysators
ist eine Regeneration erforderlich, in der gespeicherte NOx-Verbindungen
im NOx-Speicherkatalysator in unschädliche Verbindungen umgewandelt
werden, wenn ein Reduktionsmittel zugegeben wird.
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Als
Reduktionsmittel können
Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff verwendet werden.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, diese
durch kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten
Kraftstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen, wodurch der NOx-Speicherkatalysator
das notwendige Reduktionsmittel als Bestandteil des ihm ohnehin
zugeführten
Abgases erhält
und gespeicherte NOx-Verbindungen abbaut, so dass er wieder zur erneuten
Einspeicherung von NOx-Verbindungen
in der Lage ist. Dieser kurzzeitige Betrieb der Brennkraftmaschine
stellt die erwähnte
Regenerationsbetriebsphase dar.
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Durch
solche Regenerationsbetriebsphasen sinkt der Wirkungsgrad, d.h.
der Kraftstoffverbrauch steigt. Darüber hinaus tritt während der
Regenerationsbetriebsphase ein zwar oftmals nur geringer, jedoch
prinzipiell unvermeidlicher Schlupf an Reduktionsmittel durch den
NOx-Speicherkatalysator auf, wodurch in der Regenerationsbetriebsphase
das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verschlechtert ist. Aus
diesen Gründen
möchte
man Regenerationsbetriebsphasen nur dann einleiten, wenn sie wirklich zur
Entleerung des NOx-Speicherkatalysators erforderlich sind.
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Es
ist deshalb der Stand der Technik bekannt, die Einleitung der Regenerationsbetriebsphasen
bedarfsabhängig
zu gestalten. Ein wesentliches Kriterium, wann eine Regenerationsbetriebsphase eingeleitet
werden sollte, ist die gegenwärtige
Speicherfähigkeit
des NOx-Speicherkatalysators, die wiederum von der aktuell vorliegenden
Beladung des NOx-Speicherkatalysators
abhängt.
Mit zunehmender Dauer der Magerbetriebsphase und dabei erfolgender
Einspeicherung von NOx-Verbindungen nimmt der Speicherwirkungsgrad
kontinuierlich ab, so dass unter Berücksichtigung der Abgasgrenzwerte
eine Regenerationsbetriebsphase erforderlich wird. Darüber hinaus
unterliegt die maximale Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators einem Alterungsprozess,
so dass es nötig
ist, über
die Lebensdauer eines NOx-Speicherkatalysators eine entsprechende
Adaption durchzuführen.
Dazu wird üblicherweise
ein Alterungsfaktor bestimmt, der die alterungsbedingte Abnahme
der maximalen Speicherkapazität
angibt.
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Diesbezüglich ist
es bekannt, beispielsweise aus dem in der
DE 198 44 082 C1 beschriebenen
Ansatz, während
einer Regenerationsphase die Menge an zugeführtem Regenerationsmittel zu
erfassen und daraus auf die in der Regenerationsphase aus dem NOx-Speicherkatalysators
entleerte Menge an NOx-Verbindungen rückzuschließen. Vergleicht man die derart
ermittelte Menge an NOx-Verbindungen, die zum Beginn der Regenerationsphase,
mithin zum Ende der Magerbetriebsphase im NOx-Speicherkatalysator eingespeichert war,
mit der Menge an NOx-Verbindungen,
die eine Modellrechnung als während
der vorangegangenen Magerbetriebsphase von der Brennkraftmaschine
emittiert anzeigt, lässt sich
die tatsächliche
maximale Speicherkapazität des
NOx-Speicherkatalysators entsprechend korrigieren. Ein entsprechendes
NOx-Modell ist beispielsweise in der
EP 0 597 102 A1 beschrieben; es liefert die
von der Brennkraftmaschine emittierte NOx-Rohemission stromauf eines
NOx-Speicherkatalysators in Abhängigkeit
von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und ermöglicht es, die im NOx-Speicherkatalysator
adsorbierte Menge an NOx-Verbindungen modellhaft zu berechnen.
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Dieser
Ansatz liefert einen Wert für
den Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators zum Ende einer
Regenerationsphase, nicht jedoch zu anderen Zeitpunkten.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren, wie in WO 99/61770 beschrieben, bestimmt
den Alterungsfaktor aus dem NOx-Konzentrationsgefälle über dem NOx-Katalysator,
das bei Regenerationseinleitung vorliegt. Hierbei wird mittels der
mit einem Messwertsensor gemessenen NOx-Konzentration stromab des
NOx-Speicherkatalysators und der NOx-Konzentration stromauf dem
NOx-Speicherkatalysator, die mit einem NOx-Modell bestimmt wird,
ein Beladungsgrad des Speichers und durch einen Vergleich mit einem
modellierten Beladungsgrad eines neuen Katalysators eine Alterungsfaktor
bestimmt. Der Alterungsfaktor ist dann punktuell zum Beginn einer
Regenerationsphase bekannt.
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Die
geschilderten Verfahren zur Bestimmung des Alterungsfaktors eines
NOx-Speicherkatalysators benötigen
somit ein NOx-Modell,
das die NOx-Emission einer Brennkraftmaschine für einen jeweiligen Betriebspunkt
anzeigt. Ungenauigkeiten führen
hier nicht nur zu erhöhtem
Kraftstoffverbrauch, sondern mitunter auch dazu; dass ein NOx-Speicherkatalysator
wegen vermeintlich zu starker alterungsbedingter Abnahme der maximalen Speicherkapazität ausgetauscht
werden muss, obwohl der Austausch eigentlich bei einer genaueren Betrachtung
(noch) gar nicht nötig
wäre. Weiter
ist eine Alterungsfaktorermittlung nur zu ganz bestimmten Zeitpunkten
im Betrieb möglich.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte
und genauere Bestimmung des Alterungszustandes eines NOx-Speicherkatalysators
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Abgasreinigungsverfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei
dem mittels des Modells eine Konzentration der NOx-Verbindungen
stromab des NOx-Speicherkatalysators in Form eines NOx-Modellwertes
ermittelt wird, stromab des NOx-Speicherkatalysators im Abgastrakt
eine Konzentration der NOx-Verbindungen in Form eines NOx-Messwertes gemessen
wird und die Differenz zwischen NOx-Messwert und NOx-Modellwert
bestimmt und in den Wert für
den Alterungszustand umgesetzt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist wahlweise mit einem oder beiden der oben angeführten Verfahren
kombinierbar: Es ergibt sich jedoch auch vorteilhaft die Möglichkeit
auf alle anderen Verfahren zur Alterungsadaption zu verzichten.
Man erreicht eine einfache Bestimmung des Alterungszustandes des
NOx-Speicherkatalysators.
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Die
Erfindung verwendet in Abkehr von bisherigen Konzepten, die entweder
eine zeitlich punktuelle Betrachtung über Auswertung eines Regenerationsmittelintegrals
nach Regenerationsende oder eine Auswertung des NOx-Konzentrationsgefälles zu Beginn
einer Regeneration zur Bestimmung des Alterungszustandes vorsahen,
eine kontinuierliche Beobachtung beruhend auf Messung und Modellierung.
In einem Modell wird z.B. über
Einspeicherungsgrad und Belastungsgrad die NOx-Konzentration stromab des
NOx-Speicherkatalysators ermittelt. Dazu können die aus dem Stand der
Technik bekannten vorerwähnten
Modelle herangezogen werden. Zusätzlich erfolgt
stromab des NOx-Speicherkatalysators
eine NOx-Konzentrationsmessung. Die Differenz zwischen der modellbasiert
ermittelten NOx-Konzentration
und aus der Konzentrationsmessung, ist ein Maß für den Alterungszustand des
NOx-Speicherkatalysators.
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Der
Vorteil dieses Ansatzes ist, dass ein Wert für den Alterungszustand während jeder
Magerbetriebsphase der Brennkraftmaschine zu jedem Zeitpunkt zur
Verfügung
steht, wogegen bei bekannten Verfahren die der Katalysatoralterung
entweder nur bei Beginn der Regeneration oder bei Regenerationsende
ermittelt werden kann. Weiter wird die Durchführung durch eine Vielzahl zu
erfüllender Randbedingungen
eingeschränkt
und ist auch daher nur punktuell möglich.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Abweichung zwischen
Modell und NOx-Konzentrationsmessung bei einer NOx-Abgasreinigungsanlage
im wesentlichen durch eine alterungsbedingte Veränderung, d.h. Verschlechterung, des
NOx-Speicherkatalysators
bedingt ist. Die Abweichung in Form der Differenz zwischen Messung und
Modell, die zur Korrektur des Modells herangezogen wird, ist deshalb
als Maß für den Alterungszustand
des NOx-Speicherkatalysators tauglich. Verwendet man zur Anpassung
des Modells an den Messwert einen Adapti onsregler, ist die Regelabweichung
abhängig
vom Alterungsfaktor. Natürlich
können
je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine auch kurzfristige
Einflüsse
das Modell verfälschen, die
nicht mit dem Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators zu tun haben. Es
besteht deshalb die Möglichkeit,
unter Zuhilfenahme statistischer Methoden lediglich langfristige
konstante Basisabweichungen zwischen Modell und Messung, beispielsweise
Basisabweichung der erwähnten
Reglers, der Katalysatorordnung zuzuordnen und kurzfristige Abweichung,
die beispielsweise durch den Luftfeuchteeinfluss auf die NOx-Rohemission
bedingt sein können,
auf eine Änderung
der Rohemission der Brennkraftmaschine zurückzuführen. Eine besonders einfache
Möglichkeit
diese Zuordnung vorzunehmen, ist eine Tiefpassfilterung, die den
Alterungsfaktor bzw. eine für
dessen Bestimmung wesentliche Größe, welche
beispielsweise die Differenz oder die entsprechenden Messwerte oder
Modellwerte, einer Tiefpassfilterung zu unterwerfen, um kurzfristige
Einflüsse
auszuschließen.
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Eine
alternative Möglichkeit
ist es, Rohemissionsschwankungen zu vernachlässigen. Dies bietet sich vorzugsweise
bei bekannt emissionsstabilen Brennkraftmaschinen an. Alternativ
oder zusätzlich kann
die Bestimmung des Wertes für
den Alterungszustand auf emissionsstabile, ausgewählte Betriebspunkte
der Brennkraftmaschine begrenzt werden. Ein solcher Betriebspunkt
ist beispielsweise der Betrieb der Brennkraftmaschine mit geschlossenem
Abgasrückführventil.
In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, zusätzlich eine Bestimmung der
Differenz und Abgleich des Modells beim erstmaligen Inbetriebnahme
der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasreinigungsanlage durchzuführen, um
serienbedingte Exemplarstreuungen bezüglich der NOx-Rohemission auszugleichen.
Der Verzicht auf eine Separierung langfristiger und kurzfristiger
Einflüsse
auf die Differenz zwischen NOx-Wert und NOx-Modellwert hat den Vorteil,
dass unaufwendige Systeme möglich sind,
weil auf eine parallele Alterungsbestimmung nach anderen Verfahren
verzichtet werden kann.
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Es
ist eine Weiterbildung bevorzugt, bei der mehrmals der Wert für den Alterungszustand
ermittelt wird und dieser tiefpassgefiltert wird. Eine zusätzliche
Weiterbildung sieht vor, dass nach bisher bekannten Methoden und
unter Berücksichtigung
eventuell einschränkender
Randbedingungen Alterungsfaktoren bestimmt werden. Zwischen den
einzelnen Bestimmungszeitpunkten kann im Praxisbetrieb eine lange
Zeit (Wegstrecke) liegen (> 1.000
km). Während
dieser Zeit, in der kein neuer Alterungsfaktor nach den bisher bekannten
Methoden bestimmt werden kann, kann der erfindungsgemäß bestimmte
Alterungsfaktor verwendet werden, entweder ersatzweise oder um den
schon vorliegenden Wert weiterzuführen. Hierzu kann z.B. ein
Tiefpassfilter verwendet werden. Bei neuerlicher Bestimmung eines
Alterungsfaktors nach einer bekannten Methode kann dann ein Abgleich
erfolgen.
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Durch
die Verwendung sowohl eines Modells als auch eines Messaufnehmers
für die
NOx-Konzentration wird eine vorteilhafte Redundanz geschaffen, da
bei Ausfall des Modells oder Ausfall der Messstelle dennoch ein
Ausweichen der Betrieb der Abgasreinigungsanlage sichergestellt
ist. Gegenüber einem
bekannten Messwert basierten Verfahren besteht größere Unempfindlichkeit
bezüglich
Sensorausfällen
oder Fehler behafteten Sensorsignalen, da jederzeit die NOx-Modellwerte
zur Verfügung
stehen, die unter Berücksichtigung
des bestimmten Alterungszustandes eine genaue Steuerung der Regenerationsbetriebsphasen
bzw. der Magerbetriebsphasen ermöglichen.
Dadurch kann auch bei kurzzeitigem oder kurzfristigem Sensor ausfall
eine Magerbetriebsphase sicher beendet und eine erforderliche Regenerationsbetriebsphase
eingeleitet werden. Durch einen ungenauen Alterungszustand erforderliche
Sicherheitsreserven bezüglich
der Dauer einer Magerbetriebsphase, die ansonsten zu garantierten Einhaltung
von Abgasgrenzwerten erforderlich wären, können verringert werden, wodurch
der Kraftstoffverbrauch sinkt.
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Durch
die Adaption des NOx-Modells unter Rückgriff auf die gemessenen
NOx-Konzentrationswerte wird nicht nur eine genauere Steuerung des Betriebs
der NOx-Abgasreinigungsanlage bewirkt, sondern nunmehr vorteilhafterweise
zugleich auch ein Wert für
den Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators erhalten, der
durch die bei der Adaption auszugleichende Differenz gegeben wird, bzw.
abhängig
davon erhalten wird. Der erfindungsgemäße Ansatz kombiniert eine sehr
hohe Genauigkeit mit einem sehr robusten Verfahren. Eine Alterungsbestimmung
nach bisher bekannten Verfahren, die zum Teil rechenaufwendig ist,
kann dann entfallen.
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Für das erfindungsgemäße Abgasreinigungsverfahren
ist es besonders zweckmäßig, den Alterungsfaktor
aus der aktuellen Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators
zu bestimmen, wobei ein Verhältnis
von aktueller Speicherkapazität
zu einer vorgegebenen Referenz-Speicherkapazität den Alterungsfaktor definiert.
Damit erfüllt
das erfindungsgemäße Verfahren
die Anforderung an eine ständige
Systemüberwachung
(on-board Diagnose).
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Modellbasierte
Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines NOx-Speicherkatalysators
erlauben die Bereitstellung sehr aktueller Werte, wenn eine Berechnung
mit entsprechend schnellen Aktualisierungszyklen erfolgt. Dann kann
mit einem Modell ein sehr zeitaktueller Wert für die vom NOx-Speicherkatalysator
und damit der Abgasreinigungsanlage abge gebene NOx-Verbindung erhalten werden.
Messaufnehmer haben demgegenüber
oft eine gewisse Totzeit, bis sie auf eine Änderung der NOx-Konzentration
ansprechen. Dies ist besonders bei kostengünstigen Messaufnehmern der
Fall, die regelmäßig nur
ein stark tiefpassgefiltertes Messsignal abgeben. Für solche
Kombinationen ist es zu bevorzugen, vor der Differenzbildung zwischen NOx-Messwert
und NOx-Modellwert, den NOx-Modellwert Tiefpass zu filtern, um die
Aussagefähigkeit der
Differenz zu steigern. Ansonsten würde ein zeitlich aktuellerer
Wert in einer Differenz mit einem etwas zeitlich verzögerten Wert
zusammengeführt.
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Für den Fall,
dass die Berechnungen im Modell mit einer geringeren Taktrate erfolgen,
was unter dem Gesichtspunkt geringeren Rechenaufwands in einer Betriebssteuereinheit
der Brennkraftmaschine erforderlich sein kann, kann es, insbesondere
bei der Verwendung hochpräziser
und schneller Messaufnehmer im Abgastrakt zu umgekehrten Verhältnissen kommen,
d. h. der NOx-Modellwert kann zeitlich gegenüber dem NOx-Messwert verzögert sein.
In einem solchen Fall ist eine Tiefpassfilterung des NOx-Messwertes
zu bevorzugen.
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Die
erfindungsgemäß bestimmte
Differenz kann auf verschiedene Weisen zur Ermittlung eines Alterungsfaktors
verwendet werden. Z.B. kann sie zur Korrektur des Modells berücksichtigt
werden und aus der vorgenommenen Korrektur der Alterungsfaktor ermittelt
werden. Das Vorgehen hängt
im wesentlichen vom verwendeten Modell ab. Bei analytisch arbeitenden
Modellen, die eine Rückrechnung
von NOx-Konzentration auf den Beladungsgrad erlauben bzw. bei Modellen,
die den NOx-Modellwert als Zustandsgröße verwenden, kann die Differenz
direkt zur Korrektur des Modells eingesetzt werden, indem ein entsprechender
Korrekturfaktor für
die Zustandsgröße bei der
Ermittlung des NOx-Modellwertes eingeführt wird, der von der berechneten
Differenz abhängt.
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Bei
Modellen, die als wesentliche Bestandteile auf Kennfelder zugreifen,
ist es zweckmäßig, die Differenz
mittels eines Kennfeldes zur Korrektur der im Modell verwendeten
Zustandsgröße einzusetzen. Diese
kennfeldbasierte Berücksichtigung
der Differenz kann auch bei anderen Modellen, die nicht wesentlich
auf Kennfelder zur Einleitung von Regenerationsbetriebsphasen bauen,
zur Korrektur zweckmäßig sein,
da damit mitunter der Rechenaufwand gemindert wird.
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Die
Verwendung des errechneten Wertes der Differenz zwischen NOx-Modellwert
und NOx-Messwert zur Durchführung
der Korrektur des Modells kann in einem besonders einfachen Fall
mittels eines Umrechnungsfaktors erfolgen, der mit dem errechneten
Wert der Differenz multiplikativ verknüpft wird. Der Umrechnungsfaktor
bildet somit eine proportionale Beziehung zwischen Differenz und
zu korrigierender Zustandsgröße ab. Dieser
lineare Absatz führt mit
relativ geringem Aufwand zu einer verblüffend guten Korrektur.
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In
besserer Näherung
kann diese Proportionalität
zu einem beliebigen funktionalen Zusammenhang erweitert werden,
indem der Umrechnungsfaktor einem Kennfeld entnommen wird. Da die
Differenz zwischen NOx-Modellwert und NOx-Messwert im wesentlichen
eine Aussage über
den vom Modell bei der Beurteilung des Zustandes des NOx-Speicherkatalysators
gemachten Fehler beinhaltet, ist es vorteilhaft, dieses Kennfeld
abhängig
von Größen zu wählen, die
sich stark auf die Zustandsgröße auswirken.
Dies sind in erster Linie die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators sowie die die Konzentration
an NOx-Verbindungen,
die dem NOx-Speicherkatalysator mit dem Rohabgas zugeführt wird.
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Es
ist deshalb zu bevorzugen, das Kennfeld, dem der Umrechnungsfaktor
entnommen wird, abhängig
von NOx-Speicherkatalysatortemperatur und der Konzentration von
NOx-Verbindungen im Rohabgas zu gestalten.
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Die
dabei in das Kennfeld eingehenden Größen können ihrerseits wieder aus
einem Modell stammen, oder auch aus Messwerten gewonnen sein. Dies
hängt von
der Detailausgestaltung des verwendeten Modells ab. So sind Temperaturmodelle
bekannt, um die wirkliche Temperatur des Katalysators, die sich
auf seinen Wirkungsgrad auswirkt, zu bestimmen. Hierzu kann beispielsweise
auf die
DE 198 36
955 A1 der Anmelderin verwiesen werden.
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Ähnliches
gilt für
die NOx-Konzentration im Rohabgas; auch hierzu sind Modelle bekannt,
beispielsweise ein kennfeldbasierter Ansatz, wie er in der WO 98/55742
der Anmelderin beschrieben ist.
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Die
Verknüpfung
der aus Umrechnungsfaktor und Differenz errechneten Korrekturgröße zu einer
Zustandsgröße des Modells
kann prinzipiell multiplikativ wie additiv erfolgen. Eine additive
Verknüpfung
hat jedoch den Vorteil, dass der Korrekturfaktor eine absolute Abweichung
der Zustandsgröße wiedergibt
und damit einen kontinuierlichen Modellversatz anzeigt, der sehr
viel häufiger
auftritt, als ein prozentualer Fehler. Darüber hinaus bietet sich bei
additiver Verknüpfung
die Möglichkeit,
in einer Weiterbildung der Erfindung einen Offsetwert in Form eines Restwertes
der Zustandsgröße bei vollständig regeneriertem
NOx-Speicherkatalysator festzustellen.
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Verwendet
man als Zustandsgröße den Beladungsgrad,
stellt der Modellversatz den Restbeladungsgrad dar, die sich beispielsweise
anströmungsbedingt
im NOx-Speicherkatalysator einstellt und auch dann vorliegt, wenn
das Modell anzeigt, der NOx-Speicherkatalysator
sei vollständig
von NOx-Verbindungen entleert.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist deshalb vorgesehen,
dass direkt nach dem Ende einer Regenerationsphase eine Korrektur
des im Modell verwendeten Beladungsgrades durchgeführt wird,
wobei aus der Differenz zugleich ein Rest beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators
ermittelt und dieser weiter im Modell berücksichtigt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die C Zeichnungen
beispielshalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
einer Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator,
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm zur
Durchführung
eines Verfahrens zur Abgasreinigung und
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3 ein Ablaufdiagramm eines
Abschnittes eines Verfahrens zur Abgasreinigung.
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In 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine
Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsanlage gezeigt,
bei der ein noch zu erläuterndes
Verfahren zur Abgasreinigung eingesetzt wird. Dabei sind in der 1 nur diejenigen Bestandteile
einer Brennkraftmaschine bzw. der Abgasnachbehandlungsanlage gezeigt,
die für
das Verständnis des
Verfahrens erforderlich sind.
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Eine
Brennkraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 11 und
einen Abgastrakt 12 auf. Im Ansaugtrakt 11 ist
eine Kraftstoffzumesseinrichtung vorhanden, für die stellvertretend schematisch
ein Einspritzventil 13 eingezeichnet ist. Das Einspritzventil 13 spritzt
in den Ansaugtrakt 11 Kraftstoff ein. Alternativ zur Einspritzung
in den Ansaugtrakt kann der Kraftstoff auch direkt in die Zylinder
der Brennkraftmaschine in Form einer Direkteinspritzung eingebracht
werden. Im Abgastrakt 12, in den die Brennkraftmaschine 10 ihr
Abgas abgibt, ist eine Abgasnachbehandlungsanlage vorgesehen. Sie
weist einen möglichst
nahe der Brennkraftmaschine angeordneten Drei-Wege-Katalysator 14 auf,
dem in Strömungsrichtung des
Abgases ein NOx-Speicherkatalysator 15 nachgeschaltet ist.
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Aufgrund
seiner Lage vor dem NOx-Speicherkatalysator 15 wird der
Drei-Wege-Katalysator auch als Vorkatalysator bezeichnet. Die Auswahl
und Auslegung dieses Vorkatalysators erfolgt hinsichtlich schnellem
Ansprechverhalten und Sauerstoffspeicherkapazität. Damit während des noch zu erläuternden
Fettbetriebes in einer Regenerationsbetriebsphase bereitgestelltes
Regenerationsmittel möglichst unvermindert
dem NOx-Speicherkatalysator 15 zugeführt wird,
sollte der Vorkatalysator eine möglichst geringe
Sauerstoffspeicherkapazität
aufweist. Darüber
hinaus sollte er eine möglichst
weitgehende Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd
durchführen,
da sich dies in Magerbetriebsphasen der Brennkraftmaschine 10 günstig auf
die Arbeit des NOx-Speicherkatalysators 15 auswirkt.
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Der
NOx-Speicherkatalysator 15 speichert in Magerbetriebsphasen
der Brennkraftmaschine 10 abgegebene NOx-Verbindungen.
Er weist weiter eine Beschichtung auf, die bei stöchiometrischem
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 dem NOx-Speicherkatalysator 15 auch
katalytische Drei-Wege-Funktion verleiht.
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Zum
Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage sind Sensoren vorgesehen,
die einen Sauerstoffmessaufnehmer 16 stromaufwärts des
Vorkatalysators, einen Temperatursensor 17 nahe dem NOx-Speicherkatalysator 15 und
einen weiteren Sauerstoffmessaufnehmer 18 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 15 umfassen.
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Alle
Sensoren sowie die Kraftstoffzumesseinrichtung sind über nicht
näher bezeichnete
Leitungen mit einem Steuergerät 20 verbunden,
das einen Lambdaregler 19 enthält, der später noch näher erläutert wird.
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Als
Sauerstoffmessaufnehmer 16 wird vorzugsweise eine Breit band-Lambdasonde
eingesetzt, die in Abhängigkeit
vom Sauerstoffgehalt im Abgas ein stetiges, z.B. ein lineares Ausgangssignal
abgibt. Aus dem Signal dieser Breitband-Lambdasonde 16 bestimmt das
Steuergerät 20 die
Luftzahl, mit der die Brennkraftmaschine 10 betrieben wurde.
Dabei wird der Lambdaregler 19 aktiv, der den Lambdawert
im stöchiometrischen
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 entsprechend Sollvorgaben
regelt. Die Regelung im optimalen Lambda-Bereich der Brennkraftmaschine
mittels des Sauerstoffmessaufnehmers 18, der vorzugsweise
als binäre
Lambdasonde (2-Punkt-Lambda-Sonde)
ausgebildet ist, ist eine bekannte Führungsregelung auf einen festen
Lambdawert nahe 1. Dazu kann auch eine zwischen Vorkatalysator und
NOx-Speicherkatalysator angeordnete Lambda-Sonde verwendet werden.
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Im
Sauerstoffmessaufnehmer 18 ist gleichzeitig ein NOx-Messaufnehmer integriert.
Solche Messaufnehmer sind beispielsweise aus der Veröffentlichung
N. Kato et al., „Performance
of thick film NOx-sensor on diesel and gasoline engines", Society of Automotive
Engineers, Publ. Nr. 970858, bekannt. Ein solcher Messaufnehmer
gibt sowohl ein einen Lambda-Wert anzeigendes Signal auch ein entsprechendes
Signal für
die NOx-Konzentration im Abgas. Nachfolgend wird deshalb von einem
NOx-Messaufnehmer 18 gesprochen.
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Die
Temperatur des NOx-Speicherkatalysators, die im nachfolgenden Verfahren
ausgewertet ist, wird aus dem Signal des Temperatursensors 17 mittels
eines Temperaturmodells errechnet, da der Temperatursensor 17 nur
die Temperatur des in den NOx-Speicherkatalysator einströmenden Abgases anzeigt,
welches sich von der Temperatur im NOx-Speicherkatalysator unterscheidet.
Alternativ könnte
die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 15 auch
direkt gemessen werden, indem beispielsweise ein Temperatursensor
unmittelbar am oder im Gehäuse
des NOx-Speicherkatalysators 15 angeordnet wird.
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Das
Steuergerät 20 ist
weiter über
eine nicht näher
bezeichnete Datenleitung mit einem Kennfeldspeicher 21 verbunden,
in dem entsprechende Kennfelder, auf die noch zu sprechen kommen
sein wird, abgelegt sind.
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Zur
Einleitung der Regenerationsbetriebsphasen der Brennkraftmaschine
10,
in denen diese mit fettem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, um das für die Regeneration
des NOx-Speicherkatalysators
15 erforderliche
Regenerationsmittel im Rohabgas der Brennkraftmaschine
10 bereitzustellen,
wird ein Modell verwendet, das an sich bekannt ist. Hierzu wird
vollumfänglich
auf die
DE 196 07
151 C1 der Anmelderin verwiesen. Wesentlich für das Verständnis des
nachfolgenden Verfahrens ist hierbei, dass dieses Modell den Beladungsgrad
des NOx-Speicherkatalysators
als Zustandsgröße auswertet,
ob eine Regenerationsbetriebsphase eingeleitet werden soll. Weiter
liefert dieses Modell, das in
2 schematisch
mit einem Block S1 bezeichnet ist, einen NOx-Modellwert C_NOx_Modell
für die
vom NOx-Speicherkatalysator
15 abgegebene NOx-Konzentration.
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C_NOx_Modell
wird in einem Schritt S2 einer Tiefpassfilterung mit einem Tiefpassfilter
TP unterzogen, da aufgrund des hohen Rechentaktes des Steuergerätes 20 der
NOx-Modellwert C_NOx_ Modell sehr aktuell ist, aktueller als der
vom NOx-Messaufnehmer 18, der in 2 als Block S3 dargestellt ist, gelieferte
NOx-Messwert C_NOx_Sensor.
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Der
Tiefpassfilter 10 ist in seinen Filtereigenschaften auf
die Ansprechgeschwindigkeit des NOx-Messaufnehmers 18 abgestimmt.
Dabei wird auch die Gaslaufzeit zwischen Ausgang des NOx-Speicherkatalysators 15 und
dem NOx-Messaufnehmer 18 berücksichtigt. Insbesondere kann
der Tiefpassfilter TP dazu betriebsparameterabhängig ausgelegt werden.
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Der
vom Tiefpassfilter TP abgegebene tiefpassgefilterte Wert C_NOx_Modell_TP
wird in einem Schritt S4 mit dem NOx-Messwert C_NOx_Sensor in Form
einer Differenzbildung verknüpft.
Da durch wird die Konzentrationsdifferenz ΔC_NOx erhalten. ΔC_ NOx stellt
die Abweichung der modellbasierten Aussage über die vom NOx-Speicherkatalysator 15 abgegebene
NOx-Konzentration vom NOx-Messwert dar.
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Die
Konzentrationsdifferenz ΔC_NOx
wird dann in einem Schritt S5 mit einem Faktor F verknüpft, der
dem Kennfeldspeicher 21 entnommen wurde. Nach Durchführung des
Schrittes S5 steht ein Korrekturfaktor SK_Beladung_KOR zur Verfügung, der
mit dem im Modell verwendeten Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators 15 verknüpft werden kann,
um eine Korrektur zu bewirken. Der Korrekturfaktor wird über ein
Kennfeld in einen Alterungsfaktor A umgesetzt.
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Die
Gewinnung des Korrekturfaktors SK_Beladung_KOR ist in 3 detaillierter dargestellt.
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3 zeigt Teilschritte S6
bis S9, die in
2 im
Schritt S5 zusammengefasst sind. Zuerst wird in einem Schritt S6
die Temperatur T_SK des NOx-Speicherkatalysators
15 ermittelt.
Dazu wird unter Rückgriff
auf den Temperatursensor
17 mittels des eingangs erwähnten Temperaturmodells,
wie es in der hier ebenfalls vollumfänglich einbezogenen
DE 198 36 955 A1 der
Anmelderin beschrieben ist, die Temperatur T_SK des NOx-Speicherkatalysators festgestellt.
Weiter wird in einem Schritt S7 die dem NOx-Speicherkatalysator
zugeführte
Vorkat-NOx-Konzentration
NOx_VK aus aktuellen Werten von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine berechnet
und ggf. gefiltert. Hierzu wird wiederum auf den Kennfeldspeicher
21 zugegriffen.
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Nun
wird in einem Schritt S8 aus einem Kennfeld KF ein Wert für den Faktor
F entnommen, der von der Temperatur T_SK und der Vorkat-NOx-Konzentration
NOx_VK abhängt.
Der derart erhaltene Faktor F wird dann multiplikativ mit der Konzentrationsdifferenz ΔC_NOx verknüpft, wodurch der
Korrekturfaktor SK_Beladung_KOR erhalten wird.
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Der
Korrekturfaktor SK_Beladung_KOR beschreibt den Alterungszustand.
Er wird deshalb im Modell geeignet bei der Bestimmung des Beladungsgrades
eingesetzt. Durch diesen Schleifenschluss erfolgt eine Regelung
des Modells derart, dass im Endeffekt die Konzentrationsdifferenz ΔC_NOx verschwindet,
so dass bei korrektem Alterungsfaktor das Modell optimal korrigiert
ist. Um kurzzeitige Einflüsse,
die z.B. Umgebungsbedingungen auf die NOx-Emission einer Brennkraftmaschine
haben können,
auszuschalten, wird der Korrekturfaktor SK_Beladung_ KOR zur Gewinnung
des Alterungsfaktors mit einer Zeitkonstante tiefpassgefiltert,
die groß gegen
die Zeitskala der kurzzeitigen Einflüsse ist. Beispielsweise wird
eine Mittelwertbildung über mehrere
Stunden, Tage oder Wochen vorgenommen, um aus SK_Beladung_KOR den
Alterungsfaktor A zu erzeugen.
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Weiter
eröffnet
dieses Konzept eine Plausibilisierung der Regelung derart, dass
bei zu großen Konzentrationsdifferenzen ΔC_NOx eine
weitere Betriebssteuerung wahlweise nur unter Rückgriff auf den NOx-Messwert
oder den NOx-Modellwert erfolgt. Diese Regelschleife kann zusätzlich um
einen Integralanteil erweitert werden, so dass die Abweichung zwischen
NOx-Modellwert und
NOx-Messwert mittels eines PI-Reglers zu Null geregelt wird. Für den I-Anteil
gilt dabei das für
den den P-Anteil
darstellenden Faktor F gesagte sinngemäß.
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In
einer weiteren Anwendung des eingangs geschilderten Verfahrens kann
aus dem Korrekturfaktor SK_Beladung_KOR eine Restbeladung des NOx-Speicherkatalysators 15 nach
Durchführung
einer Regenerationsbetriebsphase ermittelt werden.
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Dazu
wird das in
2 dargestellte
Verfahren direkt nach Schluss einer Regenerationsbetriebsphase und
zu Beginn einer Magerbetriebsphase ausgeführt. Der Schluss einer Regenerationsbetriebsphase
kann entweder wiederum rein modellbasiert oder wie in der erwähnten
DE 198 44 082 C1 beschrieben,
gewählt
werden. Der direkt nach Durchführen
einer solchen Regenerationsbetriebsphase ermittelte Restbeladungsgrad
des NOx- Speicherkatalysators
15 gibt
Aussage über
eine NOx-Menge, die aus dem NOx-Speicherkatalysator in einer normalen Regenerationsbetriebsphase
nicht mehr desorbiert werden kann.
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Dieser
Restbeladungsgrad kann als nachfolgend bei der Ausführung des
Modells fest berücksichtigte
Größe Einsatz
finden. Alternativ kann bei einem zu hoch ansteigenden Restbeladungsgrad
bzw. bei einem Korrekturfaktor SK_Beladung_KOR, der einen bestimmten
Schwellenwert überschreitet,
eine besondere Regeneration eingeleitet werden, z. B. eine verlängerte Regenerationsbetriebsphase.