DE19744579C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Wirksamkeit einer NO¶x¶-Falle - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Wirksamkeit einer NO¶x¶-FalleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachung des Zustandes
und der Leistung bzw. Wirksamkeit von im Abgaskanal einer
Brennkraftmaschine installierten bzw. eingebauten Abgas-Rei
nigungsvorrichtungen.
Derzeit werden Stickoxid(NOx)-Fallen als eine mögliche Abgas-
Nachbehandlungs-Technologie für Magergemisch-Maschinen ange
sehen. Bei der NOx-Fallen-Technologie werden üblicherweise
Alkalimetall oder erdalkalische Materialien in Verbindung mit
Platin eingesetzt, um NOx bei Mager-Betriebsbedingungen zu
speichern oder zu okkludieren. Der Mechanismus für die NOx-
Speicherung schließt die Oxidation von NO zu NO2 über dem
Platin ein, gefolgt von der anschließenden Bildung eines Ni
tratkomplexes mit dem alkalischen Metall oder des Erdalkalis.
Unter stöchiometrischen oder fetten Bedingungen sind die
Nitratkomplexe thermodynamisch instabil. Das gespeicherte NOx
wird freigegeben und durch den Überschuß an CO, H2 und HCs im
Abgas bzw. in der Abgasanlage katalytisch reduziert.
Wenn im Laufe der Zeit die Wirksamkeit der NOx-Falle schlech
ter wird, nimmt deren Fähigkeit, Schadstoffe abzuscheiden ab,
was einen Anstieg der Luftverschmutzung zur Folge hat. Des
halb ist es wünschenswert, daß mittels einer implementierten
halb ist es wünschenswert, daß mittels einer implementierten
bzw. durchgeführten NOx-Fallen-Technologie eine von einem
Bordcomputer unterstützte bzw. gesteuerte Diagnoseanzeige ei
ner Verschlechterung oder Wirksamkeitsabnahme der NOx-Falle
über eine vorgegebene Grenze hinaus geschaffen wird.
In der EP 0 733 786 A2 wird ein Verfahren zur Überwachung der
Wirkung einer in dem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine an
geordneten NOx-Falle beschrieben, bei welchen in Zeitabstän
den vom Magerbetrieb des Motors in einen fetten Betrieb umge
schaltet wird, um das in der NOx-Falle absorbierte NOx zu ent
fernen. Dabei ist hinter der NOx-Falle ein O2-Sensor angeord
net, über den der Sauerstoffgehalt des Abgases hinter der
Falle beobachtet wird. Nach Einleiten des fetten Reinigungs
zyklus für die NOx-Falle bleibt das Abgasgemisch hinter der
Falle für eine Zeit lang sauerstoffreich (das heißt mager be
ziehungsweise stöchiometrisch), da die zugeführten Kohlen
wasserstoffe zur Reduktion des absorbierten NOx verbraucht
werden und somit ein Sauerstoffüberschuss am Ausgang der Fal
le vorliegt. Erst wenn die gesamte NOx-Menge aus der Falle
entfernt ist, gelangen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe
unverändert durch die NOx-Falle hindurch, und das Signal des
O2-Sensors zeigt daraufhin ein fettes Gemisch an. Diese An
zeige eines fetten Gemisches durch den hinter der
NOx-Falle angeordneten O2-Sensor deutet auf eine ausreichende
Reinigung der NOx-Falle hin, so dass die Motorsteuerung wie
der in den Magerzustand zurückschalten kann.
Die Häufigkeit, mit welcher derartige NOx-Reinigungszyklen
vorgenommen werden müssen, hängt von der NOx-Speicher
kapazität der Falle ab. Da diese Speicherkapazität der Falle
im Laufe der Zeit durch Alterung abnimmt, wird bei der
EP 0 733 786 A2 ein Mechanismus vorgeschlagen, die Wirkung
der NOx-Falle zu überwachen. Auf einen abnehmenden Wirkungs
grad kann dann durch in kürzeren Zeitabständen erfolgende
NOx-Reinigungszyklen reagiert werden. Zur Überwachung des
Wirkungsgrades wird in gewissen größeren Zeitabständen eine
absichtliche Überladung der NOx-Falle vorgenommen, um sicher
zustellen, dass eine dem maximalen Absorptionsgrad entspre
chende Menge an NOx in der Falle gespeichert wird. Sodann
wird im anschließenden NOx-Reinigungszyklus die desorbierte
NOx-Menge bestimmt, welche ein Maß für das tatsächliche maxi
male Absorptionsvermögen der Falle und somit für den Wir
kungsgrad der Falle ist. Die Bestimmung der desorbierten NOx-
Menge basiert dabei auf der Zeitdauer, die zwischen dem Ein
leiten des fetten Betriebszustandes und der Anzeige eines
fetten Abgasgemisches durch den hinter der NOx-
Falle angeordneten Sensor vergeht. Wenn der Wirkungsgrad be
ziehungsweise das Absorptionsvermögen der NOx-Falle unter
einen unteren Grenzwert abnimmt, schaltet die Steuerung eine
Warnlampe an. Dies gibt dem Benutzer einen Hinweis, dass die
NOx-Falle nicht mehr ausreichend leistungsfähig ist und er
setzt werden sollte.
Die EP 0 690 213 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung
der Wirkung einer NOx-Falle mit Hilfe eines stromabwärts hin
ter der NOx-Falle angeordneten O2-Sensors. Zur Abschätzung des
Absorptionsvermögens der NOx-Falle wird in einem besonderen
Verfahren die Detektion der Signalspitze des O2-Sensors vor
geschlagen, da die Messung des Zeitintervalls zwischen der
Einleitung eines fetten Betriebszustandes und der Detektion
eines fetten Abgasgemisches durch den O2-Sensor als schwierig
und sehr fehleranfällig bezeichnet wird. Der
Wirkungsgrad der NOx-Falle wird bei der EP 0 690 213 A1 in
speziellen Bestimmungszyklen für diesen Wirkungsgrad festge
stellt, in denen sichergestellt sein muss, dass das volle Ab
sorptionsvermögen der NOx-Falle ausgeschöpft ist.
Die DE 40 17 547 A1 betrifft eine Abgasreinigungsanlage mit
einem Dreiwegekatalysator, und die DE 44 11 942 A1 betrifft
eine Abgasemissionskontrollvorrichtung mit einem Luft-
Kraftstoff-Verhältnissensor vor einer NOx-Falle und einem NOx-
Gassensor hinter der Falle. Mit Hilfe der Sensoren wird das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors so geregelt, dass ein
magerer Betriebszustand eingehalten wird und die
NOx-Emissionen begrenzt werden. Maßnahmen zur Überwachung der
Alterung der NOx-Falle werden nicht erwähnt.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, ein Verfahren der genannten Art derart zu verbessern,
dass eine bessere Ausnutzung der NOx-Falle erhalten wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen von An
spruch 4 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Durchführen von Bordmessungen der NOx-Fallen-
Sorption vorgesehen, das bzw. die eine Überwachung und Bewer
tung bzw. Auswertung der NOx-Fallen-Wirksamkeit mittels eines
Fahrzeug-Bordcomputers ermöglicht.
Es wurde festgestellt, daß während einer NOx-Fallenreinigung
die Mager-zu-Fett-Ansprechzeit (TLR) eines HEGO (beheizten
Abgassauerstoff)-Sensors, der stromabwärts der NOx-Falle po
sitioniert ist, um einen Betrag verringert ist, der propor
tional zu der in der Falle gespeicherten NOx-Menge ist. Wenn
das NOx-Sorptionsvermögen ansteigt, wird mehr NOx in der Fal
le gespeichert und die TLR des stromabwärts angeordneten
HEGO-Sensors nimmt ebenfalls zu.
Basierend auf der vorstehend beschriebenen Feststellung
schlägt die vorliegende Erfindung vor, dieses Zeitintervall
zwischen der Einleitung des Reinigungsvorganges und dem
Schalten des stromabwärtigen HEGO-Sensors als einen Indikator
für die NOx-Menge zu verwenden, die während der vorangegange
nen Mager-Betriebsperiode in der NOx-Falle gespeichert war
bzw. wurde. Diese Zeitverzögerung wird auch in einer Diagno
seroutine zum Anzeigen der Abnahme der NOx-Fallenleistung auf
ein Maß, das Beachtung durch Wartungspersonal erfordert, ver
wendet.
Insbesondere werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung zwei HEGO-Sensoren eingesetzt, von denen der eine
stromaufwärts der NOx-Falle und der andere stromabwärts der
NOx-Falle positioniert ist. Wenn das Luft/Kraftstoff(A/F)-
Verhältnis der Maschine von einem mageren zu einem stöchiome
trischen oder zu einem fetten Betrieb reduziert wird, um die
NOx-Falle zu regenerieren (d. h. um das gespeicherte NOx zu
entfernen und anschließend in N2 zu überführen), liefert die
Differenz zwischen TLR für den stromaufwärtigen und für den
stromabwärtigen HEGO-Sensor ein quantitatives Maß für die
NOx-Menge, die in der NOx-Falle während der vorangegangenen
Mager-Betriebsperiode gespeichert war bzw. wurde. Diese
Schätzung der von der Falle gespeicherten NOx-Menge wird auf
eine vorausgesagte, von der Maschine erzeugte NOx-Menge bezö
gen, um die Betriebsleistung oder das Leistungsvermögen bzw.
den Wirkungsgrad der NOx-Falle abzuleiten. Auch das Differen
tial des Ausgangsspannungssignals zwischen dem stromabwärti
gen und dem stromaufwärtigen HEGO-Sensor wird überprüft, um
zu bestimmen, wann die NOx-Reinigung zu beenden ist.
Wenn der Sorptionswirkungsgrad der Falle unter einen vorgege
benen Wirkungsgrad fällt, wird die Mager-Betriebszeit ver
suchsweise reduziert, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Falls und wenn die reduzierte Mager-Zeitdauer unter eine vor
gegebene minimale Mager-Betriebszeit abfällt, wird eine
Schwefelreinigung der Falle als wünschenswert angesehen und
durchgeführt.
Falls das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Schwefel
reinigungen kleiner als ein vorgegebenes Intervall wird,
zeigt dies eine Verschlechterung der Falle über denjenigen
Grad hinaus an, der durch die normalen Reinigungsvorgänge be
hoben werden kann. Dementsprechend wird der Mager-Maschinen
betriebs-Fahrmodus beendet und eine Betriebsweise mit stö
chiometrischem Modus mit geschlossenem Regelkreis aufgenom
men. Weiterhin wird eine Anzeigelampe eingeschaltet, so daß
eine Betriebsperson geeignete Abhilfe leisten kann.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dient die
nachfolgende detaillierte beispielhafte Beschreibung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gesamt-Blockdiagramm des Steuersystems der vor
liegenden Erfindung;
Fig. 2 und 3 eine graphische Darstellung einer ähnlichen
quantitativen Beziehung zwischen dem %NOx-Sorptions
wirkungsgrad und der Mager-zu-Fett-Schaltzeit eines
stromabwärtigen Sauerstoffsensors über einen Tempera
turbereich;
Fig. 4 die Mager-zu-Fett-Schaltzeit eines stromabwärtigen
Sauerstoffsensors, welche im wesentlichen direkt pro
portional zu der in der Falle gespeicherten NOx-Menge
ist;
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die Bedingungen darstellt, un
ter denen in einen Mager-Maschinenbetriebs-Fahrmodus
eingetreten wird;
Fig. 6a und 6b Taktdiagramme mit einer Darstellung des Steu
erns der Einleitung und der Beendigung des NOx-Reini
gungsvorganges;
Fig. 7 ein Flußdiagramm, das die Bedingungen darstellt, un
ter denen das Zeitintervall für den Magermodus einge
stellt wird;
Fig. 8 ein Flußdiagramm, das sowohl die Bedingungen, unter
denen eine Schwefelreinigung durchgeführt wird, als
auch die Umstände darstellt, unter denen der Mager-
Fahrmodus beendet und eine Anzeigelampe eingeschaltet
wird.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Eine Kraftstoffpumpe 10 pumpt Kraftstoff aus ei
nem Tank 12 durch eine Kraftstoffleitung 14 zu einem Satz von
Einspritzeinrichtungen 16, die Kraftstoff in eine Brenn
kraftmaschine 18 einspritzen. Die Kraftstoff-Einspritzein
richtungen 16 sind herkömmlich konstruiert und dahingehend
positioniert, Kraftstoff in ihre zugeordneten Zylinder in ge
nauen Mengen, wie von einer elektronischen Maschinen-Steu
erungseinrichtung (EEC) 20 bestimmt, einzuspritzen. Der
Kraftstofftank 12 enthält flüssige Kraftstoffe, wie z. B.
Benzin, Methanol oder eine Kombination unterschiedlicher
Kraftstoffe.
Ein Abgassystem 22 mit einem oder mehreren Auspuffrohren und
einem Auspuffflansch, insgesamt mit 24 bezeichnet, transpor
tiert Abgas, das bei Verbrennung eines Luft/Kraftstoff-Gemi
sches in der Maschine entsteht, zu einem herkömmlichen kata
lytischen Dreiwege-Wandler 26. Der Wandler 26 weist Katalysa
tormaterial auf, welches das Abgas chemisch ändert, um ein
katalysiertes Abgas zu erzeugen. Ein beheizter Abgassauer
stoff(HEGO)-Sensor 28 stellt den Sauerstoffgehalt des von der
Maschine 18 erzeugten Abgases fest und übermittelt ein reprä
sentatives Signal über eine Leitung 30 zur EEC 20. Eine NOx-
Falle 32 ist stromabwärts des Wandlers 26 angeordnet, um
Stickstoffoxide abzuscheiden, die in dem aus dem Wandler aus
tretenden Gas enthalten sind. Ein HEGO-Sensor 34 stellt den
Sauerstoffgehalt des Abgases stromaufwärts der Falle 32 fest,
während ein HEGO-Sensor 36 den Sauerstoffgehalt des Abgases
stromabwärts der Falle 32 feststellt. Die Sensoren 34 und 36
übertragen über jeweilige Leitungen 38 und 40 Signale zur EEC
20.
Weitere Sensoren, allgemein mit 46 bezeichnet, versorgen die
EEC 20 über eine Leitung 50 mit zusätzlichen Informationen
über die Maschinenleistung, wie zum Beispiel über die Kurbel
wellen-Stellung, die Winkelgeschwindigkeit, die Drosselstel
lung, die Lufttemperatur, etc. Die Informationen dieser Sen
soren werden von der EEC 20 zur Steuerung des Maschinenbe
triebes verwendet.
Von einem am Lufteinlaß der Maschine 18 positionierten Sensor
48 für den Luftmengenstrom wird die Luftmenge festgestellt,
die in ein Einlaßsystem der Maschine angesaugt wird. Der EEC
20 liefert ein Luftstrom-Signal über eine Leitung 52. Das
Luftstrom-Signal wird von der EEC 20 zur Berechnung eines
Wertes (in lbs./min.) genutzt, der die in das Einlaßsystem
strömende Luftmenge anzeigt.
Die EEC 20 weist einen Mikrocomputer auf mit einer Zen
traleinheit (CPU) 54, einem Nurlese-Speicher (ROM) 56 zum
Speichern von Steuerungsprogrammen, einem Speicher mit wahl
freiem Zugriff (RAM) 58 zur temporären Datenspeicherung, der
auch für Zähler und Zeitgeber verwendet werden kann, und mit
einem Fehler- bzw. Erhaltungsspeicher (KAM) 60 zum Speichern
gelernter Wörter. Daten werden über allgemein mit 62 bezeich
nete E/A-Anschlüsse bzw. -Kanäle eingegeben und ausgegeben
und intern über einen herkömmlichen, allgemein mit 64 be
zeichneten Datenbus übertragen. Die EEC 20 übermittelt ein
Kraftstoff-Einspritzeinrichtungssignal an die Einspritzein
richtungen 16 über eine Signalleitung 64. Das Kraftstoff-Ein
spritzeinrichtungssignal wird mit der Zeit von der EEC 20 va
riiert, um ein von der EEC 20 festgelegtes Luft/Kraftstoff-
Verhältnis aufrechtzuerhalten. Eine mit 66 bezeichnete An
zeigelampe wird von der EEC 20 gesteuert, um eine von Einga
bedaten aus den verschiedenen Sensoren bestimmte Anzeige für
den Zustand der NOx-Falle 32 zu erzeugen, wie nachfolgend nä
her beschrieben wird.
Das im ROM 58 gespeicherte Programm implementiert eine
Luft/Kraftstoff-Strategie, bei der die Maschine in einem Ma
germodus oder mit einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Ver
hältnis (AlF) betrieben wird, um unter bestimmten Dreh
zahl/Last-Bedingungen der Maschine Kraftstoff zu sparen. Wäh
rend des Magermodus sammelt sich NOx und SOx in der NOx-Falle
an. Wenn vorgegebene Kriterien erfüllt sind, die eine im we
sentlichen vollständige Sorption der Falle 32 anzeigen, wird
A/F auf ein relativ fettes Gemisch umgeschaltet, um die Falle
von NOx zu reinigen. Nachdem der Reinigungsmodus abgeschlos
sen ist, kehrt die EEC zum Mager-Betriebsmodus zurück. Alter
nativ kann das EEC-Programm einen stöchiometrischen Betriebs
modus anstatt des fetten Modus zum Reinigen der Falle von NOx
aufrufen.
Nachfolgend wird auf Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen, in denen
die Beziehung zwischen der Mager-zu-Fett-Schaltzeit (TLR) des
HEGO-Sensors, der stromabwärts einer NOx-Falle angeordnet
ist, und der in der Falle gespeicherten NOx-Menge graphisch
dargestellt ist. In Fig. 2 und 3 sind der NOx-Fallen-Sorpti
onswirkungsgrad als Funktion der Temperatur und die entspre
chende Mager-zu-Fett-Schaltzeit (TLR) eines HEGO-Sensors, der
stromabwärts der NOx-Falle angeordnet ist, einander gegen
übergestellt. Der NOx-Fallen-Sorptionswirkungsgrad und die
TLR des stromabwärtigen HEGOs zeigen sehr ähnliche Verhal
tensweisen. Wenn der NOx-Sorptionswirkungsgrad steigt, wird
mehr NOx in der Falle gespeichert, und die TLR des stromab
wärtigen HEGO-Sensors steigt ebenfalls.
Fig. 2 zeigt den mittleren NOx-Sorptionswirkungsgrad als
Funktion der Temperatur während eines 5-minütigen Mager-Tak
tes für eine herkömmliche auf Strontium basierende NOx-Falle.
Bei steigender Temperatur steigt zunächst der NOx-Sorptions
wirkungsgrad, erreicht ein maximales Niveau bei ungefähr 300-
350°C und nimmt dann ab. Die Messungen wurden in einem Labor-
Strömungsreaktor mit simuliertem Abgas durchgeführt, das aus
10% H2O, 10% CO2, 500 ppm Nox, 7% O2 und N2 als Rest be
stand. Um die NOx-Falle zu reinigen oder zu regenerieren,
wurde das O2 im Abgas abgeschaltet und durch 0,58% CO er
setzt. Die Raumgeschwindigkeit betrug 30.000 hr - 1.
Fig. 3 zeigt einen Graph der entsprechenden Mager-zu-Fett-
Schaltzeit (TLR) für einen herkömmlichen Abgas-Sauerstoff
sensor (EGO), der stromabwärts der NOx-Falle angeordnet ist.
TLR ist definiert als die Zeitdauer zwischen der Einleitung
der NOx-Fallenreinigung und der Feststellung eines minimal
0,5-Volt-Sensorausgangssignals. Der NOx-Falle-Sorptions
wirkungsgrad und TLR zeigen ein sehr ähnliches qualitatives
Verhalten. Wenn der NOx-Falle-Sorptionswirkungsgrad ansteigt,
wird mehr NOx in der Falle gespeichert, und die TLR des
stromabwärtigen EGO-Sensors steigt ebenfalls. Es wird ange
nommen, daß das in der Falle gespeicherte NOx sich ähnlich
wie gespeicherter Sauerstoff verhält und einfach mit dem CO
und H2 im Abgas während des Reinigens reagiert und aus diesem
Grunde den Fett-Durchbruch bzw. die Fett-Schwelle verzögert
oder hinausschiebt.
Fig. 4 zeigt einen Graph der NOx-Speicherung als Funktion von
TLR bei 350°C. Die Mager-Betriebsperiode wurde variiert, um
die in der Falle gespeicherte NOx-Menge zu variieren. Es ist
ersichtlich, daß bei einer gegebenen Temperatur die TLR, die
während des Reinigens der NOx-Falle beobachtet wurde, direkt
proportional der NOx-Menge ist, die während der vorangegange
nen Mager-Betriebsperiode in der Falle gespeichert war bzw.
wurde. Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Beziehung
zwischen NOx-Sorption und TLR, zur Steuerung der Fallen-Rei
nigungszeit genutzt, um zu bestimmen, ob das Zeitintervall
des Mager-Betriebes reduziert werden sollte, und um festzule
gen, wann die Falle ausgetauscht werden sollte. Diese Bezie
hung wird auch genutzt, zu bestimmen, wann die Falle ent
schwefelt wird, um die NOx-Falle von SOx zu befreien.
Nachfolgend wird auf Fig. 5 Bezug genommen, in der ein
Flußdiagramm dargestellt ist, das die Kriterien für einen
Eintritt in den Mager-Betriebsmodus mit konstanter Geschwin
digkeit oder den Mager-Fahrbetriebsmodus zeigt. Der Mager-
Fahrbetriebsmodus weist einen Kraftstoff-Steuermodus mit of
fenem Regelkreis auf, bei dem die Maschine mit einem mageren
Kraftstoffgemisch von z. B. 20 Teilen Luft zu 1 Teil Kraft
stoff betrieben wird. Der Mager-Fahrbetriebsmodus weist wei
terhin einen Kraftstoffsteuermodus mit geschlossenem Regel
kreis auf, in den vom Modus mit offenem Regelkreis aus peri
odisch eingetreten wird und bei dem die Maschine mit einem
stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis von ungefähr
14,5 zu 1 für ein Zeitintervall betrieben wird, das zum Rei
nigen der NOx-Falle von NOx vor der Rückkehr zum Magermodus
ausreicht. Es ist ein Flag LCFLG vorhanden, das den Zustand
des Mager-Fahrmodus wiedergibt. Während des Mager-Fahrmodus
arbeitet die Maschine üblicherweise in einem Magermodus mit
offenem Regelkreis und wird periodisch in einen stöchiometri
schen Modus mit geschlossenem Regelkreis oder in einen leicht
fetten Modus mit offenem Regelkreis zum Entfernen des NOx
versetzt.
Bei Block 70 wird ein Flag LAMFLG für die Anzeigelampe über
prüft. Dieses Flag wird immer dann gesetzt, wenn die EEC 20
bestimmt, daß die NOx-Falle sich bis zu einem Punkt ver
schlechtert hat, bei dem die normalen SOx-Reinigungsvorgänge
nicht länger genügen und die NOx-Falle weitere Aufmerksamkeit
erfordert und eventuell ausgetauscht werden muß. Solch ein
Zustand würde der Fahrzeug-Bedienungsperson durch den einge
schalteten Zustand der Anzeigelampe 66 angezeigt werden, und
das Auftreten einer NOx-Verschlechterung würde im Erhaltungs
speicher 60 protokolliert werden. Falls LAMFLG zurückgesetzt
ist (0) und damit einen normalen NOx-Fallenbetrieb anzeigt,
werden dann bei Block 72 die in die Maschine eingelassene
Luftmenge wie auch andere Maschinenbetriebsbedingungen, wie
z. B. Drehzahl und Maschinen-Kühlmitteltemperatur, gemessen,
um das richtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) für die Ma
schine zu bestimmen. Falls eine Verschlechterung der NOx-
Falle aufgetreten ist (LAMFLG = 1) oder falls die Bedingungen
so sind, daß ein Magerbetrieb nicht wünschenswert ist, wie
durch den Entscheidungsblock 74 bestimmt, wird dann ein Ma
gerfahr-Flag LCFLG bei Block 76 zurückgesetzt (0) und die
Subroutine kehrt zum Hauptprogramm zurück. Andernfalls wird
das Magerfahr-Flag LCFLG bei Block 78 gesetzt (1) und die
Subroutine kehrt zum Hauptprogramm zurück. Während einer
Zeitdauer T1 wird der Mager-Fahrbetriebsmodus bei einem mage
ren Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) betrieben. Während die
ser Zeit wird die Maschinendrehzahl und -last dazu benutzt,
die sich aufsummierende, von der Maschine erzeugte NOx-Menge
zu schätzen. Nach Ablauf des Zeitintervalls T1 wird eine Rei
nigung der NOx-Falle durchgeführt, indem die Maschine während
eines Reinigungsintervalls bei einem relativ fetten
Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) vor der Rückkehr zu einem
relativ mageren Betrieb betrieben wird.
In Fig. 6a und 6b ist ein Steuerungs- bzw. Taktdiagramm des
NOx-Reinigungsvorganges dargestellt. Fig. 6a zeigt einen Plan
für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis als Funktion der Zeit,
während die Maschine in einem Mager-Fahrbetriebsmodus bei ei
nem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 20 mit offenem Regelkreis
arbeitet. Wenn die Mager-Zeit LT größer als T1 wird, ist eine
Reinigung der Falle 32 zweckmäßig, und dementsprechend wird
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von einem mageren Wert auf
einen leicht fetten Wert, wobei ein Luft/Kraftstoff-Verhält
nis von 14,5 Stöchiometrie darstellt, stufenförmig umge
stellt. In diesem Fall schaltet der stromaufwärtige Sensor 34
sofort von einer niedrigen Spannung auf eine hohe Spannung,
wie in Fig. 6b dargestellt. Wie durch die punktierte Linie
angegeben, wird das Schalten des stromabwärtigen Sensors um
den Betrag TD verzögert. Die Zeitverzögerung, die der strom
abwärtige Sensor 36 zum Erreichen einer vorgegebenen Span
nung, z. B. ein halbes Volt, wie in Fig. 6b dargestellt, be
nötigt, wird gemessen (Block 100). Wenn die Ausgangsspan
nungsdifferenz zwischen dem stromabwärtigen Sensor 36 und dem
stromaufwärtigen Sensor 34 einen vorgegebenen Wert Sc er
reicht (Block 108), wird die NOx-Reinigung beendet und der
Magerbetrieb wieder auf genommen.
Nachfolgend wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in der ein Fluß
diagramm mit den Kriterien für das Reinigen der NOx-Falle und
für die Berechnung des NOx-Speicherwirkungsgrades dargestellt
ist. Bei Block 86 wird LCFLG überprüft, um zu bestimmen, ob
das System in einem Mager-Fahrmodus betrieben wird. Falls
nicht, kehrt die Routine zum Hauptprogramm zurück. Falls ja,
wird ein Schwefelreinigungs-Flag SPFLG bei einem Entschei
dungsblock 88 überprüft. Falls SPFLG gesetzt ist (1), wird
eine Schwefelreinigung der Falle eingeleitet, wie nachfolgend
beschrieben werden wird. Falls SPFLG zurückgesetzt ist (0),
wird die Zeitdauer des Mager-Betriebsmodus T1 mit einer vor
gegebenen minimalen Zeitperiode T1c verglichen. Wenn T1 nicht
größer als dieses vorgegebene Zeitintervall T1c ist, muß der
Mager-Fahrbetrieb eventuell beendet werden. Das Zeitintervall
T1 ist anfangs ein vorgegebener Wert und wird solange so
bleiben, wie der Speicherwirkungsgrad der NOx-Falle oberhalb
eines vorgegebenen oder erforderlichen Wirkungsgrad-Wertes
bleibt, jedoch wird T1 - wie nachstehend erklärt - reduziert
werden, um den geforderten Wirkungsgrad bzw. die geforderte
Leistungsfähigkeit beizubehalten. Wenn bei Block 90 festge
stellt wird, daß T1 nicht größer als die vorgegebene Zeitpe
riode T1c ist, kann dieses anzeigen, daß sich die NOx-Falle
aufgrund einer Adsorption von SOx, eines unerwünschten aber
unvermeidbaren Vorgangs, verschlechtert hat. Dementsprechend
wird das Schwefelreinigungs-Flag gesetzt und das Mager- und
das NOx-Flag werden bei Block 120 zurückgesetzt, und der Be
trieb kehrt zum Hauptprogramm zurück. Beim nächsten Durchlauf
durch diese Routine wird bei dem Entscheidungsblock 88 eine
Schwefelreinigung aufgerufen werden.
Falls T1 größer als T1c ist, werden bei dem Entscheidungs
block 92 dann die Bedingungen eines NOx-Reinigungs-Flags
(NPFLG) überprüft. Falls das NOx-Reinigungs-Flag zurückge
setzt ist, bedeutet dies, daß die Maschine in einem Magermo
dus arbeitet. Dann wird die Mager-Zeit LT bei Block 94 inkre
mentiert und bei Block 96 mit T1 verglichen. Falls die Mager-
Zeit nicht größer ist als die vorgegebene Zeitperiode für Ma
gerbetrieb, wie vom Block 96 bestimmt, wird dann bei Block
116 eine Schätzung der NOx-Menge durchgeführt, die seit der
letzten Reinigung der Falle zugeführt worden ist. SUM Ne0,
bestimmt in Block 116, stellt eine Voraussage für sich ansam
melndes, von der Maschine erzeugtes NOx, basierend auf der in
die Maschine eingelassenen bzw. eingesaugten Luftmenge und
der Maschinendrehzahl als Eingangswert aus Block 118 dar.
Falls andererseits die gemessene Mager-Betriebszeit größer
ist als die gesetzte Zeitperiode für den Magerbetrieb T1, wie
bei Block 96 bestimmt, wird das NPFLG-Flag gesetzt, wie bei
Block 98 dargestellt, und der NOx-Reinigungsbetrieb bzw. -
vorgang wird durch Umschalten von einem Magermodus auf ein
relativ fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) begonnen.
Beim nächsten Durchlauf durch die Schleife wird bei Block 92
der NEIN-Weg genommen werden.
Während der NOx-Reinigung wird die Zeitverzögerung, die zwi
schen dem Schalten des vorderen und des hinteren EGO-Sensors
aufgrund der NOx-Ansammlung auftritt, bei Block 100 gemessen.
Basierend auf dieser Zeitverzögerung wird die in der Falle
gespeicherte NOx-Menge Ns bei Block 102 als Funktion der
Fallentemperatur bestimmt (Fig. 4), die ein Eingangswert aus
Block 104 ist. Die Fallentemperatur kann auf verschiedene Art
und Weise erhalten werden, beispielsweise von einem Tempera
tursensor oder basierend auf der abgetasteten Luftmenge oder
geschätzt mittels eines anderen Eingangswertes.
Der NOx-Speicherwirkungsgrad Seff wird bei Block 106 be
stimmt, basierend auf dem Verhältnis Ns/SUM Ne0. Mit anderen
Worten: der Speicherwirkungsgrad bzw. das Speicherleistungs
vermögen stellt das Verhältnis der in der Falle gespeicherten
NOx-Menge zu der von der Maschine erzeugten NOx-Menge dar.
Beim Entscheidungsblock 108 wird die Spannung S2 des stromab
wärtigen HEGO-Sensors 36 von der Spannung S1 des stromaufwär
tigen HEGO-Sensors 34 subtrahiert und die Differenz mit einer
vorgegebenen Differenz Sc verglichen, um zu bestimmen, ob es
Zeit ist, die NOx-Reinigung zu beenden. Sobald die Differenz
unter den vorgegebenen Differenzwert abfällt, kann die Reini
gung als abgeschlossen angesehen werden, und sie wird been
det, und bei Block 110 werden das NOx-Reinigungs-Flag NPFLG
zurückgesetzt (0), der Mager-Fahrzeitzähler oder Zeitgeber LT
zurückgesetzt und der vorausgesagte NOx-Wert SUM Ne0 zurück
gesetzt.
Ist der NOx-Speicherwirkungsgrad geringer als der vorgegebene
NOx-Speicherwirkungsgrad SCeff, was von Block 112 bestimmt
wird, wird die Zeitperiode T1 für Magerbetrieb in Richtung
auf T1c bei Block 114 um einen vorgegebenen Betrag reduziert.
Wurde das Mager-Zeitintervall unter die vorgegebene Zeitperi
ode T1c reduziert, was von Block 90 bestimmt wird, wird das
Schwefelreinigungs-Flag (SPFLG) gesetzt, wie im Block 120 an
gegeben. Mit SPFLG = 1 wird beim nächsten Durchlauf durch
diese Routine eine Schwefelreinigung beim Entscheidungsblock
88 aufgerufen werden.
In Fig. 8 ist die Subroutine zur Durchführung einer Schwefel
reinigung und von Borddiagnosen der NOx-Falle dargestellt.
Die Schwefelreinigung wird durch Erhöhen der NOx-Fallentempe
ratur auf ein vorgegebenes Niveau, z. B. oberhalb 550°C,
durchgeführt, während die NOx-Falle einem fetten Abgasgemisch
ausgesetzt wird. Zusätzliche Luft von einer separaten Luft
versorgung und -pumpe kann mit EEC-Steuerung zugeführt wer
den, um die gewünschte Fallentemperatur zu erreichen und so
eine Aufheizung der NOx-Falle 32 bzw. eine Wärmeabgabe an
diese zu erzeugen und folglich die gewünschte Temperatur zu
erreichen.
Wenn das Magerfahr-Flag (LCLFG) (1) und das Schwefelreini
gungs-Flag (SPFLG) gesetzt sind (1), wie von den Blöcken 86
und 88 in Fig. 6 bestimmt, wird eine Schwefelreinigung bei
Block 124 eingeleitet, wenn nicht die Zeitperiode zwischen
aufeinanderfolgenden Schwefelreinigungen (TSP) kleiner ist
als eine vorgegebene Zeitperiode (TSPc), wie von Block 122
bestimmt. Bei Block 126 wird die seit der letzten Schwefel
reinigung (TSP) Zeitspanne berechnet. Wenn die Reinigung, wie
von Block 128 bestimmt, abgeschlossen ist, wird das Schwefel
reinigungs-Flag (SPFLG) bei Block 130 zurückgesetzt (0), und
die Subroutine kehrt zum Hauptprogramm zurück. Das Beenden
der Schwefelreinigung würde darauf basieren, daß die Tempera
tur der Falle 32 während einer vorgegebenen Zeitdauer ober
halb einer Grenzwerttemperatur ist, oder auf anderen Krite
rien. Andererseits ist, wenn die Zeitperiode zwischen Schwe
felreinigungen kürzer als die vorgegebene Zeitperiode TSPc
ist, dieser häufige Bedarf, eine SOx-Reinigung durchzuführen,
eine Anzeige dafür, daß die Falle nicht richtig gereinigt
wird und möglicherweise defekt ist. In diesem Fall kehrt das
System bei Block 132 zu einem stöchiometrischen Betrieb zu
rück. Die Anzeigelampe wird bei 134 eingeschaltet, und es
wird das zugehörige Flag (LAMFLG) bei 136 gesetzt. Dies hat
dann zur Folge, daß das Magerfahr-Flag LCFLG bei Block 76
(Fig. 5) zurückgesetzt wird (0). Bei dem nächsten Durchgang
wird bei Block 70 nach einer Entscheidung verlangt. So wird
eine Diagnoselampe immer dann eingeschaltet, wenn die NOx-
Falle einen deutlichen permanenten Wirksamkeitsverlust zeigt,
der durch die NOx- und die SOx-Reinigungsvorgänge, die die
Falle normalerweise wieder funktionstüchtig machen sollen,
nicht verringert wird.
Obwohl zwei HEGO-Sensoren 34 und 36 dargestellt sind, könnte
auch der Sensor 34 fehlen. In diesem besonderen Fall würde
das bei Block 100 gemessene Zeitintervall einfach der Zeit
verzögerung zwischen der Einleitung der NOx-Reinigung (Um
schalten des Luft/Kraftstoff(A/F)-Verhältnisses der Maschine
von mager zu fett oder stöchiometrisch) und der Mager-zu-
Fett-Schaltung des hinteren HEGO-Sensors 36 entsprechen. Auch
ein minimales Ausgangssignal oder eine minimale Spannung des
Sensors 36 würde bei Block 108 überprüft werden, um zu be
stimmen, ob eine ausreichende NOx-Reinigung erfolgt ist. Fer
ner kann der NOx-Reinigungsvorgang basierend auf anderen Kri
terien als einem vorgegebenen Zeitintervall im Magermodus be
ginnen. Diese Änderung würde eine Modifikation der in den
Blöcken 90, 96 und 114 durchgeführten Vorgänge zur Folge ha
ben, um den neuen Kriterien Rechnung zu tragen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Überwachung der Wirkung einer in einem Ab
gaskanal (22) einer Brennkraftmaschine (18) angeordneten
NOx-Falle, mit den Schritten:
Schalten des Betriebs der Maschine (18) von einem rela tiv mageren Betriebsmodus zu einem relativ fetten Be triebsmodus, um die NOx-Falle (32) zu reinigen,
Ermitteln einer Änderung im Sauerstoffgehalt des Abgases an einer vorgegebenen Stelle im Abgaskanal (22) stromab wärts der Falle (32),
Bestimmen der in der NOx-Falle (32) während der vorange gangenen Mager-Betriebsperiode gespeicherten NOx-Menge als Funktion des Zeitintervalls zwischen dem Schalt schritt und dem Ermittlungsschritt,
Beendigen der Reinigung, wenn der Abgasgehalt an der besagten Stelle ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, wel ches darin liegt, daß der Abgas-Sauerstoffgehalt an der besagten Stelle einen vorgegebenen Wert erreicht,
Schätzen der von der Maschine (18) seit der letzten Rei nigung erzeugten NOx-Menge,
Bestimmen des Sorptionswirkungsgrades der NOx-Falle (32) durch Teilen der in der Falle (32) gespeicherten NOx- Menge durch die geschätzte, von der Maschine (18) er zeugten NOx-Menge, Reduzieren der Zeitdauer des Mager- Betriebsmodus, falls der Sorptionswirkungsgrad geringer als ein vorgegebener minimaler Wirkungsgrad ist,
Durchführen eines Schwefelreinigungsvorganges, falls die Dauer des Mager-Betriebsmodus unter ein vorgegebenes mi nimales Zeitintervall reduziert wird, und
Einschalten eines Anzeigeelementes, falls das Zeitinter vall seit der letzten Schwefelreinigung kleiner als ein vorgegebenes Zeitintervall ist.
Schalten des Betriebs der Maschine (18) von einem rela tiv mageren Betriebsmodus zu einem relativ fetten Be triebsmodus, um die NOx-Falle (32) zu reinigen,
Ermitteln einer Änderung im Sauerstoffgehalt des Abgases an einer vorgegebenen Stelle im Abgaskanal (22) stromab wärts der Falle (32),
Bestimmen der in der NOx-Falle (32) während der vorange gangenen Mager-Betriebsperiode gespeicherten NOx-Menge als Funktion des Zeitintervalls zwischen dem Schalt schritt und dem Ermittlungsschritt,
Beendigen der Reinigung, wenn der Abgasgehalt an der besagten Stelle ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, wel ches darin liegt, daß der Abgas-Sauerstoffgehalt an der besagten Stelle einen vorgegebenen Wert erreicht,
Schätzen der von der Maschine (18) seit der letzten Rei nigung erzeugten NOx-Menge,
Bestimmen des Sorptionswirkungsgrades der NOx-Falle (32) durch Teilen der in der Falle (32) gespeicherten NOx- Menge durch die geschätzte, von der Maschine (18) er zeugten NOx-Menge, Reduzieren der Zeitdauer des Mager- Betriebsmodus, falls der Sorptionswirkungsgrad geringer als ein vorgegebener minimaler Wirkungsgrad ist,
Durchführen eines Schwefelreinigungsvorganges, falls die Dauer des Mager-Betriebsmodus unter ein vorgegebenes mi nimales Zeitintervall reduziert wird, und
Einschalten eines Anzeigeelementes, falls das Zeitinter vall seit der letzten Schwefelreinigung kleiner als ein vorgegebenes Zeitintervall ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ferner ein Schritt des Bereitstellens eines Leistungs-
Anzeigers (66) vorgesehen ist, falls die Zeitdauer des
Mager-Betriebsmodus unter ein vorgegebenes minimales
Zeitintervall reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß ferner der Schritt eines Zurückkehrens zu einem
stöchiometrischen Maschinenbetriebsmodus vorgesehen ist.
4. Vorrichtung zur Überwachung der Wirkung einer in einem
Abgaskanal (22) einer Brennkraftmaschine (18) angeordne
ten NOx-Falle (32), mit
einem ersten Abgas-Sauerstoffsensor (34), der stromauf wärts der Falle (32) angeordnet ist,
einem zweiten Abgas-Sauerstoffsensor (36), der stromab wärts der Falle (32) angeordnet ist,
wobei der erste und der zweite Sensor (34, 36) jeweils Ausgangssignale erzeugen, die den Sauerstoffgehalt des Abgases anzeigen,
Steuereinrichtungen für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die den Betrieb der Maschine (18) von einem relativ mage ren Betriebsmodus auf einen relativ fetten Betriebsmodus umschalten, um eine Reinigung der NOx-Falle (32) einzu leiten,
wobei:
die Steuereinrichtungen das Umschalten des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) von einem Zustand mit einem relativ hohen Abgas-Sauerstoffgehalt auf einen Zustand mit einem relativ geringen Abgas-Sauerstoffgehalt, das dem Umschalten zu dem relativ fettem Betriebsmodus folgt, ermitteln,
die Steuereinrichtungen in einer die Sorption der NOx- Falle (32) als Funktion der Temperatur der Falle (32) und des Zeitintervalls zwischen dem Umschalten des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) bestimmenden Weise aus gebildet sind,
die Steuereinrichtungen in einer die Reinigung beenden den Weise ausgebildet sind, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) kleiner als ein vorgegebener Wert ist,
die Steuereinrichtungen in einer die von der Maschine (18) erzeugte NOx-Menge als Funktion der Maschinendreh zahl und der Last schätzenden Weise ausgebildet sind, die Steuereinrichtungen den Sorptionswirkungsgrad der NOx-Falle (32) als Funktion des Zeitintervalls und der Schätzung des von der Maschine (18) erzeugten NOx bestim men,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß die Zeitdauer des Mager-Betriebsmodus reduziert wird, falls der Sorptionswirkungsgrad kleiner als ein vorgegebener minimaler Wirkungsgrad ist,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß sie einen Schwefelreinigungsvorgang durchführen, falls die Zeitdauer des Mager-Betriebsmodus unter einem vorge gebenen minimalen Zeitintervall liegt und das Zeitinter vall seit der letzten Schwefelreinigung größer als ein vorgegebenes Zeitintervall ist,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß ei ne Rückkehr zu einem relativ stöchiometrischen Maschinen betriebsmodus erfolgt und veranlaßt wird, daß ein Anzei geelement (66) eingeschaltet wird, wenn das Zeitintervall seit der letzten Schwefelreinigung nicht größer als das vorgegebene Zeitintervall ist.
einem ersten Abgas-Sauerstoffsensor (34), der stromauf wärts der Falle (32) angeordnet ist,
einem zweiten Abgas-Sauerstoffsensor (36), der stromab wärts der Falle (32) angeordnet ist,
wobei der erste und der zweite Sensor (34, 36) jeweils Ausgangssignale erzeugen, die den Sauerstoffgehalt des Abgases anzeigen,
Steuereinrichtungen für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die den Betrieb der Maschine (18) von einem relativ mage ren Betriebsmodus auf einen relativ fetten Betriebsmodus umschalten, um eine Reinigung der NOx-Falle (32) einzu leiten,
wobei:
die Steuereinrichtungen das Umschalten des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) von einem Zustand mit einem relativ hohen Abgas-Sauerstoffgehalt auf einen Zustand mit einem relativ geringen Abgas-Sauerstoffgehalt, das dem Umschalten zu dem relativ fettem Betriebsmodus folgt, ermitteln,
die Steuereinrichtungen in einer die Sorption der NOx- Falle (32) als Funktion der Temperatur der Falle (32) und des Zeitintervalls zwischen dem Umschalten des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) bestimmenden Weise aus gebildet sind,
die Steuereinrichtungen in einer die Reinigung beenden den Weise ausgebildet sind, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Sensors (34, 36) kleiner als ein vorgegebener Wert ist,
die Steuereinrichtungen in einer die von der Maschine (18) erzeugte NOx-Menge als Funktion der Maschinendreh zahl und der Last schätzenden Weise ausgebildet sind, die Steuereinrichtungen den Sorptionswirkungsgrad der NOx-Falle (32) als Funktion des Zeitintervalls und der Schätzung des von der Maschine (18) erzeugten NOx bestim men,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß die Zeitdauer des Mager-Betriebsmodus reduziert wird, falls der Sorptionswirkungsgrad kleiner als ein vorgegebener minimaler Wirkungsgrad ist,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß sie einen Schwefelreinigungsvorgang durchführen, falls die Zeitdauer des Mager-Betriebsmodus unter einem vorge gebenen minimalen Zeitintervall liegt und das Zeitinter vall seit der letzten Schwefelreinigung größer als ein vorgegebenes Zeitintervall ist,
die Steuereinrichtungen derart ausgebildet sind, daß ei ne Rückkehr zu einem relativ stöchiometrischen Maschinen betriebsmodus erfolgt und veranlaßt wird, daß ein Anzei geelement (66) eingeschaltet wird, wenn das Zeitintervall seit der letzten Schwefelreinigung nicht größer als das vorgegebene Zeitintervall ist.
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