DE10034874B4

DE10034874B4 - Verfahren zum Adaptieren einer NOx-Rohkonzentration

Info

Publication number: DE10034874B4
Application number: DE10034874A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ludwig; Corinna Pfleger; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: EP1301699B1; DE50105704D1; WO2002006653A1; EP1301699A1; DE10034874A1

Abstract

Verfahren zum Adaptieren einer NOx-Rohkonzentration (RK) einer mit Mager- und Fettphasen arbeitenden Brennkraftmaschine, die mit einem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator versehen ist, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet NOx während der Magerphase aus dem Abgas adsorbieren und während der Fettphase das adsorbierte NOx umsetzen kann, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Adaptionsvorgangs für die NOx-Rohkonzentration die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
– in einem ersten Schritt wird die Dauer einer ersten Magerphase derart verkürzt, daß keine NOx-Emission hinter dem Katalysator während der ersten Magerphase auftritt,
– in einem zweiten Schritt wird die Speichermenge (SM) während der ersten Magerphase berechnet,
– in einem dritten Schritt wird aus der Speichermenge (SM) und einer für die Magerphase mit Hilfe von Kennfeldern modellierten NOx-Beladung (IKK) ein Vergleichswert berechnet und
– in einem vierten Schritt wird eine Adaption der NOx-Rohkonzentration (RK) abhängig von dem Vergleichswert ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Adaptieren einer NOx-Rohkonzentration einer mit Mager- und Fettphasen arbeitenden Brennkraftmaschine, die mit einem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator versehen ist, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet während der Magerphase NOx aus dem Abgas adsorbiert und während der Fettphase das adsorbierte NOx umsetzen kann.
Um bei Kraftfahrzeugen mit ottomotorischem Antrieb den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, werden immer häufiger Brennkraftmaschinen eingesetzt, die in ausgewählten Betriebsbereichen mit einem mageren Gemisch betrieben werden.
Zur Erfüllung von Abgasgrenzwerten wird bei solchen Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgasnachbehandlung eingesetzt. Dazu werden NOx-Speicher-Reduktionskatalysatoren, im folgenden kurz auch als NOx-Speicherkatalysatoren bezeichnet, verwendet. Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschichtung in der Lage, während einer Speicherphase NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren. Die Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators wird auch als dessen Beladungsphase bezeichnet. Während einer sich an die Beladungsphase anschließenden Regenerationsphase werden die adsorbierten bzw. gespeicherten NOx-Verbindungen katalytisch in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Als Reduktionsmittel für die Umwandlung wird bei mager betriebenen Otto-Brennkraftmaschinen CO, H₂ und HC (Kohlenwasserstoffe) eingesetzt. Die Reduktionsmittel werden durch den kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator in Form von Abgaskomponenten zur Verfügung gestellt, wodurch die gespeicherten NOx-Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.
Der Adsorptionswirkungsgrad von NOx-Speicherkatalysatoren fällt mit höherem NOx-Beladungsgrad ab. Der Beladungsgrad ist der Quotient aus momentaner NOx-Beladung und maximaler NOx-Speicherkapazität. Der errechnete Beladungsgrad kann zur Steuerung der Mager- und Fettzyklen der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Zur Ermittlung des Beladungsgrades ist eine möglichst genaue Kenntnis sowohl der momentanen Beladung als auch der maximalen Speicherkapazität nötig.
Die maximale Speicherkapazität kann auf dem Motorprüfstand durch Messung der eingelagerten NOx-Menge pro Zeiteinheit bis zum Erreichen eines Sättigungszustands ermittelt werden. Allerdings unterliegt diese Speicherfähigkeit einem Alterungsprozeß, der es erforderlich macht, sie während der Betriebszeit zu adaptieren.
Es sind Verfahren bekannt, die maximale Speicherkapazität im Fahrbetrieb zu adaptieren. Allerdings benötigen diese Verfahren die Kenntnis entweder der momentanen Beladung und/oder einer korrigierten NOx-Rohkonzentration. Mit korrigierter NOx-Rohkonzentration wird die um eine Stationärumsatz-Konzentration verminderte NOx-Rohkonzentration bezeichnet. Die möglichst genaue Kenntnis der korrigierten NOx-Rohkonzentration ist neben der Altersadaption der Speicherkapazität auch zur Katalysatorsteuerung über die Berechnung des Beladungsgrades erforderlich.
Ein Verfahren zur Adaption der korrigierten NOx-Konzentration ist in der internationalen Anmeldung WO 00/28201 beschrieben. Bei dem Verfahren werden betriebspunktabhängig gespeicherte Werte für die NOx-Rohkonzentration der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ausgelesen und eine Adaption der Konzentrationsschwankungen auf der Basis eines stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensors vorgenommen. Dieses Verfahren liefert zufriedenstellende Ergebnisse für die Adaption, ist jedoch zwingend auf die Verwendung eines NOx-Sensors angewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die NOx-Rohkonzentration einer Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln möglichst genau adaptiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das oben genannte Verfahren führt während eines Adaptionsvorgangs für die NOx-Rohkonzentration die folgenden vier Verfahrensschritte aus. In einem ersten Schritt wird die Dauer einer ersten Magerphase derart verkürzt, daß keine NOx-Emission hinter dem Katalysator während der ersten Magerphase auftritt. Der NOx-Ausstoß im Verlaufe einer Magerphase ist qualitativ bekannt: In einem ersten Abschnitt der Magerphase erfolgt keine oder im wesentlichen keine NOx-Emission hinter dem Katalysator, die ab einem Zeitpunkt stark ansteigt. Die Dauer der ersten Magerphase wird in dem ersten Verfahrensschritt so gewählt, daß die Magerphase beendet ist, bevor es zu einem Anstieg der NOx-Konzentration nach dem Katalysator kommt. In dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die während der Magerphase in den NOx-Speicherkatalysator eingelagerte Speichermenge berechnet. Die Speichermenge entspricht dem korrigierten NOx-Angebot, da hier kein Durchbruchanteil in der ersten Magerphase auftritt. Denn die erste Magerphase ist beendet, bevor es zu einem Durchbruch kommt. In einem weiteren Schritt, der auch gleichzeitig zu dem zweiten Schritt erfolgen kann, wird die berechnete Speichermenge mit einer für die erste Magerphase mit Hilfe eines Kennfeldes abhängig von den Betriebszuständen modellierten NOx-Beladung des NOx-Speicherkatalysators verglichen. Für die erste Magerphase sollte die unter Vernachlässigung des Durchbruchs modellierte NOx-Beladung mit der Speichermenge übereinstimmen, da keine NOx-Emission nach dem Katalysator während der ersten Magerphase stattgefunden hat.
Die Abweichung dieser beiden Größen voneinander wird in einem vierten Schritt für die Adaption verwendet. Nach Adaption der NOx-Rohkonzentration kann die Brennkraftmaschine wieder nach bekannten Verfahren betrieben werden. Vorteilhaft an dem vorliegenden Verfahren ist, daß durch die Verkürzung der ersten Magerphase mit einfachen Mitteln eine genaue Bestimmung der NOx-Beladung möglich ist.
Um festzustellen, daß in dem ersten Schritt eine hinreichend kurze Magerphase der Betrachtung zugrunde liegt, wird in dem zweiten Schritt zusätzlich die Speichermenge in einer zweiten Magerphase bestimmt, deren Dauer gegenüber der der ersten Magerphase weiter verkürzt ist. Hierzu werden im wesentlichen die Verfahrensschritte aus dem Adaptionszyklus mit der ersten Magerphase wiederholt. In dieser Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt sich der gesamte Verfahrensablauf als die Wiederholung von zwei Adaptionszyklen mit unterschiedlich langen Magerphasen dar, wobei in dem zweiten Zyklus der erste und der zweite Verfahrensschritt für die zweite Magerphase durchlaufen werden. Für die erste und die zweite Magerphase werden die mittleren Speichermengen pro Zeit, d.h. berechnete Speichermenge dividiert durch die Dauer der Magerphase, miteinander verglichen, um im Fall einer ungefähren Übereinstimmung eine fehlende NOx-Emission in der ersten Magerphase festzustellen. Im Falle der fehlenden Übereinstimmung erfolgt die Beladung nicht proportional mit der Zeit, d.h. während der Magerphase ist beispielsweise die NOx-Konzentration nach dem Katalysator bereits angestiegen und die Durchbruchmenge somit nicht vernachlässigbar. Bei fehlender Übereinstimmung werden die erste und die zweite Magerphase weiter verkürzt, wobei bevorzugt der zweite Adaptionszyklus dabei als Basis-Zyklus an die Stelle des ersten tritt.
In einer zweckmäßigen Weiterführung des Verfahrens wird bei einer Verkürzung der Magerphasen bis unterhalb einer vorbestimmten Mindestdauer ein Signal ausgelöst, das eine fehlende Tauglichkeit des NOx-Katalysators für den Magerbetrieb an zeigt. Bei einem nicht für den Magerbetrieb tauglichen NOx-Speicherkatalysator erfolgt selbst bei einer hinreichend kurzen Magerphase keine NOx-Beladung, die proportional zur Dauer der Magerphase ist.
Um die Speichermenge des NOx-Speicherkatalysators hinreichend genau bestimmen zu können, wird diese in einer Fettphase für die zurückliegende Magerphase bestimmt. Es wird also darauf verzichtet, die Speichermenge direkt während der Magerphase zu berechnen, mithin wird auf den Einsatz eines NOx-Sensors verzichtet.
Um die Speichermenge für die vorangegangene Magerphase hinreichend genau berechnen zu können, wird diese abhängig von der eingelagerten Sauerstoffmenge, von der Zeitdauer zwischen Beginn der Fettphase und einem Erkennen einer vollständigen NOx-Regeneration, von dem Kraftstoffmassenstrom sowie dem Stoffmengenverhältnis der Reaktion Kraftstoff und NOx bestimmt. Hierbei wird angenommen, daß der zusätzliche, zur stöchiometrischen Verbrennung nicht benötigte Kraftstoffmassenstrom zur Reduktion der gespeicherten NOx-Masse sowie zum Aufbrauchen des eingelagerten Sauerstoffs verwendet wird. Ist die gespeicherte Sauerstoffmenge, die Zeitdauer zwischen Einsetzen der Fettphase bis zum Erkennen einer vollständigen NOx-Regeneration des Speicherkatalysators, der zusätzliche Kraftstoffmassenstrom sowie das Stoffmengenverhältnis der Reaktion Kraftstoff plus NOx bekannt, kann die eingespeicherte NOx-Masse berechnet werden.
Um die vollständige NOx-Regeneration zu erkennen, wird bevorzugt stromabwärts von dem NOx-Speicherkatalysator eine Lambda-Sonde angeordnet. Die Lambda-Sonde zeigt die Luftzahl in dem Abgasstrom nach dem NOx-Speicherkatalysator an und ermöglicht so den Abschluß der Regenerationsphase zu erkennen. Bevorzugt wird bei diesem Verfahren noch berücksichtigt, daß in dem NOx-Speicherkatalysator sowohl NOx als auch O₂ eingelagert werden, die mit unterschiedlicher Charakteristik von dem Speicher freigesetzt werden. Berücksichtigt werden kann das NOx/O₂-Verhältnis mit Hilfe von Kennlinien.
Alternativ zu der Verwendung eines O₂-Sensors ist es ebenfalls möglich, einen NOx-Sensor stromabwärts von dem NOx-Speicherkatalysator zu verwenden.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Adaptieren der NOx-Rohkonzentration in dem vierten Schritt über einen Korrekturfaktor für einen Reduktionsfaktor der NOx-Rohkonzentration oder für einen Korrekturfaktor direkt für die NOx-Rohkonzentration.
Bevorzugt erfolgt die Änderung proportional zur Differenz zwischen der Speichermenge und der modellierten NOx-Beladung. Ebenfalls ist es möglich, die Änderung proportional zur Differenz von 1 und dem Quotienten aus der modellierten NOx-Beladung und der Speichermenge vorzunehmen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt:
1 die NOx-Konzentration stromabwärts eines NOx-Speicherkatalysators abhängig von der Zeit,
2 die Berechnung eines Korrekturfaktors für die NOx-Rohkonzentration und
3 die Berechnung eines Korrekturfaktors für einen Reduktionsfaktor der NOx-Rohkonzentration.
1 zeigt die zeitliche Entwicklung der NOx-Konzentration in einem NOx-Speicherkatalysator. Die mit 10 gekennzeichnete Kurve gibt die NOx-Konzentration nach dem Katalysator an. Zum Zeitpunkt t₀, der mit 12 gekennzeichnet ist, beginnt im normalen Speicher-/Regenerationsbetrieb die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Die mit 14 gekennzeichnete Fläche gibt dabei die bis t₀ eingelagerte NOx-Speichermenge (SM) an. Der unterhalb der Kurve 10 liegende Flächenanteil gibt die Durchbruchmenge DB an, also die Menge, die bis zum Zeitpunkt t₀ ausgetreten ist. Soll nun eine Adaption der Rohemission erfolgen, so wird die Schwelle 12 zu Beginn nach 18 versetzt. Beispielsweise kann hierzu die Dauer der Magerphase halbiert werden.
Um zu überprüfen, ob bei der Dauer 18 der Magerphase eine vernachlässigbare Durchbruchmenge DB vorliegt, wird in einem weiteren Adaptionszyklus die Magerphase bis zu einem Zeitpunkt 20 verkürzt. Wenn die Speichermenge in der verkürzten Magerphase im selben Verhältnis zu der Speichermenge in der längeren Magerphase 14 steht, wie die Zeitdauer der kürzeren Magerphase zu der Zeitdauer der längeren Magerphase, so hat kein Durchbruch stattgefunden und der Speicherkatalysator hat proportional zur Dauer der Magerphase NOx eingelagert.
Allgemein kann die während einer Magerphase einer Brennkraftmaschine emittierte NOx-Menge in folgende Teile aufgesplittet werden:

– ein erster Teil wird auch im Magerbetrieb von der Abgasreinigungsanlage in unschädliche Substanzen umgewandelt,
– ein zweiter Teil wird im NOx-Speicherkatalysator gespeichert (SM) und
– ein dritter Teil wird an die Umgebung abgegeben (DB)(Durchbruch).

Unabhängig von dem erfindungsgemäß verwendeten Verfahren zur Berechnung der Speichermenge SM wird basierend auf der in Kennfeldern abgelegten NOx-Rohkonzentration und dem Reduktionsfaktor das Integral der korrigierten NOx-Konzentration über die Magerphase (IKK) berechnet. Der Wert des Integrals ist die Summe aus modellierter NOx-Beladung und (modellierter) Nachkat-Emission. Für die Magerphasen, in denen kein Durchbruch erfolgt, sollte SM gleich IKK sein, falls die mo dellierte, korrigierte NOx-Rohkonzentration der tatsächlichen, um den tatsächlichen stationären Reduktionsfaktor verminderten, NOx-Rohkonzentration entspricht.
In dem in 2 dargestellten Flußdiagramm wird ein Korrekturfaktor für die NOx-Rohkonzentration (RK) berechnet. Der Korrekturfaktor (RKKF) wird dabei abhängig von der modellierten NOx-Beladung (IKK) und der Speichermenge (SM) ermittelt. In dem in 2 dargestellten Ablaufdiagramm wird der Faktor: 1 – IKK/SM mit einem Verstärker 22 verstärkt und mit einem entsprechenden Korrekturfaktor RKKF (N – 1) addiert, um RKKF für die nachfolgende Korrektur der NOx-Rohkonzentration zu ermitteln. Die Adaption erfolgt iterativ, wobei bei einem n-ten Adaptionsschritt der Korrekturfaktor der (n – 1)-ten Adaption geändert wird. Die NOx-Rohkonzentration wird mit dem Faktor (1 – RF) multipliziert, wobei RF den Reduktionsfaktor für die NOx-Rohkonzentration RK bezeichnet. Der Reduktionsfaktor berücksichtigt beispielsweise abhängig von der Katalysatortemperatur den stationären Umsatz in dem Katalysator. Das Produkt wird als die korrigierte NOx-Rohkonzentration bezeichnet.
3 zeigt ein Flußdiagramm für eine alternative Bestimmung der korrigierten NOx-Rohkonzentration. Bei diesem Verfahren wird die Größe 1 – SM/IKK mit einem Verstärker 24 verstärkt und mit einem Korrekturfaktor für den Reduktionsfaktor addiert. Der Korrekturfaktor für den Reduktionsfaktor RFKF wird mit dem Reduktionsfaktor RF multipliziert, so daß ein korrigierter Reduktionsfaktor vorliegt. Mit dem Faktor (1 – RFKF × RF) wird aus der NOx-Rohkonzentration (RK) die korrigierte NOx-Rohkonzentration berechnet.
In beiden Verfahren kann alternativ zu dem Quotienten aus SM und IKK auch die Differenz der Werte verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Adaptieren einer NOx-Rohkonzentration (RK) einer mit Mager- und Fettphasen arbeitenden Brennkraftmaschine, die mit einem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator versehen ist, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet NOx während der Magerphase aus dem Abgas adsorbieren und während der Fettphase das adsorbierte NOx umsetzen kann, da durch gekennzeichnet, daß während eines Adaptionsvorgangs für die NOx-Rohkonzentration die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: – in einem ersten Schritt wird die Dauer einer ersten Magerphase derart verkürzt, daß keine NOx-Emission hinter dem Katalysator während der ersten Magerphase auftritt, – in einem zweiten Schritt wird die Speichermenge (SM) während der ersten Magerphase berechnet, – in einem dritten Schritt wird aus der Speichermenge (SM) und einer für die Magerphase mit Hilfe von Kennfeldern modellierten NOx-Beladung (IKK) ein Vergleichswert berechnet und – in einem vierten Schritt wird eine Adaption der NOx-Rohkonzentration (RK) abhängig von dem Vergleichswert ausgeführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schritt zusätzlich die Speichermenge (SM) in einer zweiten Magerphase bestimmt wird, deren Dauer gegenüber der Dauer der ersten Magerphase verkürzt ist, wobei die mittlere Speichermenge pro Zeit in der ersten und zweiten Magerphase miteinander verglichen werden, um im Falle einer ungefähren Übereinstimmung eine fehlende NOx-Emission in der ersten Magerphase festzustel-len, und im Falle der fehlenden Übereinstimmung das Verfahren mit verkürzter Dauer für die erste und zweite Magerphase zu wiederholen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verkürzung der Magerphasen bis unterhalb einer vorbestimmten Mindestdauer ein Signal generiert wird, das eine fehlende Tauglichkeit des NOx-Speicherkatalysators für den Magerbetrieb anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schritt die Speichermenge des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators in einer Fettphase für die zurückliegende Magerphase bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schritt die Speichermenge für die vorangegangene Magerphase berechnet wird abhängig von der Zeitdauer zwischen Beginn der Fettphase und einem Erkennen einer vollständigen NOx-Regeneration, der gespeicherten Sauerstoffmenge, dem Kraftstoffmassenstrom sowie dem Stoffmengenverhältnis der Reaktion Kraftstoff und NOx.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige NOx-Regeneration durch einen stromabwärts von dem NOx-Speicherkatalysator angeordneten O₂-Sensor erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige NOx-Regeneration durch einen stromabwärts von dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator angeordneten NOx-Sensor erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt für einen Reduktionsfaktor (RF) der NOx-Rohkonzentration ein Korrekturfaktor (RFKF) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt für die NOx-Rohkonzentration (RK) ein Korrekturfaktor (RKKF) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt die Differenz zwischen der Speichermenge (SM) und der modellierten NOx-Beladung als Vergleichswert dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt die Differenz zwischen der Speichermenge (SM) und der modellierten NOx-Beladung dividiert durch die Speichermenge (SM) als Vergleichswert dient.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt die Differenz zwischen modellierter NOx-Beladung und der Speichermenge (SM) dividiert durch die modellierte NOx-Beladung als Vergleichswert dient.