Verfahren zur Regelung einer NOx-Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer NO_X-Regeneration eines im Abgasstrang einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_X- Speicherkatalysators.
Es ist vorgesehen, dass ein Schädigungszustand des NO_X-Speicherkatalysators (14) erfasst und in Abhängigkeit von dem Schädigungszustand ein Reduktionsmittel-Massenstrom während der NO_X-Regeneration und/oder eine Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle (S_i) an einer stromab des NO_X-Speicherkatalysators (14) angeordneten, ermittelnden Lambda-Gassonde (20) vorgegeben werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer NO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

[0002] Zur Reinigung eines Abgases von Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, im Abgasstrang derselben Katalysatorsysteme anzuordnen, die die Schadstoffkomponenten des Abgases in weniger umweltrelevante Produkte zersetzen. Handelt es sich bei den Schadstoffkomponenten um Reduktionsmittel wie Kohlenmonoxid CO oder unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, so können diese, sofern ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, in sogenannten Oxidationskatalysatoren zu Kohlendioxid und Wasser aufoxidiert werden. Weiterhin ist es bekannt, während des Verbrennungsprozesses gebildete Stickoxide NO_x mit Hilfe der Reduktionsmittel wieder zu Stickstoff umzusetzen. Dazu sind Reduktionskatalysatoren entwickelt worden, die, sofern die Reduktionsmittel in einem ausreichenden Maße zur Verfügung gestellt werden, eine nahezu vollständige Umsetzung des NO_x erlauben.

[0003] Ein Reduktionsmittel-Massenstrom als auch ein Umfang der NO_x-Bildung während des Verbrennungsprozesses hängen stark von den während der Verbrennung herrschenden Gemischverhältnissen ab. In Phasen fetten oder stöchiometrischen Betriebs ist eine weitestgehend vollständige Umsetzung am NO_x gewährleistet. Wird allerdings in einen Magerbetrieb geschaltet, so wird wegen eines Sauerstoffüberschusses die NO_x-Reduktion verringert. Da sich der Magerbetrieb als besonders verbrauchsgünstig erwiesen hat, aber eine hohe NO_x-Emission aus umweltrelevanten Gründen vermieden werden soll, sind zur Abhilfe NO_x-Speicherkomponenten entwickelt worden. Derartige Speicherkomponenten sorbieren in Phasen mageren Betriebs NO_x und lagern dieses als Nitrat ein. Beim Wechsel in den fetten oder stöchiometrischen Betrieb erfolgt wieder eine Desorption des NO_x. Die Katalysatorkomponente zur Reduktion des NO_x und die Speicherkomponente können zu einem sogenannten NO_x-Speicherkatalysator zusammengefasst werden.

[0004] Eine Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators ist naturgemäß begrenzt. Daher muss ein derartiger NO_x-Speicherkatalysator in regelmäßigen Abständen regeneriert werden. Die NO_x-Regeneration erfolgt durch Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb, wobei das eingelagerte Nitrat wieder als NO_x desorbiert und an der Katalysatorkomponente mit Hilfe der Reduktionsmittel zu Stickstoff reduziert wird.

[0005] Die NO_x-Regeneration bei NO_x-Speicherkatalysatorsystemen wird beispielsweise nach Erreichen eines vorgegebenen NO_x-Beladungszustandes oder nach Überschreiten einer vorgegebenen NO_x-Konzentration stromab des NO_x-Speicherkatalysators eingeleitet. Besteht Regenerationsnotwendigkeit so wird durch einen motorischen Eingriff, beispielsweise im Bereich der Drosselklappen oder des Einspritzsystems, ein Reduktionsmittel-Massenstrom erhöht. Zumeist erfolgt die Erhöhung dadurch, dass ein Lambdawert vor dem NO_x-Speicherkatalysator auf einen vorgegebenen fetten Sollwert abgesenkt wird. Die NO_x-Regeneration wird im Allgemeinen dann abgebrochen, wenn der Lambdawert, oder eine damit korrelierende lambdaproportionale Spannung an einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten Gassonde, einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt (Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle). Sowohl die Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle als auch der fette Sollwert für Lambda während der NO_x-Regeneration werden im Stand der Technik unabhängig vom Katalysatorzustand festgelegt. Damit ist das Risiko verbunden, dass bei gealterten, das heißt beschädigten, NO_x-Speicherkatalysatoren die NO_x-Regeneration nicht bedarfsgerecht durchgeführt wird. So ist bei sehr großen Reduktionsmittel-Massenströmen und niedrigen Regenerationsabbruch-Spannungsschwellen nur mit einer Teilregeneration des NO_x-Speicherkatalysators zu rechnen. Der hohe Reduktionsmittel-Massenstrom wird nur teilweise zur NO_x-Regeneration genutzt und somit tritt bereits kurz nach Beginn der NO_x-Regeneration ein leicht fettes Abgas durch den NO_x-Speicherkatalysator und führt zum Abbruch der NO_x-Regeneration.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine bedarfsgerechte Durchführung der NO_x-Regeneration unter Berücksichtigung des Katalysatorzustandes erfolgen kann.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Regelung einer NO_x-Regeneration eines im Abgasstrang einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass ein Schädigungszustand des NO_x-Speicherkatalysators erfasst und in Abhängigkeit von dem Schädigungszustand ein Reduktionsmittel-Massenstrom während der NO_x-Regeneration und/oder eine Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten, ermittelnden Lambda-Gassonde vorgegeben werden, kann eine Anpassung der die NO_x-Regeneration bestimmenden Parameter an den tatsächlichen Katalysatorzustand erfolgen und eine nahezu vollständige NO_x-Regeneration sichergestellt werden.

[0008] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Schädigungszustand des NO_x-Speicherkatalysators anhand einer aktuellen NO_x-Speicherkapazität im Vergleich zu einer NO_x-Speicherfähigkeit eines ungeschädigten NO_x-Speicherkatalysators beurteilt. Die NO_x-Speicherkapazität kann mit bekannten Modellen anhand der von der Sensorik bereitgestellten Signale des Abgasreinigungssystems ermittelt werden. Hierbei können Größen, wie ein aktueller NO_x-Beladungszustand und eine verbleibende NO_x-Speicherfähigkeit, berücksichtigt werden.

[0009] Mit zunehmendem Schädigungsgrad des NO_x-Speicherkatalysators kann dann zum einen der Reduktionsmittel-Massenstrom durch Regelung des Lambdawertes vor dem NO_x-Speicherkatalysator verändert werden, insbesondere der Lambdawert während der NO_x-Regeneration in Richtung λ = 1 verschoben werden. Zum anderen kann die Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle erhöht werden. Erstere Maßnahme mindert die Wahrscheinlichkeit für Reduktionsmittel-Massendurchbrüche, da selbst bei hohen Raumgeschwindigkeiten des Abgases noch eine nahezu vollständige Umsetzung in dem NO_x-Speicherkatalysator sichergestellt ist. Durch die Anhebung der Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle kann daneben oder in Kombination eine höhere NO_x-Durchbruchsemission toleriert werden.

[0010] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

[0011] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Anordnung eines NO_x-Speicherkatalysators im Abgasstrang einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine und

Figur 2

Spannungsverläufe einer Lambdasonde während einer NO_x-Regeneration eines frischen und eines geschädigten NO_x-Speicherkatalysators sowie Sollvorgaben für Lambda stromauf des NO_x-Speicherkatalysators und Regenerationsabbruch-Spannungsschwellen.

[0012] Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Anordnung eine magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Abgasreinigungsanlage 12. Die Abgasreinigungsanlage 12 umfasst zumindest einen NO_x-Speicherkatalysator 14 sowie eine geeignete Sensorik zur Erfassung von Betriebsparametern im Abgasstrang 16. Diese Sensorik beinhaltet stromab und stromauf des NO_x-Speicherkatalysators 14 angeordnete Gassonden, hier die Lambdasonden 18, 20 sowie eine NO_x-sensitive Messeinrichtung 22.

[0013] Die von der Sensorik bereitgestellten Signale werden in ein Motorsteuergerät 24 eingelesen und dort anhand hinterlegter Algorithmen bewertet. Über das Motorsteuergerät 24 kann dann ein Regeleingriff zur Änderung der während eines Verbrennungsvorganges der Verbrennungskraftmaschine 10 herrschenden Verhältnisse erfolgen. Beispielhaft ist hier als Stellglied eine Drosselklappe 26 in einem Ansaugkanal 28 dargestellt. Über eine Änderung eines Drosselklappenwinkels kann dann ein Ansaugvolumen der Verbrennungskraftmaschine 10 beeinflusst werden. Denkbar sind auch Eingriffe in den Verbrennungsprozess - insbesondere über ein hier nicht dargestelltes Einspritzsystem - durch Variation von Einspritzparametern, wie eine Einspritzdauer, Einspritzwinkel, Einspritzvolumen und dergleichen. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung derartiger Regeleingriffe sind hinlänglich bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Festzuhalten bleibt lediglich, dass auf diese Weise auch ein Reduktionsmittel-Massenstrom gezielt erhöht oder erniedrigt werden kann.

[0014] Das Motorsteuergerät 24 ist ferner an eine Steuereinheit 30 integriert, mit der eine Adaption einer Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle und/oder des Reduktionsmittel-Massenstroms in Abhängigkeit von einem Katalysatorzustand erfolgen kann. Dazu ist in der Steuereinheit 30 ein entsprechender Algorithmus hinterlegt. Die Steuereinheit 30 kann selbstverständlich auch als selbstständige Einheit verwirklicht werden.

[0015] Auch der Katalysatorzustand kann mit Hilfe eines Modells quantifiziert werden und beispielsweise als prozentualer Schädigungsgrad dem weiteren Verfahren zur Verfügung gestellt werden. Dazu dient als Beurteilungskriterien insbesondere eine aktuelle NO_x-Speicherkapazität, also die NO_x-Masse, die maximal von dem NO_x-Speicherkatalysator 14 sorbiert werden kann. Die NO_x-Speicherkapazität kann wiederum mit Hilfe bekannter Modelle, bei denen ein NO_x-Massenstrom stromauf des NO_x-Speicherkatalysators 14 erfasst sowie eine NO_x-Durchbruchsemission stromab des NO_x-Speicherkatalysators überprüft wird, ermittelt werden. Letztendlich lässt sich dann der aktuelle Katalysatorzustand beispielsweise als 85 % eines frischen NO_x-Speicherkatalysators charakterisieren.

[0016] Die Figur 2 zeigt für einen frischen und einen geschädigten NO_x-Speicherkatalysator 14 zum einen einen Spannungsverlauf an der stromab liegenden Lambdasonde 20 und zum anderen Sollvorgaben SV_i für Lambda stromauf des NO_x-Speicherkatalysators 14 und Regenerationsabbruch-Spannungsschwellen S_i. Der Spannungsverlauf an der Lambdasonde 20 während der NO_x-Regeneration eines frischen NO_x-Speicherkatalysators ist durch die Kurve 40 (fette durchgezogene Linie) und für den bereits geschädigten NO_x-Speicherkatalysator durch die Kurve 42 (gestrichelte Linie) gegeben. Zunächst liegt für gealterte NO_x-Speicherkatalysatoren zu einem Zeitpunkt T_R eine Regenerationsnotwendigkeit vor. Diese kann beispielsweise mit Hilfe der NO_x-sensitiven Messeinrichtung 22 in bekannter Weise anhand einer detektierten NO_x-Durchbruchsemission ermittelt werden. Anschließend wechselt die Verbrennungskraftmaschine 10 in einen fetten Arbeitsmodus, so dass der NO_x-Speicherkatalysator 14 mit einem erhöhten Reduktionsmittel-Massenstrom beaufschlagt wird. Die Sollvorgaben SV_i, die während dieser fetten Regenerationsphase der Verbrennungskraftmaschine 10 durch geeignete Beeinflussung der Stellglieder für den Lambdawert vor dem NO_x-Speicherkatalysator 14 vorgegeben werden, sind abhängig vom Katalysatorzustand. Ebenso verhält es sich mit den Regenerationsabbruch-Spannungsschwellen S_i, bei deren Erreichen an der Lambdasonde 20 wieder ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 aufgenommen wird.

[0017] Eine Kurve 44 zeigt den Sollverlauf von Lambda bei NO_x-Regeneration eines frischen NO_x-Speicherkatalysators 14 (doppelte, durchgezogene Linie). Um die NO_x-Regeneration möglichst zügig durchzuführen, wird eine relativ niedrige Sollvorgabe SV₁, beispielsweise bei λ = 0,85, gewählt. Gegen Ende der NO_x-Regeneration zeigt die Kurve 40 für das Spannungssignal an der Lambdasonde 20 einen rasanten Anstieg, der aus dem schlagartigen Anstieg der Reduktionsmittel-Durchbruchsemission resultiert. Erreicht die Spannung eine Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle S₁, beispielsweise bei 650 mV (Zeitpunkt T_E,1), so wird die Verbrennungskraftmaschine 10 wieder in den Magerbetrieb geschaltet.

[0018] Ist der NO_x-Speicherkatalysator 14 bereits geschädigt, so wird der Reduktionsmittel-Massenstrom gemindert. Dies erfolgt durch entsprechende Festlegung einer Sollvorgabe SV₂ für die fette Regenerationsphase - hier beispielsweise auf einen Lambdawert von zirka 0,92. Damit einhergehend sinkt auch der Reduktionsmittel-Massenstrom, so dass verhindert werden kann, dass bereits kurz nach Beginn der NO_x-Regeneration ein leicht fettes Abgas durch den NO_x-Speicherkatalysator 14 durchtritt und gegebenenfalls die NO_x-Regeneration unvollständig abgebrochen wird. Weiterhin wird im vorliegenden Fall auch die Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle S₂ für diesen Katalysatorzustand angehoben. Hierdurch verlängert sich zusätzlich die fette Regenerationsphase, so dass eine nahezu vollständige NO_x-Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 14 sichergestellt ist und erst zu einem Zeitpunkt T_E,2 ein Wechsel in den Magerbetrieb erfolgt (Kurve 46; doppelte, gestrichelte Linie).

BEZUGSZEICHENLISTE

[0019] 

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgasreinigungsanlage

14

NO_x-Speicherkatalysator

18

Abgasstrang

18, 20

Lambdasonden

22

NO_x-sensitive Messeinrichtung

24

Motorsteuergerät

26

Drosselklappe

28

Ansaugkanal

30

Steuereinheit

40

Kurve für den Spannungsverlauf während der NO_x-Regeneration eines frischen NO_x-Speicherkatalysators

42

Kurve für den Spannungsverlauf während der NO_x-Regeneration eines beschädigten NO_x-Speicherkatalysators

44

Kurve für die Sollvorgaben von Lambda während der NO_x-Regeneration eines frischen NO_x-Speicherkatalysators

46

Kurve für die Sollvorgaben von Lambda während der NO_x-Regeneration eines beschädigten NO_x-Speicherkatalysators

SV_i

Sollvorgabe für Lambda im fetten Arbeitsmodus

S_i

Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle

T_R

Zeitpunkt des Vorliegens der Regenerationsnotwendigkeit

T_E,i

Zeitpunkte des Vorliegens der Regenerationsabbruch-Spannungsschwellen

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer NO_x-Regeneration eines im Abgasstrang einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x- Speicherkatalysators, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schädigungszustand des NO_x-Speicherkatalysators (14) erfasst und in Abhängigkeit von dem Schädigungszustand ein Reduktionsmittel-Massenstrom während der NO_x-Regeneration und/oder eine Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle (S_i) an einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators (14) angeordneten, ermittelnden Abgassonde (20) vorgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungszustand des NO_x-Speicherkatalysators (14) anhand einer aktuellen NO_x-Speicherkapazität im Vergleich zu einer NO_x-Speicherfähigkeit eines ungeschädigten NO_x-Speicherkatalysators beurteilt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittel-Massenstrom durch Regelung eines Lambdawertes vor dem NO_x-Speicherkatalysator (14) beeinflusst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert während der NO_x-Regeneration mit zunehmendem Schädigungsgrad des NO_x-Speicherkatalysators (14) in Richtung λ = 1 verschoben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsabbruch-Spannungsschwelle (S_i) mit zunehmendem Schädigungsgrad des NO_x-Speicherkatalysators (14) erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassonde (20) eine Lambda-Sonde und/oder ein NO_x-Sensor ist.

Zeichnung