DE19843879A1 - Betrieb eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem NOx-Speicherkatalysator und einem NOx-Sensor - Google Patents
Betrieb eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem NOx-Speicherkatalysator und einem NOx-SensorInfo
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Abstract
Vorgestellt wird eine Steuerung des Kraftstoff/Luftverhältnisses beim Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator und einem in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator angeordneten NOx-Sensor, wobei der Verbrennungsmotor abwechselnd in ersten Phasen mit gegenüber der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung kraftstoffärmerem Gemisch und in zweiten Phasen mit stöchiometrischer oder fetter Gemischzusammensetzung betrieben wird und wobei die Auslösung des Wechsels zwischen beiden Phasen vom Signal des NOx-Sensors beeinflußt wird (Fig. 1).
Description
Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Verbrennungsmotors
in Verbindung mit einem NOx-Speicherkatalysator und einem
NOx-Sensor, der in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator
angeordnet ist. Im Bereich der Verbrennung mit magerem
Kraftstoff/Luftgemisch (Lambda größer 1) erfüllt der Drei-
Wege-Katalysator die Anforderungen an die Abgasqualität
nicht mehr. Hier kommen sowohl beim Benzinmotor als auch
beim Dieselmotor NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz,
welche die im mageren Motorbetrieb emittierten Stickoxide
speichern. Durch den Betrieb des Motors im fetten Bereich
(Lambda kleiner 1) werden gespeicherte Nitrate freigesetzt
und zu Stickstoff reduziert.
Idealerweise wird der Motor in einer ersten Phase mager
betrieben, bis der NOx-Speicherkatalysator voll ist, d. h.
bis er keine weiteren Stickoxide mehr speichern kann. Daran
schließt sich idealerweise eine zweite Phase mit fettem
Betrieb für diejenige Zeitspanne an, die zur Regeneration
des NOx-Speicherkatalysators benötigt wird. Die
Speicherfähigkeit des NOx-Katalysators im mageren
Betriebsbereich ist beladungsabhängig und nimmt
kontinuierlich ab. Dauert die erste Phase zu lange, kommt es
zu unerwünschten Stickoxid-Emissionen. Eine zu lang
andauernde zweite Phase hat erhöhte HC- und CO-Emissionen
zur Folge. Es besteht daher das Problem, den Wechsel
zwischen beiden Phasen so vorzunehmen, daß weder erhöhte
NOx- noch HC-Emissionen auftreten.
In diesem Zusammenhang ist es aus der EP 560 991 B1 bekannt,
die in einer ersten Phase eingespeicherte NOx-Menge durch
eine aufsummierte Motordrehzahl abzuschätzen und dann in die
zweite Phase zu wechseln, wenn die aufsummierte
Motordrehzahl einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Die gespeichert Menge wird damit modelliert. Ihr
tatsächlicher Wert wird nicht erfaßt. Die Modellierung kann
die tatsächlich eingespeicherte Menge nur unvollkommen
nachbilden. Daher ist die erste Phase entweder zu lang oder
zu kurz mit den o.a. nachteiligen Folgen für die
Abgasqualität.
Die DE-OS 196 35 977 schlägt einen NOx-Sensor zur
Überwachung eines NOx-Speicherkatalysators und zur Messung
seines aktuellen Beladungsgrades vor, der eine quasi lineare
Regelung für die Speicherung von NOx ermöglichen soll. Wenn
die Messung des aktuellen Speicherbeladungsgrades eine
Erschöpfung der Speicherkapazität anzeigt, wird ein
Fettimpuls, d. h. ein Betrieb des Motors mit fettem Gemisch
zur Regenerierung des Speicherkatalysators erzeugt.
Aus dem SAE Paper 960334 ist ein NOx-Sensor mit
näherungsweise linearer Signalcharakteristik bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in
der Angabe einer Steuerung der Regenerierung eines
Speicherkatalysators mit Hilfe eines NOx-Sensors, die dem
Ideal eines optimalen Ausnutzens der NOx-Speicherfähigkeit
durch jeweils vollständiges Befüllen und Entladen des
Speicherkatalysators unter gleichzeitiger Verminderung der
unerwünschten HC- und CO-Emissionen näherkommt. Dabei ist
insbesondere der Beginn, die Dauer und die Höhe des
Fettimpulses zu optimieren. Ein zu langer Fettimpuls erhöht
die HC- und CO-Emissionen. Ein zu kurzer Fettimpuls bewirkt
eine unvollständige Entleerung des Speichers, was von dem
Ziel einer möglichst langen Speicherphase mit
kraftstoffökonomischem mageren Motorbetrieb wegführt.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im einzelnen erfolgt eine Steuerung des
Kraftstoff/Luftverhältnisses beim Betrieb eines
Verbrennungsmotors mit einem Katalysator und einem in
Strömungsrichtung hinter dem Katalysator angeordneten für
Stickoxide empfindlichen Abgassensor so, daß abwechselnd ein
magerer und ein fetter Betrieb des Verbrennungsmotor
gesteuert wird. Dabei wird der Motor im zeitlichen Mittel
mit magerem Gemisch betrieben.
Der Wechsel zwischen beiden Phasen wird in einem ersten
Ausführungsbeispiel vom NOx-Sensorsignal gesteuert. Der NOx-
Sensor erfaßt die NOx-Konzentration im Abgas. Überschreitet
diese eine vorbestimmte Schwelle, wird die
Speicherregenerierung durch die Gemischanfettung ausgelöst.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Wechsel auf
der Basis des NOx-Massenflusses hinter dem NOx-
Speicherkatalysator. Der NOx-Massenfluss kann aus dem NOx-
Sensorsignal und der Abgasmasse, die sich aus der
Ansaugluftmenge ml und Kraftstoffmasse berechnen läßt,
bestimmt werden.
Bei beiden Ausführungsbeispielen kann ein gestörtes
Sensorsignal zu einer unerwünschten
Schwellwertüberschreitung führen. Als unerwünscht gilt eine
Schwellwertüberschreitung dann, wenn das Sensorsignal eine
höhere NOx-Konzentration angibt, als tatsächlich vorhanden
ist. Zur Vermeidung unerwünschter Wechsel erfolgt das
Auslösen der Gemischanfettung dann, wenn das Zeitintegral
der NOx-Konzentration oder des NOx-Massenflusses einen
vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Die Integralbildung
liefert den Vorteil einer Unabhängigkeit vom Betriebspunkt
des Verbrennungsmotors, da bei der Integralbildung die vom
Motor angesaugte Luftmasse ml, die den Abgasmassenfluss
mitbestimmt, eingeht. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer
Auslösung der Regenerierung durch die Momentanwerte von NOx-
Konzentration oder NOx-Massenfluß liegt in einer größeren
Unempfindlichkeit gegenüber Sensorstöreinflüssen.
Im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels erfolgt eine
Gemischanfettung dann, wenn der Konvertierungsgrad des NOx-
Speicherkatalysators eine vorbestimmte Schwelle
unterschreitet. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß es
durch die Bildung der Konvertierung besonders bauteilbezogen
ist.
Die Dauer der Regenerierung wird vorteilhafterweise als
Funktion der zugeführten Reduktionsmittelmenge und der
Temperatur so berechnet, daß sie zur vollständigen Reduktion
der gespeicherten Stickoxide zu Stickstoff ausreicht. Die
errechnete Regenerierdauer wird vorteilhafterweise auf der
Basis des NOx-Sensorsignals in der nachfolgenden
Speicherphase meßtechnisch überprüft. Der NOx-Sensor dient
in diesem Ausführungsbeispiel zur Korrektur der
Berechnungsparameter und damit zur Adaption des
Rechenmodells an die tatsächlichen, bspw. durch Alterung
veränderlichen Verhältnisse.
Im folgenden wird ein Ausführungsbsp. mit Bezug auf die
Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt das technische Umfeld, in dem die Erfindung
ihre Wirkung entfaltet.
Fig. 2 zeigt das Signals eines NOx-Sensors im Zusammenhang
mit dem Lambda vor dem Katalysator für verschiedene
Alterungszustände des Speicherkatalysators.
Die Fig. 3 bis 7 offenbaren Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Verfahrens in Form von Flußdiagrammen.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Verbrennungsmotor 1 mit
einem Katalysator 2, einer Abgassonde 3, einem NOx-Sensor 4,
einem Steuergerät 5, einem Kraftstoffzumeßmittel 6, sowie
verschiedenen Sensoren 7, 8, 9 für Last L und Drehzahl n
sowie ggf. weitere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors
wie Temperaturen, Drosselklappenstellung etc.
Aus den genannten und ggf. weiteren Eingangssignalen bildet
das Steuergerät u. a. Kraftstoffzumeßsignale, mit denen das
Kraftstoffzumeßmittel 6 angesteuert wird. Das
Kraftstoffzumeßmittel 6 kann sowohl für eine sogenannte
Saugrohreinspritzung als auch für eine Benzin- oder Diesel-
Direkteinspritzung in die Brennräume der einzelnen Zylinder
ausgestaltet sein. Die Variation der Gemischzusammensetzung
kann über eine Veränderung der Einspritzimpulsbreiten
erfolgen, mit denen das Kraftstoffzumeßmittel angesteuert
wird. Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft in
diesem Umfeld in erster Linie das Zusammenwirken des
Steuergeräts 5 mit dem hinter dem Katalysator angeordneten
NOx-Sensor 4. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird daraus
durch die Merkmale der Vorrichtungsansprüche realisiert.
Fig. 2 veranschaulicht den Phasenwechsel mit einer
Darstellung des Signalverhaltens des hinter dem Katalysator
angeordneten NOx-Sensors 4 (Fig. 2a) und dem zugehörigen
Kraftstoff/Luftverhältnis Lambda, wie es die vor dem
Katalysator angeordnete Abgassonde 3 (Fig. 2b) erfaßt.
Zum Zeitpunkt t = 0 sei der NOx-Speicherkatalysator leer. In
der folgenden ersten Phase Ph1 wird der Verbrennungsmotor
mit magerem Gemisch (Lambda größer 1) betrieben. Dies
entspricht dem Schritt 3.1 in Fig. 3. Die dabei emittierten
Stickoxide werden im Speicherkatalysator gespeichert. Die
erste Phase (Magerphase) wird idealerweise bei vollem
Speicherkatalysator 2a beendet.
Dabei gilt der Speicherkatalysator als voll, wenn das Signal
des NOx-Sensors einen oberen Schwellwert UL erreicht. Siehe
Schritt 3.2 in Fig. 3.
An die erste Phase schließt sich eine zweite Phase Ph2 an,
in der der Speicherkatalysator regeneriert wird, was durch
den Schritt 3.3 in Fig. 3 repräsentiert wird. In diesem
Ausführungsbsp. erfolgt die Regenerierung in der Phase Ph2
bei einem Motorbetrieb mit einem Lambdawert kleiner als 1.
Dabei emittiert der mit kraftstoffreicherem Gemisch
arbeitende Verbrennungsmotor unverbranntes HC und CO als
Reduktionsmittel. Unter Einwirkung des Katalysators reagiert
das Reduktionsmittel mit den gespeicherten Stickoxiden zu
Wasser, CO2 und N2, die mit dem Abgas weiter transportiert
werden. Der Speicher wird dadurch erneut für Stickoxide
aufnahmefähig, d. h. regeneriert. Während der Regeneration
nimmt der NOx-Gehalt des Abgases hinter dem
Speicherkatalysator stetig ab. Sobald das Signal des NOx-
Sensors einen unteren Schwellwert LL erreicht, erfolgt ein
Übergang in den Magerbetrieb und eine erneute Einspeicherung
von NOx in den Speicherkatalysator. Siehe Schritt 3.4 in
Fig. 3. Zwischen den Phasen Ph1 und Ph2 wird vom Steuergerät
5 im fortlaufenden Wechsel umgesteuert.
Der stetige Anstieg und Abfall der NOx-Konzentration hinter
dem Speicherkatalysator ist für bekannte NOx-
Speicherkatalysatoren charakteristisch. Die Rate der NOx-
Speicherung sinkt mit zunehmendem Füllungsgrad
kontinuierlich ab, so daß die hinter dem Speicherkatalysator
meßbaren NOx-Konzentrationen im Abgas mit zunehmendem
Füllungsgrad anwachsen. Aus diesem Grund muß der Speicher
relativ weit vor seinem maximal möglichen Füllungsniveau
regeneriert werden.
Die Rate der NOx-Speicherung und Speicherentleerung durch
Regeneration wird mit zunehmendem Betriebsalter des
Speicherkatalysators größer. Dadurch verkürzen sich die
Speicher- und die Regenerationszeiten. Dies ist in Fig. 2
durch eine Verkürzung der Periodendauern symbolisch
dargestellt. In der Realität vollzieht sich die Verkürzung
wesentlicher langsamer. Die Lage der oberen und der unteren
Schwelle bleibt dagegen konstant. Durch die Steuerung der
Speicher- und Regenerationsphasen in Abhängigkeit vom
Erreichen der genannten Schwellwerte kann die
alterungsbedingte Veränderung der Speichercharakteristik
ausgeglichen werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Wechsel auf
der Basis des NOx-Massenflusses dmNO2/dt hinter dem NOx-
Speicherkatalysator. Der NOx-Massenfluss kann aus dem NOx-
Sensorsignal und der Abgasmasse, die sich aus der
Ansaugluftmenge ml berechnen läßt, bestimmt werden. Zur
Steigerung der Genauigkeit kann dabei ggf. die zugehörige
Kraftstoffmasse berücksichtigt werden. Die Ansaugluftmenge
bildet ein Maß für den Abgasmassenstrom. Das Signal des NOx-
Sensors liefert ein Maß für den NOx-Anteil am
Abgasmassenstrom hinter dem Speicherkatalysator. Das Produkt
beider Größen stellt den NOx-Massenstrom an diesem Ort dar.
Überschreitet der NOx-Massenstrom eine vorgegebene Schwelle,
wird die Gemischanfettung zur Regenerierung ausgelöst. Dies
ist in Fig. 4 dargestellt.
Alternativ erfolgt eine Auslösung der Regenerierung dann,
wenn das Integral des NOx-Massenflusses seit dem Ende der
letzten Regenerationsphase einen vorbestimmten Schwellwert
überschreitet. Dem liegt die Vorstellung zugrunde, daß der
noch aufnahmefähige Speicher nur einen gewissen Bruchteil
des einströmenden NOx speichert und der komplementäre
Bruchteil den Speicherkatalysator ohne Zwischenspeicherung
durchströmt. Bei Annahme konstanter Anteile bildet das
Integral des durchgeströmten NOx-Anteils ein Maß für den im
Katalysator gespeicherten Anteil. Dieses Ausführungsbeispiel
ist in Fig. 5 dargestellt.
Als weitere Alternative kommt eine Auslösung auf der Basis
der integrierten NOx-Konzentration (Integral ppm) in Frage.
Weiterhin kann aus der Kenntnis des NOx-Massenflusses vor
(dmNO1/dt) und hinter (dmNO2/dt) dem Speicher-Katalysator
auf die Wirkungsgrad der Speicherung, d. h. auf den
Konvertierungsgrad q des Speicherkatalysators geschlossen
werden. Der Konvertierungsgrad q läßt sich als auf den NOx-
Massenstrom vor dem Katalysator normierte Differenz der NOx-
Massenströme vor und hinter dem Katalysator definieren:
(q = (dmNO1/dt - dmNO2/dt)/dmNO1/dt).
Unterschreitet der Konvertierungsgrad q eine vorbestimmte
Schwelle, wird eine Speicherregeneration eingeleitet. Siehe
dazu Fig. 6.
Die Dauer der Regenerierung wird vorteilhafterweise als
Funktion der zugeführten Reduktionsmittelmenge und der
Temperatur so berechnet, daß sie zur vollständigen Reduktion
der gespeicherten Stickoxide zu Stickstoff ausreicht. Bei
bekannter NOx-Füllung des Speicherkatalysators kann die
Dauer der Regeneration berechnet werden.
Dazu wird die Katalysatortemperatur aus der Abgastemperatur
und dem Ansaugluftmassenstrom berechnet. Weiterhin erfolgt
eine Bestimmung der Reduktionsmittel-Emissionen RE aus dem
Verbrennungsmotor bspw. aus einem Last/Drehzahl-Kennfeld
oder dem Ansaugluftstrom und dem vor dem Speicherkatalysator
erfaßten Lambdawert des Abgases. Auf diese Weise wird die
Regenerationsphase mit Modellunterstützung durchgeführt, so
daß die Menge IRE gleich Integral über RE des zugeführten
Reduktionsmittels in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge
und dem Lambdawert kleiner gleich Eins berechnet werden
kann. Die Reduktionsmittelmenge wird aufsummiert, bis die
aufsummierte Menge dem zur Regenerierung des Speichers
erwarteten Bedarf EB entspricht. Dann wird wieder auf die
Magerphase umgeschaltet. Siehe Fig. 7.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht der hinter dem
Speicherkatalysator angeordneter NOx-Sensor die
Unterstützung und die Kontrolle der auf dem Modell
basierenden Steuerung.
Mit anderen Worten: Die errechnete Regenerierdauer wird auf
der Basis des NOx-Sensorsignals in der nachfolgenden
Speicherphase meßtechnisch überprüft. Dazu wird nach einer
durchgeführten Regeneration im nachfolgenden Magerbetrieb
das NOx-Sensorsignal ausgewertet. Wenn dieses bereits zu
Beginn der eine Schwelle übersteigt, war die Regeneration zu
kurz. Entsprechend kann die nächste Regenerationsphase
verlängert werden. Der NOx-Sensor dient in diesem
Ausführungsbeispiel zur Korrektur der Berechnungsparameter
und damit zur Adaption des Rechenmodells an die
tatsächlichen, bspw. durch Alterung veränderlichen
Verhältnisse.
Die Erfindung ist nicht auf eine Fettsteuerung des Motors
zur Bereitstellung von HC und CO im Abgas als
Reduktionsmittel beschränkt. Das Reduktionsmittel kann auch
aus anderen Quellen, bspw. als Harnstoff aus einem
Vorratstank gesteuert dosiert werden.
Claims (10)
1. Verfahren der Beeinflussung der Zusammensetzung des
Abgases, das einem NOx-Speicher von einem Verbrennungsprozeß
zugeführt wird mit einem in Strömungsrichtung hinter dem
NOx-Speicher angeordneten NOx-Sensor, wobei das Abgas in
ersten Phasen so beeinflußt wird, daß es mehr NOx enthält
als in zweiten Phasen und wobei das Abgas in den zweiten
Phasen so beeinflußt wird, daß es Reduktionsmittel enthält
und wobei ein Wechsel von der ersten zur zweiten Phase
erfolgt,
- - wenn das Signal des NOx-Sensors oder ein unter Berücksichtigung des NOx-Sensorsignals gebildetes Signal einen ersten Schwellwert UL erreicht, der einen mit NOx-ge füllten NOx-Speicher anzeigt.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Verbrennungsprozeß in einem Verbrennungsmotor abläuft
und die Zusammensetzung des Abgases mittels einer Steuerung
des Kraftstoff/Luftverhältnisses beim Betrieb des
Verbrennungsmotors beeinflußt wird,
- - bei welchem Verfahren der Verbrennungsmotor abwechselnd in ersten Phasen mit gegenüber der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung kraftstoffärmerem Gemisch und in zweiten Phasen mit kraftstoffreicherem Gemisch mit mindestens stöchiometrischer Gemischzusammensetzung betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das unter Berücksichtigung des NOx-Sensorsignals
gebildete Signal das Integral des NOx-Sensorsignals oder das
Integral des NOx-Massenflusses hinter dem Katalysator
darstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das unter Berücksichtigung des NOx-Sensorsignals
gebildete Signal den Konvertierungsgrad q des
Speicherkatalysators darstellt und daß ein Wechsel in die
zweite Phase erfolgt, wenn der Konvertierungsgrad q eine
Schwelle unterschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase beendet wird,
wenn die Menge des in der zweiten Phase zugeführten
Reduktionsmittels ausreicht, um die im Speicherkatalysator
eingespeicherte NOx-Masse zu reduzieren.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Wechsel von der zweiten Phase zur ersten Phase dann
erfolgt, wenn das Signal des NOx-Sensors einen zweiten
Schwellwert LL erreicht, der einen von NOx entleerten NOx-
Speicher anzeigt.
7. Elektronische Steuereinrichtung zur Beeinflussung der
Zusammensetzung des Abgases, das einem NOx-Speicher von
einem Verbrennungsprozeß zugeführt wird, welche
Steuereinrichtung mit einem NOx-Sensor 4, einem
Kraftstoffzumeßmittel 6, sowie verschiedenen Sensoren 7, 8,
9 für Last L und Drehzahl n sowie ggf. weiteren
Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie Temperaturen,
Drosselklappenstellung etc. in Wirkverbindung steht, wobei
die Steuereinrichtung aus den genannten und ggf. weiteren
Eingangssignalen u. a. Kraftstoffzumeßsignale bildet, mit
denen das Kraftstoffzumeßmittel 6 so angesteuert wird, daß
der Verbrennungsprozeß abwechselnd in ersten Phasen mit
gegenüber der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung
kraftstoffärmerem Gemisch und in zweiten Phasen mit
stöchiometrischer oder kraftstoffreicher
Gemischzusammensetzung abläuft und wobei
- - ein Wechsel von der ersten zur zweiten Phase erfolgt, wenn das Signal des NOx-Sensors oder ein unter Berücksichtigung des NOx-Sensorsignals gebildetes Signal einen ersten Schwellwert UL erreicht, der einen mit NOx-gefüllten NOx-Speicher anzeigt.
8. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - ein Wechsel von der zweiten zur zweiten Phase dann erfolgt, wenn das Signal des NOx-Sensors einen ersten Schwellwert UL erreicht, der einen mit NOx-gefüllten NOx- Speicher anzeigt.
9. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das unter Berücksichtigung des NOx-
Sensorsignals gebildete Signal das Integral des NOx-
Sensorsignals oder das Integral des NOx-Massenflusses hinter
dem Katalysator oder den Konvertierungsgrad q des
Speicherkatalysators darstellt.
10. Elektronische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche
7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase
beendet wird, wenn die Menge des in der zweiten Phase
zugeführten Reduktionsmittels ausreicht, um die im
Speicherkatalysator eingespeicherte NOx-Masse zu reduzieren.
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