DE19843879A1 - Betrieb eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einem NOx-Speicherkatalysator und einem NOx-Sensor - Google Patents

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

Stand der Technik

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.

Zeichnung

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.