EP1163431B1 - VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS BEI BRENNKRAFTMASCHINEN - Google Patents

VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS BEI BRENNKRAFTMASCHINEN Download PDF

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EP1163431B1 EP00991568A EP00991568A EP1163431B1 EP 1163431 B1 EP1163431 B1 EP 1163431B1 EP 00991568 A EP00991568 A EP 00991568A EP 00991568 A EP00991568 A EP 00991568A EP 1163431 B1 EP1163431 B1 EP 1163431B1
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/03—Adding substances to exhaust gases the substance being hydrocarbons, e.g. engine fuel

Definitions

  • the invention relates to the operation of a NOx storage catalytic converter in internal combustion engines with a lean fuel / air mixture are operated.
  • Examples such internal combustion engines are operated lean Gasoline engines or diesel engines.
  • the storage capacity of the NOx catalyst is Depends on the load and decreases continuously. Takes that first phase too long, undesirable results Nitrogen oxide emissions. Too long a second phase results in increased HC and CO emissions.
  • Modeling in one or both phases requires one very high computational effort and thus represents high Motor control requirements.
  • Catalyst due to aging processes in its storage and Conversion behavior changed.
  • the invention addresses the problem to control the change between the two phases.
  • An advantage of the invention lies in the essential more uniform conditions of the regeneration phase.
  • Another advantage is a significantly reduced Computational effort in the control of loading and Regeneration of the catalyst ..
  • Another advantage is a simple possibility to check the exhaust gas treatment system and in the procedural adjustment of the tax strategy to a for example, catalyst behavior caused by aging.
  • Figure 1 shows the technical environment in which the invention their effect unfolds.
  • 2 shows temporal courses different signals.
  • Fig3 shows a modified Structure for realizing the invention and
  • Fig. 4 shows a Embodiment in the form of a flow chart.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 a NOx storage catalytic converter 2, exhaust gas probes 3 and 4, one Control unit 5, a fuel metering means 6, and various sensors 7, 8, 9 for load L and speed n and possibly further operating parameters of the internal combustion engine such as temperatures, throttle valve position etc.
  • the control unit etc. Forms from the mentioned and possibly other input signals the control unit etc. Fuel metering signals with which the Fuel metering means 6 is controlled.
  • the Fuel metering means 6 can be used for a so-called Intake manifold injection as well Direct gasoline injection into the combustion chambers 1a of the individual Be designed cylinder.
  • the variation of Mixture composition can change the Injection pulse widths take place with which the Fuel metering is controlled.
  • the core of the In this environment, the method according to the invention relates to primarily the control unit 5 and the behind the Exhaust gas probe 4 arranged as a catalyst.
  • Fig. 2 represents the change in Fig. 2a Mixture composition lambda upstream of the catalytic converter (line 2a) in connection with the signal US of the rear exhaust gas probe 4 (Line 2b) and the NOx concentration (line 2c) behind that
  • the rear exhaust probe can, for example as an oxygen sensor, as a hydrocarbon sensor (HC sensor, as a carbon dioxide sensor (CO sensor) or as Nitrogen oxide sensor can be realized.
  • the signal is shown an oxygen sensor that detects a lack of oxygen high signal level and one with excess oxygen delivers low signal level.
  • the time t 62 For example, by exceeding the threshold of the signal of the rear probe can be determined.
  • the change in mixture composition shown leads to the fact that the internal combustion engine hydrocarbons and Carbon monoxide emitted as a reducing agent.
  • Emission of reducing exhaust components can do that Reducing agent also from a storage tank 11 via a Control unit 5 controlled valve 12 the exhaust gas before Catalyst are supplied. The engine can then be operated continuously with a lean mixture.
  • FIG. 3 A corresponding modification of the structure in FIG. 1 is shown in FIG Fig. 3 shown.
  • the Regeneration phase not modeled mathematically and therefore kept variable. Instead, each becomes Regeneration a predetermined, constant mass Fuel in the exhaust system in front of the catalytic converter brought in.
  • the storage phase is then in duration adapted to the regeneration phase. Will be mismatches by an exhaust gas probe arranged behind the catalytic converter determined and by influencing the length of the Injection phase reduced. This is the injection phase shortened if an exhaust gas probe towards the end of the Regeneration phase does not change sufficiently Concentration of an exhaust gas component signals. Kick one however, such a change too soon will Injection phase extended.
  • the catalyst behavior is as follows: exceeds the to be stored in the NOx storage in the storage phase Amount of aging capacity decreasing due to aging, this is caused by a reaction of the exhaust gas probe in the subsequent regeneration phase noticed and at Tax strategy considered.
  • FIG. 4 An embodiment of a method according to the invention is shown in Fig. 4.
  • Step 1 represents lean engine operation Mixture. That emitted by the engine in this operating phase NOx is absorbed by the storage catalytic converter.
  • the degree of filling of the storage catalytic converter is in the Step 2 calculated from engine operating parameters as it is known for example from DE 1 97 398 48.
  • control unit triggers a regeneration of the Storage catalytic converter. This is in steps 3 and 4 shown.
  • the predetermined one Reducing agent mass can in the exemplary embodiment of FIG. 3 from the tank 11 via the controllable valve 12 into the exhaust gas be metered in front of the storage catalytic converter.
  • step 7 extends the storage phase by increasing the threshold value SW-NOx.

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft den Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators bei Brennkraftmaschinen, die mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben werden. Beispiele solcher Brennkraftmaschinen sind mager betriebene Ottomotoren oder Dieselmotoren.
Bei der Verbrennung magerer Kraftstoff/Luft-Gemische kommen zur Abgasnachbehandlung NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz, welche die im mageren Motorbetrieb emittierten Stickoxide in einer ersten Betriebsphase speichern, deren Länge in der Größenordnung von Minuten liegt. In einer zweiten kürzeren Betriebsphase, deren Länge im Sekundenbereich liegt, erfolgt eine Entleerung des Speichers durch Zufuhr von Abgas mit Reduktionsmittel zu dem Speicherkatalysator.
Die Speicherfähigkeit des NOx-Katalysators ist beladungsabhängig und nimmt kontinuierlich ab. Dauert die erste Phase zu lange, kommt es zu unerwünschten Stickoxidemissionen. 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- und CO-Emissionen auftreten.
In diesem Zusammenhang ist es aus der DE 197 398 48 bekannt, den jeweiligen Grad der Füllung des NOx-Speichers mit NOx zu modellieren. Dabei wird der NOx-Eintrag in den Speicher aus Betriebsarten des Motors wie Ansaugluftmassenstrom und Gemischzusammensetzung bestimmt. Ist ein bestimmter Füllungsgrad erreicht, wird von der ersten Phase in die zweite Phase gewechselt. Der in der zweiten Phase abnehmende Füllungsgrad wird ebenfalls modelliert oder es erfolgt eine Beendigung der zweiten Phase dann, wenn eine Abgassonde hinter dem Speicherkatalysator eine vollständige Regenerierung signalisiert.
Die Modellierung in einer oder beiden Phasen erfordert einen sehr hohen rechnerischen Aufwand und stellt damit hohe Anforderungen an die Motorsteuerung. Darüber hinaus wird der Katalysator durch Alterungsprozesse in seinem Speicher- und Konvertierungsverhalten verändert.
Bei manchen Fahrzeuganwendungen, speziell bei Dieselfahrzeugen mit NOx-Katalysator wird die Regenerierung vorzugsweise durch das Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrang vor den Katalysator erreicht. In dieser Variante ist der Übergang von mager nach fett und die gesamte Regenerierphase besonders kritisch, da die variierenden Strömungsverhältnisse die passende Dosierung zur Erzeugung einer homogenen Reduktionsmittelverteilung im Abgas vor dem Speicherkatalysator erschweren. Unter den wechselnden Strömungsverhältnissen im Abgas erscheint diese Übergangsphase mit sinnvollem Aufwand nicht modellierbar zu sein.
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung das Problem, den Wechsel zwischen beiden Phasen zu steuern.
Dieses Problem wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs gelöst.
Vorteile
Ein Vorteil der Erfindung liegt in den wesentlich einheitlicheren Bedingungen der Regenerierphase.
Als weiterer Vorteil ergibt sich ein deutlich verringerter Rechenaufwand bei der Steuerung der Beladung und Regenerierung des Katalysators..
Als weiterer Vorteil ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur Überprüfung des Abgasbehandlungssystems sowie in der verfahrensbedingten Anpassung der Steuerstrategie an ein bspw. durch Alterung verursachtes Katalysatorverhalten.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Figur 1 zeigt das technische Umfeld, in dem die Erfindung ihre Wirkung entfaltet. Fig. 2 stellt zeitliche Verläufe verschiedener Signale dar. Fig3 zeigt eine abgewandelte Struktur zur Realisierung der Erfindung und Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Flußdiagramms.
Im einzelnen zeigt Figur 1 einen Verbrennungsmotor 1 mit einem NOx-Speicher-Katalysator 2, Abgassonden 3 und 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 Benzindirekteinspritzung in die Brennräume 1a 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 Steuergerät 5 und die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde 4.
Fig. 2 stellt in Fig. 2a den Wechsel in der Gemischzusammensetzung Lambda vor dem Katalysator (Linie 2a) in Verbindung mit dem Signal US der hinteren Abgassonde 4 (Linie 2b) und dem NOx-Konzentration (Linie 2c) hinter dem Katalysator dar. Die hintere Abgassonde kann beispielsweise als Sauerstoffmeßfühler, als Kohlenwasserstoffsensor (HC-Sensor, als Kohlendioxidsensor (CO-Sensor) oder als Stickoxidsensor realisiert sein. Dargestellt ist das Signal eines Sauerstoffsensors, der bei Sauerstoffmangel einen hohen Signalpegel und bei Sauerstoffüberschuß einen niedrigen Signalpegel liefert.
In einer ersten Phase Phl von t = 0 bis t = 60 wird der Motor mit Lambda größer als Eins, d.h. mit Luftüberschuß betrieben. Der niedrige Signalpegel der hinteren Sonde (Linie 2b) zeigt an, daß auch hinter dem Katalysator Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß herrscht. Zum Zeitpunkt t = 60 wird die Gemischzusammensetzung von Lambda größer Eins auf Lambda kleiner Eins, also Sauerstoffmangel umgesteuert. Kurz danach, etwa zum Zeitpunkt t = 62 reagiert der hintere Sensor 4 auf den Sauerstoffmangel mit einem Anstieg seines Signals vom niedrigen auf den hohen Pegel.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann der Zeitpunkt t = 62 bspw. durch eine Schwellwertüberschreitung des Signals der hinteren Sonde bestimmt werden.
Die dargestellte Änderung der Gemischzusammensetzung führt dazu, daß der Verbrennungsmotor Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel emittiert. Alternativ zur Emission von reduzierend wirkenden Abgaskomponenten kann das Reduktionsmittel auch aus einem Vorratstank 11 über ein vom Steuergerät 5 angesteuertes Ventil 12 dem Abgas vor dem Katalysator zugeführt werden. Der Motor kann dann durchgehend mit magerem Gemisch betrieben werden.
Eine entsprechende Abwandlung der Struktur der Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Regenerierphase nicht rechnerisch modelliert und damit variabel gehalten. Statt dessen wird jeweils zur Regenerierung eine vorbestimmte, konstante Masse an Kraftstoff in den Abgasstrang vor den Katalysator eingebracht. Die Einspeicherphase wird dann in ihrer Dauer an die Regenerierphase angepaßt. Fehlanpassungen werden durch eine hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde festgestellt und durch Beeinflussung der Länge der Einspeicherphase verringert. Dazu wird die Einspeicherphase verkürzt, wenn eine Abgassonde gegen Ende der Regenerierphase keine ausreichende Änderung der Konzentration einer Abgaskomponente signalisiert. Tritt eine solche Änderung dagegen zu früh auf, wird die Einspeicherphase verlängert.
Der Vorteil der wesentlich einheitlicheren Bedingungen der Regenerierphase ergibt sich dann dadurch, daß nur noch der Massenstrom des einzuspritzenden Kraftstoffes an den Abgasmassenstrom angepaßt werden muß, um ein fettes Abgas mit einem bestimmten gewünschten Lambdawert zu generieren.
Der Vorteil eines deutlich verringerten Rechenaufwandes ergibt sich durch den möglichen Verzicht auf eine Modellierung einer zur vollständigen Regenerierung des NOx-Speichers notwendigen Gesamtkraftstoffmasse.
Der weitere Vorteil einer einfachen Möglichkeit zur Überprüfung des Abgasbehandlungssystems ergibt sich wie folgt: Weichen die Einspeicherzeiten, die sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellen, zu sehr von plausiblen vorgegebenen Werten ab, so liegt eine Fehlfunktion vor.
Der weitere Vorteil der verfahrensbedingten Anpassung der Steuerstrategie an ein bspw. durch Alterung verursachtes Katalysatorverhalten ergibt sich wie folgt: Übersteigt die in der Einspeicherphase in den NOx-Speicher einzuspeichernde Menge dessen alterungsbedingt abnehmende Speicherfähgkeit, wird dies durch eine Reaktion der Abgassonde in der nachfolgenden Regenerierphase bemerkt und bei der Steuerstrategie berücksichtigt.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Fig. 4 dargestellt.
Schritt 1 repräsentiert einen Motorbetrieb mit magerem Gemisch. Das in dieser Betriebsphase vom Motor emittierte NOx wird vom Speicherkatalysator aufgenommen.
Der Grad der Füllung des Speicherkatalysators wird im Schritt 2 aus Betriebsparametern des Motors berechnet, wie es beispielsweise aus der DE 1 97 398 48 bekannt ist.
Erreicht der Grad der Füllung einen Schwellenwert SW-NOx, löst das Steuergerät eine Regeneration des Speicherkatalysators aus. Dies ist in den Schritten 3 und 4 dargestellt.
Erfindungswesentlich ist, das dies mit einer vorbestimmten Reduktionsmittelmasse geschieht. Die vorbestimmte Reduktionsmittelmasse kann im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 aus dem Tank 11 über das steuerbare Ventil 12 in das Abgas vor den Speicherkatalysator dosiert werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die vorbestimmte Reduktionsmittelmasse im Abgas durch einen fetten Motorbetrieb erzeugt. Beispielsweise können alle für den normalen Motorbetrieb mit magerem Gemisch bestimmten Kraftstoffzumeßsignale in vorbestimmter Weise solange vergrößert werden, bis die Summe der Vergrößerungen der Kraftstoffzumeßsignale der gewünschten, für die Regeneration vorbestimmten Kraftstoffmasse entspricht.
Wenn diese Kraftstoff oder Reduktionsmittelmasse zudosiert worden ist, erfolgt wieder Magerbetrieb. Gegen Ende der Regenerationsphase wird die Reaktion der hinteren Sonde 4 auf die Regeneration ausgewertet. Wenn die hintere Sonde ein Sauerstoffmeßfühler ist, kann ihr Signal US mit einem Schwellenwert verglichen werden (Schritt 5).
Wenn das Signal die Schwelle nicht erreicht, bedeutet dies, das am Ende der Regeneration noch kein Sauerstoffmangel hinter dem Katalysator entstanden ist. Die Reduktionsmittelmenge hat dann nicht zur vollständigen Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators ausgereicht. Als Folge wird - anders als beim Stand der Technik - nicht die Reduktionsmittelmenge erhöht, sondern die Einspeicherphase verkürzt. Das dargestellte Beispiel erreicht die Verkürzung durch eine Verringerung des Schwellenwertes SW-NOx im Schritt 6. Fällt die Reaktion der hinteren Sonde dagegen zu stark aus, was beispielsweise durch eine Überschreitung des Schwellenwertes im Schritt 5 festgestellt werden kann, erfolgt im Schritt 7 eine Verlängerung der Einspeicherphase durch eine Vergrößerung des Schwellenwertes SW-NOx.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators (2) im Abgas von Brennkraftmaschinen (1), der bei Sauerstoffüberschuss im Abgas in einer Einspeicherphase NOx aus dem Abgas aufnimmt und der in einer Regenerationsphase bei Sauerstoffmangel im Abgas durch Abgabe von Stickstoff regeneriert wird, bei dem abwechselnd zwischen Einspeicherphasen und Regenerationsphasen umgesteuert wird und bei dem eine hinter dem NOx-Speicherkatalysator (2) angeordnete Abgassonde (4) eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (2) signalisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffmangel im Abgas zur Regeneration des Speicherkatalysators (2) durch eine bestimmte, konstant zu haltende Masse an Kraftstoff im Abgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (2) erzeugt wird und dass die Abgassonde (4) die Länge der NOx-Einspeicherphase beeinflusst, derart, dass die Einspeicherphase verkürzt wird, wenn die Abgassonde (4) gegen Ende der Regenerierphase keine ausreichende Änderung der Konzentration einer Abgaskomponente signalisiert oder dass die Einspeicherphase verlängert wird, wenn die Abgassonde (4) die Änderung der Konzentration der Abgaskomponente zu früh signalisiert.
EP00991568A 1999-12-29 2000-12-29 VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS BEI BRENNKRAFTMASCHINEN Expired - Lifetime EP1163431B1 (de)

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