DE10039709A1 - Verfahren und Steuergerät zum Bestimmen des Zustands eines Stickoxid (NOx)-Speicherkatalysators - Google Patents
Verfahren und Steuergerät zum Bestimmen des Zustands eines Stickoxid (NOx)-SpeicherkatalysatorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Stickoxid (NOx)-Speicherkatalysators (12') einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei während einer Einspeicherphase (E), in der von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Stickoxide (NOx) in den NOx-Speicherkatalysator (12') eingespeichert werden, ein Stickoxid (NOx)-Rohmassenstrom (msnovk) vor dem NOx-Speicherkatalysator (12') und ein NOx-Massenstrom (msnonk) hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') ermittelt wird und der Zustand des NOx-Speicherkatalysators (12') aus den beiden ermittelten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') bestimmt wird. Um den Zustand eines NOx-Speicherkatalysators (12') zuverlässig und genau und mit einem möglichst geringen Aufwand bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, dass die beiden ermittelten Werte (msnovk, msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer (t_i) aufintegriert werden und der Zustand des NOx-Speicherkatalysators (12') aus den aufintegrierten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') bestimmt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Bestimmen des Zustands eines Stickoxid (NOx)-
Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine insbesondere
eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird während einer
Einspeicherphase, in der von der Brennkraftmaschine
ausgestoßene Stickoxide (NOx) in den NOx-
Speicherkatalysator eingespeichert werden, ein Stickoxid
(NOx)-Rohmassenstrom vor dem NOx-Speicherkatalysator
ermittelt. Hinter dem NOx-Speicherkatalysator wird
ebenfalls ein NOx-Massenstrom ermittelt. Der Zustand des
NOx-Speicherkatalysators wird aus den beiden ermittelten
Werten für den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-
Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine
weist ein Steuergerät und einen Stickoxid (NOx)-
Speicherkatalysator auf. Außerdem weist die
Brennkraftmaschine erste Mittel zum Ermitteln eines
Stickoxid (NOx)-Rohmassenstroms vor dem NOx-
Speicherkatalysator während einer Einspeicherphase auf, in
der von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Stickoxide in
den NOx-Speicherkatalysator eingespeichert werden.
Schließlich weist die Brennkraftmaschine zweite Mittel zum
Ermitteln eines NOx-Massenstroms hinter dem NOx-
Speicherkatalysator während der Einspeicherphase auf. Das
Steuergerät bestimmt den Zustand des NOx-
Speicherkatalysators aus den beiden ermittelten Werten für
den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter
dem NOx-Speicherkatalysator.
Die vorliegenden Erfindung betrifft des weiteren ein
Steuergerät für eine solche Brennkraftmaschine. Schließlich
betrifft die Erfindung auch ein Steuerelement, insbesondere
ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein
Flash-Memory, für ein solches Steuergerät einer
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Auf
dem Steuerelement ist ein Programm abgespeichert, das auf
einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor,
ablauffähig ist.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem mageren Kraftstoff-
Luft-Gemisch (Lambda < 1) betrieben werden können, werden
Stickoxid (NOx)-Speicherkatalysatoren eingesetzt, um die
von der Brennkraftmaschine während eines Magerbetriebs
ausgestoßenen Stickoxid (NOx)-Emissionen einzuspeichern.
Der NOx-Speicherkatalysator befindet sich in der sog.
Einspeicherphase. Mit zunehmender Dauer der
Einspeicherphase nimmt der Wirkungsgrad des NOx-
Speicherkatalysators ab, was zu einem Anstieg der NOx-
Emissionen hinter dem NOx-Speicherkatalysator führt. Die
Ursache für die Abnahme des Wirkungsgrads liegt in der
Zunahme des Stickoxid (NOx)-Füllstands des NOx-
Speicherkatalysators. Der NOx-Füllstand kann überwacht und
nach Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes eine
Ausspeicherphase oder Regenerierphase des NOx-
Speicherkatalysators eingeleitet werden. Zum Ermitteln des
NOx-Füllstands des NOx-Speicherkatalysators kann ein
Stickoxid (NOx)-Einspeichermodell eingesetzt werden.
Während der Ausspeicherphase wird dem Abgas der
Brennkraftmaschine ein Reduktionsmittel hinzugegeben, das
eingespeicherte Stickoxide zu Stickstoff und Sauerstoff
reduziert. Als Reduktionsmittel können bspw.
Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO)
verwendet werden, die durch eine fette Einstellung des
Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Abgas (Homogenbetrieb der
Brennkraftmaschine) erzeugt werden können. Alternativ kann
als Reduktionsmittel auch Harnstoff zu dem Abgas
hinzugegeben werden. Dabei wird zur Reduktion des
Stickoxids zu Sauerstoff und Stickstoff Ammoniak aus dem
Harnstoff verwendet. Der Ammoniak kann per Hydrolyse aus
einer Harnstofflösung gewonnen werden.
Gegen Ende der Ausspeicherphase ist ein Großteil des
eingespeicherten Stickoxids reduziert und immer weniger des
Reduktionsmittels trifft auf Stickoxid, das es zu
Sauerstoff und Stickstoff reduzieren kann. In der Folge
steigt gegen Ende der Ausspeicherphase der Anteil an
Reduktionsmittel in dem Abgas hinter dem NOx-
Speicherkatalysator an, der Anteil an Sauerstoff in dem
Abgas hinter dem NOx-Speicherkatalysator nimmt ab. Durch
eine Analyse des Abgases hinter dem NOx-Speicherkatalysator
durch geeignete Abgassensoren kann das Ende der
Ausspeicherphase dann eingeleitet werden, wenn der Großteil
des Stickoxids aus dem NOx-Speicherkatalysator
ausgespeichert worden ist.
Aufgrund von Alterung oder Vergiftung des NOx-
Speicherkatalysators kann sich der Zustand des Katalysators
verändern, insbesondere kann die Speicherfähigkeit des NOx-
Speicherkatalysators nachlassen. Der NOx-
Speicherkatalysator kann bspw. durch Schwefel im Kraftstoff
vergiftet werden.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, einen
Gütefaktor eines beliebigen Systems zu berechnen, indem
eine Ausgangsgröße des Systems durch eine Eingangsgröße des
Systems geteilt wird. Ein solcher Gütefaktor kann
theoretisch auch zum Bestimmen des Gütefaktors eines NOx-
Speicherkatalysators herangezogen werden. Dazu wird der
NOx-Rohmassenstrom vor und der NOx-Massenstrom hinter dem
NOx-Speicherkatalysator ermittelt. Durch eine Division des
NOx-Massenstroms hinter dem Katalysator durch den NOx-
Rohmassenstrom vor dem Katalysator kann der Gütefaktor
bestimmt werden.
Bei einem NOx-Speicherkatalysator erlaubt ein derart
berechneter Gütefaktor jedoch keine zuverlässige Aussage
über den Zustand des Katalysators, da - wie bereits
erwähnt - der Wirkungsgrad eines NOx-Speicherkatalysators
mit zunehmender Dauer der Einspeicherphase abnimmt. Selbst
in einem stabilen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist
der bekannte Gütefaktor nicht zeitlich konstant. Wird der
Gütefaktor also nach dem aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren zu Beginn einer Einspeicherphase (hohe
Einspeicherrate) bestimmt, ergibt sich ein völlig anderer
Zustand des Katalysators als wenn der Gütefaktor gegen Ende
der Einspeicherphase (geringere Einspeicherrate) bestimmt
wird. Zudem sind bei NOx-Speicherkatalysatoren der Beginn
und das Ende der Einspeicher- und der Ausspeicherphasen
zeitlich nicht genau definiert, sondern werden - wie oben
beschrieben - für jede Phase anhand bestimmter Parameter
erneut bestimmt. Das aus dem Stand der Technik bekannte
Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines beliebigen
Systems ist deshalb zum Bestimmen des Zustands eines NOx-
Speicherkatalysators nicht geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Zustand eines NOx-Speicherkatalysators zuverlässig und
genau und mit einem möglichst geringen Aufwand zu
bestimmen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend
von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass die
beiden ermittelten Werte für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer aufintegriert werden
und der Zustand des NOx-Speicherkatalystors aus den
aufintegrierten Werten für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, einen Gütefaktor
nicht unmittelbar aus den ermittelten Werten für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator zu ermitteln, sondern die beiden Werte
zunächst über die Zeit zu integrieren. Das Integral des
NOx-Rohmassenstroms über eine Zeitdauer entspricht der
innerhalb dieser Zeitdauer dem NOx-Speicherkatalysator
zugeführten NOx-Rohemission. Ebenso entspricht das Integral
des NOx-Massenstroms über eine Zeitdauer der NOx-Emission
des Katalysators innerhalb dieser Zeitdauer. Durch die
Integration der Werte können die Auswirkungen von
Schwankungen und Störungen, der ermittelten Werten deutlich
reduziert werden. Ebenso kann durch die Integration die
Variation des Wirkungsgrads des Katalysators auf den
Gütefaktor reduziert werden.
Beginn und Ende der Integration liegen innerhalb der
Einspeicherphase. Die vorgebbare Zeitdauer entspricht also
längstens der Dauer der Einspeicherphase. Aus den
integrierten Werten wird dann der Gütefaktor durch an sich
bekannte beliebige mathematische Algorithmen bestimmt, die
unten genauer erläutert werden. Anhand des ermittelten
Gütefaktors kann bspw. eine reversible Schwefelvergiftung,
eine thermische Schädigung oder ein alterungsbedingtes
Nachlassen der Speicherfähigkeit des NOx-Katalysators
erkannt werden. Außerdem kann der Vergiftungsgrad des
Katalysators mit Schwefel ermittelt und der Schwefelgehalt
in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine korrigiert
werden, um eine Schwefelregenerierung zu optimieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zustand eines
NOx-Speicherkatalysators zuverlässig und genauen bestimmt
werden. Außerdem ist die Bestimmung des Zustands mit einem
geringen Aufwand möglich. Die beiden Werte für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator liegen in einem Steuergerät der
Brennkraftmaschine sowieso vor und müssen zur Ermittlung
des Gütefaktors nur noch integriert und dann nach einem
mathematischen Algorithmus entsprechend verarbeitet werden.
Zudem liegt für jede Einspeicherphase ein neu berechneter
Gütefaktor vor.
Der NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator kann
einem beliebigen Modell, bspw. einem NOx-Einspeichermodell,
entnommen werden. In einem NOx-Einspeichermodell kann aus
den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine beschreibenden
Parametern (z. B. der zugeführten Kraftstoffmasse oder
Luftmasse, dem Drehmoment, etc.) der NOx-Massenstrom
modelliert werden. Es ist auch denkbar, dass der NOx-
Massenstrom einer Kennlinie oder einem Kennfeld entnommen
wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass der
NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator mittels
eines NOx-Sensors gemessen wird. Der NOx-Sensor misst die
aktuelle NOx-Emission des Katalysators. Ein solcher NOx-
Sensor ist in einer Vielzahl von Brennkraftmaschinen mit
einem NOx-Speicherkatalysator zur Steuerung der
Einspeicher- und der Regerierphase sowieso vorhanden, so
dass zur Realisierung dieser Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens keines zusätzlichen Bauteils
bedarf.
Der NOx-Rohmassenstrom vor dem NOx-Speicherkatalysator kann
durch einen vor dem NOx-Speicherkatalysator angeordneten
NOx-Sensor gemessen werden. Gemäß einer anderen
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
jedoch vorgeschlagen, dass der NOx-Rohmassenstrom vor dem
NOx-Speicherkatalysator modelliert wird. Der NOx-
Rohmassenstrom kann bspw. einem NOx-Einspeichermodell oder
einem NOx-Rohemissionsmodell entnommen werden. In den
Modellen wird aus den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
beschreibenden Parametern (z. B. der zugeführten
Kraftstoffmasse oder Luftmasse, dem Drehmoment, etc.) der
NOx-Rohmassenstrom modelliert. Der modellierte NOx-
Rohmassenstrom kann auch einer Kennlinie oder einem
Kennfeld entnommen werden.
Vorausgesetzt Beginn und Ende der Integration liegen
innerhalb der Einspeicherphase, können die ermittelten
Werte über eine beliebige Zeitdauer mit beliebigem Anfangs-
und Endzeitpunkt integriert werden. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch
vorgeschlagen, dass die Integration der Werte zu Beginn der
Einspeicherphase eingeleitet wird. Gemäß einer anderen
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
vorgeschlagen, dass die Zeitdauer so gewählt wird, dass die
Integration der Werte spätestens mit dem Ende der
Einspeicherphase beendet wird. Wenn die Integration der
Werte zu Beginn der Einspeicherphase eingeleitet und mit
dem Ende der Einspeicherphase beendet wird, kann der
Gütefaktor mit der größten Genauigkeit ermittelt werden.
Die vorgebbare Zeitdauer wird also entsprechend der Dauer
der Einspeicherphase gewählt.
Der Gütefaktor zum Bestimmen des Zustands des NOx-
Speicherkatalysators kann nach einem beliebigen
mathematischen Algorithmus, bspw. mittels Addition oder
Multiplikation, aus den beiden integrierten Werten bestimmt
werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass der
Zustand des NOx-Speicherkatalystors durch eine Division der
aufintegrierten Werte für den NOx-Rohmassenstrom vor und
dem NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
bestimmt wird. Der Gütefaktor kann insbesondere nach einer
der folgenden Gleichungen bestimmt werden:
Gemäß noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Zustand
des NOx-Speicherkatalystors aus einer Differenz der
aufintegrierten Werte für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
bestimmt wird. Der Gütefaktor kann insbesondere nach einer
der folgenden Gleichungen bestimmt werden:
Gütefaktor = Int {NOx-Rohmassenstrom} -
Int {NOx-Massenstrom} oder
Gütefaktor = Int {NOx-Massenstrom} -
Int {NOx-Rohmassenstrom}.
Gütefaktor = Int {NOx-Rohmassenstrom} -
Int {NOx-Massenstrom} oder
Gütefaktor = Int {NOx-Massenstrom} -
Int {NOx-Rohmassenstrom}.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Steuerelements,
das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Dabei ist
auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf
einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor,
ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die
Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes
Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm
versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung
darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das
Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere
ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw.
ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein
Flash-Memory.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung wird ausgehend von der Brennkraftmaschine der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät
die beiden ermittelten Werte für den NOx-Rohmassenstrom vor
und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer aufintegriert und
den Zustand des NOx-Speicherkatalystors aus den
aufintegrierten Werten für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
bestimmt.
Schließlich wird zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ausgehend von dem Steuergerät der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät die
beiden ermittelten Werte für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer aufintegriert und
den Zustand des NOx-Speicherkatalystors aus den
aufintegrierten Werten für den NOx-Rohmassenstrom vor und
den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator
bestimmt.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der
Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen
oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger
Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es
zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf der Integrale von NOx-
Rohemission und NOx-Emission und einen
entsprechenden zeitlichen Verlauf der Betriebsart
der Brennkraftmaschine; und
Fig. 3 einen Signallaufplan eines erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine
1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in
einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3
ist mit einem Brennraum 4 versehen, der u. a. durch den
Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6
begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7
und mit dem Auslassventil 6 ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6
ragen ein Kraftstoffeinspritzventil 9 und eine Zündkerze 10
in dem Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann
Kraftstoff in dem Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der
Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4
entzündet werden.
In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11
untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar
ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der
Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist
ein Katalysator 12 untergebracht, der die durch die
Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase reinigt.
Bei dem Katalysator 12 handelt es sich um einen Stickoxid
(NOx)-Speicherkatalysator 12', der mit einem 3-Wege-
Katalysator 12" als Sauerstoffspeicher gekoppelt ist.
Alternativ kann der Katalysator 12 jedoch auch nur einen
NOx-Speicherkatalysator 12' umfassen.
Ein Steuergerät 15 ist von Eingangssignalen 16
beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen
der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Das Steuergerät 15
erzeugt Ausgangssignale 17, mit denen über Aktoren bzw.
Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst
werden kann. Unter anderem ist das Steuergerät 15 dazu
vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu
steuern und/oder zu regeln. Zu diesem Zweck ist das
Steuergerät 15 mit einem Mikroprozessor 18 versehen, der in
einem Steuerelement 19 ein Programm abgespeichert hat, das
dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung
durchzuführen. Das Steuerelement 19 ist vorzugsweise als
ein elektronisches Speichermedium, insbesondere als ein
Flash-Memory, ausgebildet.
In einer ersten Betriebsart, einem sogenannten
Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die
Drosselklappe 11 in Abhängigkeit von dem erwünschten
Drehmoment teilweise geöffnet bzw. geschlossen. Der
Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer
durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den
Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig über die
Drosselklappe 11 angesaugte Luft wird der eingespritzte
Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im
Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das
Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase
verdichtet, um dann von der Zündkerze 10 entzündet zu
werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs
wird der Kolben 2 angetrieben. Das entstehende Drehmoment
hängt im Homogenbetrieb u. a. von der Stellung der
Drosselklappe 11 ab. Im Hinblick auf eine geringe
Schadstofentwicklung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch
möglichst auf Lambda = 1 eingestellt.
In einer zweiten Betriebsart, einem sogenannten
Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die
Drosselklappe 11 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem
Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2
hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4
eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung
der Zündkerze 10 sowie zeitlich in geeignetem Abstand vor
dem Zündzeitpunkt. Dann wir mit Hilfe der Zündkerze 10 der
Kraftstoff entzündet, so dass der Kolben 2 in der nunmehr
folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten
Kraftstoffs angetrieben wird. Das entstehende Drehmoment
hängt im Schichtbetrieb weitgehend von der eingespritzten
Kraftstoffmasse ab. Im Wesentlichen ist der Schichtbetrieb
für den Leerlaufbetrieb und den Teillastbetrieb der
Brennkraftmaschine 1 vorgesehen. Im Schichtbetrieb ist
Lambda üblicherweise < 1.
Während einer Einspeicherphase E (vgl. Fig. 2) des NOx-
Speicherkatalysators 12' wird die Brennkraftmaschine 1 im
Schichtbetrieb betrieben und der Speicherkatalysator 12'
wird mit Stickoxiden und der 3-Wege-Katalysator 12" mit
Sauerstoff beladen. In einer Regenerierphase R (vgl. Fig.
2) werden der Speicherkatalysator 12' und der 3-Wege-
Katalysator 12" wieder entladen, so dass sie in einem
nachfolgenden Schichtbetrieb erneut Stickoxide bzw.
Sauerstoff aufnehmen können (Ausspeicherphase). Während der
Regenerierphase R wird vor dem Katalysator 12 ein
Reduktionsmittel in das Abgas gegeben. Als Reduktionsmittel
können bspw. Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO)
oder Harnstoff verwendet werden. Kohlenwasserstoffe und
Kohlenmonoxid werden im Abgas durch eine fette
Gemischeinstellung (Betrieb der Brennkraftmaschine im
Homogenbetrieb) erzeugt. Harnstoff kann aus einem
Vorratsbehälter dem Abgas gesteuert zudosiert werden.
Während der Regenerierphase R des Katalysators 12 laufen
folgende Prozesse ab: Das Reduktionsmittel reduziert die
gespeicherten Stickoxide zu Stickstoff (N) und Sauerstoff
(O). Diese Stoffe treten aus dem Katalysator 12 heraus, so
dass sich hinter dem Katalysator 12 während der
Regenerierphase R ein Sauerstoffüberschuss ergibt, obwohl
die Brennkraftmaschine 1 mit einem fetten Kraftstoff-Luft-
Gemisch (Sauerstoffmangel) betrieben wird.
Vor dem Katalysator 12 ist ein Sauerstoff (O2)-Sensor 13
und nach dem Katalysator 12 ein Stickstoff (NOx)-Sensor 14
in dem Abgasrohr 8 angeordnet. Nach dem Umschalten auf
Sauerstoffmangel (Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit
fettem Gemisch) vor dem Katalysator 12 zu Beginn der
Regenerierphase R reagiert der O2-Sensor 13 praktisch
verzögerungslos. Aufgrund des während des Schichtbetriebs
(mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch) vorherrschenden
Sauerstoffüberschusses in dem Abgas sind die
Sauerstoffspeicherplätze des Katalysators 12 zunächst
nahezu alle besetzt. Nach dem Umschalten auf
Sauerstoffmangel (fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch) zu Beginn
der Regenerierphase R werden die Sauerstoffspeicherplätze
sukzessive von Sauerstoff befreit, der dann aus dem
Katalysator 12 heraustritt. Hinter dem Katalysator 12
herrscht daher nach dem Umschalten in die Regenerierphase R
zunächst weiter Sauerstoffüberschuss. Nach einer von der
Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 12 abhängigen
Zeitspanne ist das gesamte in dem Speicherkatalysator 12'
eingespeicherte Stickoxid (N) reduziert und der gesamte in
dem Sauerstoffspeicher 12" eingespeicherte Sauerstoff (O)
entfernt, so dass auch hinter dem Katalysator 12
Sauerstoffmangel auftritt. Durch eine Analyse des Abgases
hinter dem NOx-Speicherkatalysator 12' durch geeignete
Abgassensoren kann das Ende der Regenerierphase R dann
eingeleitet werden, wenn der Großteil des Stickoxids (N)
aus dem NOx-Speicherkatalysator 12' ausgespeichert worden
ist.
Aufgrund von Alterung oder Vergiftung des NOx-
Speicherkatalysators 12' kann sich der Zustand des
Katalysators 12 verändern, insbesondere kann die
Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 12'
nachlassen. Der NOx-Speicherkatalysator 12' kann bspw.
durch Schwefel im Kraftstoff vergiftet werden.
Um den Zustand des NOx-Speicherkatalysators 12' zuverlässig
und genau und mit einem möglichst geringen Aufwand zu
bestimmen, wird das in Fig. 3 dargestellte
erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen. Das Verfahren
beginnt in einem Funktionsblock 30. Anschließend wird in
einem Funktionsblock 31 ein Stickoxid (NOx)-Rohmassenstrom
msnovk vor dem NOx-Speicherkatalysator 12' und ein NOx-
Massenstrom msnonk hinter dem NOx-Speicherkatalysator 12'
ermittelt.
Der NOx-Massenstrom msnonk hinter dem NOx-
Speicherkatalysator 12' wird mittels des NOx-Sensors 14
gemessen. Der NOx-Sensor 14 misst die aktuelle NOx-Emission
hinter dem Katalysator 12. Die NOx-Emission bezogen auf die
Zeit ergibt den NOx-Massenstrom msnonk. Der NOx-
Rohmassenstrom msnovk vor dem NOx-Speicherkatalysator 12'
wird modelliert. Er kann bspw. einem NOx-Einspeichermodell,
einem NOx-Rohemissionsmodell, einer Kennlinie oder einem
Kennfeld entnommen werden. Ein NOx-Einspeichermodell dient
dazu, die in den NOx-Speicherkatalysator 12' während der
Einspeicherphase E eingespeicherte NOx-Masse anhand
möglichst weniger gemessener Betriebsgrößen zu modellieren.
Wenn die modellierte eingespeicherte NOx-Masse einen
bestimmten Grenzwert überschritten hat, wird die
Regenerierphase R des NOx-Speicherkatalysators 12'
eingeleitet.
Anschließend wird in einem Funktionsblock 32 das Integral
des NOx-Rohmassenstroms msnovk und das Integral des NOx-
Massenstrom msnonk jeweils über dieselbe vorgebbare
Zeitdauer t_i gebildet. Die Zeitdauer t_i entspricht
vorzugsweise der Dauer der Einspeicherphase E. Nach der
Zeitdauer t_i entspricht die NOx-Rohemission vor dem
Katalysator 12 dem Wert a (vgl. Fig. 2) und die NOx-
Emission nach dem Katalysator 12 dem Wert b. In Fig. 2 ist
zu erkennen, dass der Verlauf der NOx-Rohemission linear
ist, der Verlauf der NOx-Emission dagegen nicht. Der
nichtlineare Verlauf der NOx-Emission hat seine Ursache
darin, dass der Wirkungsgrad eines NOx-Speicherkatalysators
12' mit zunehmender Dauer der Einspeicherphase E abnimmt.
Aus den integrierten Werten wird dann in einem
Funktionsblock 33 anhand eines einfachen mathematischen
Algorithmus ein Gütefaktor als Mass für den Zustand des
NOx-Speicherkatalysators 12' bestimmt. Als Algorithmus
kommt bspw. Addition, Subtraktion, Multiplikation oder
Division der integrierten Werte in Frage. Insbesondere wird
vorgeschlagen, den Gütefaktor nach einer oder mehreren der
nachfolgenden Gleichungen zu berechnen:
Gütefaktor = Int {msnovk} - Int {msnovk} oder
Gütefaktor = Int {msnovk} - Int {msnovk}.
Gütefaktor = Int {msnovk} - Int {msnovk}.
In den obigen Gleichungen steht "Int" für die Bildung des
Integrals des in den geschweiften Klammern enthaltenen
Werts. In Funktionsblock 34 ist das erfindungsgemäße
Verfahren beendet.
Die Integration des NOx-Rohmassenstroms msnovk und des NOx-
Massenstroms trägt der Tatsache Rechnung, dass der
Wirkungsgrad eines NOx-Speicherkatalysators 12' mit
zunehmender Dauer der Einspeicherphase E abnimmt. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zustand eines NOx-
Speicherkatalysators 12' zuverlässig und genauen bestimmt
werden. Außerdem ist die Bestimmung des Zustands mit einem
geringen Aufwand (eine gemessene Größe msnonk und eine
modellierte Größe msnovk) möglich. Die beiden Werte für den
NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem
NOx-Speicherkatalysator 12' liegen in dem Steuergerät 15
der Brennkraftmaschine 1 sowieso vor und müssen zur
Ermittlung des Gütefaktors nur noch aufintegriert und dann
nach einem mathematischen Algorithmus entsprechend
verarbeitet werden. Zudem liegt für jede Einspeicherphase E
ein neu berechneter Gütefaktor vor.
Claims (10)
1. Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Stickoxid
(NOx)-Speicherkatalysators (12') einer Brennkraftmaschine
(1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei während einer
Einspeicherphase (E), in der von der Brennkraftmaschine
ausgestoßene Stickoxide (NOx) in den NOx-
Speicherkatalysator (12') eingespeichert werden, ein
Stickoxid (NOx)-Rohmassenstrom (msnovk) vor dem NOx-
Speicherkatalysator (12') und ein NOx-Massenstrom (msnonk)
hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') ermittelt wird und
der Zustand des NOx-Speicherkatalysators (12') aus den
beiden ermittelten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden ermittelten Werte (msnovk,
msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-
Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12')
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer (t_i) aufintegriert
werden und der Zustand des NOx-Speicherkatalystors (12')
aus den aufintegrierten Werten (msnovk, msnonk) für den
NOx-Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem
NOx-Speicherkatalysator (12') bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der NOx-Massenstrom (msnonk) hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') mittels eines NOx-Sensors (14)
gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der NOx-Rohmassenstrom (msnovk) vor
dem NOx-Speicherkatalysator (12') modelliert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Integration der Werte (msnovk,
msnonk) zu Beginn der Einspeicherphase (E) eingeleitet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (t_i) so gewählt wird,
dass die Integration der Werte (msnovk, msnonk) spätestens
mit dem Ende der Einspeicherphase (E) beendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Zustand des NOx-
Speicherkatalystors (12') durch eine Division der
aufintegrierten Werte (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und dem NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Zustand des NOx-
Speicherkatalystors (12') aus einer Differenz der
aufintegrierten Werte (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt wird.
8. Steuerelement, insbesondere Read-Only-Memory, Random-
Access-Memory oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (15)
einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines
Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das
auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem
Mikroprozessor (18), ablauffähig und zur Ausführung eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist.
9. Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines
Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) ein
Steuergerät (15), einen Stickoxid (NOx)-Speicherkatalysator
(12'), erste Mittel zum Ermitteln eines Stickoxid (NOx)-
Rohmassenstroms (msnovk) vor dem NOx-Speicherkatalysator
(12') während einer Einspeicherphase (E), in der von der
Brennkraftmaschine ausgestoßene Stickoxide (NOx) in den
NOx-Speicherkatalysator (12') eingespeichert werden, und
zweite Mittel zum Ermitteln eines NOx-Massenstroms (msnonk)
hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12') während der
Einspeicherphase (E) aufweist und wobei das Steuergerät
(18) den Zustand des NOx-Speicherkatalysators (12') aus den
beiden ermittelten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuergerät (15) die beiden ermittelten Werte
(msnovk, msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den
NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12')
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer (t_i) aufintegriert
und den Zustand des NOx-Speicherkatalystors (12') aus den
aufintegrierten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt.
10. Steuergerät (15) für eine Brennkraftmaschine (1)
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die
Brennkraftmaschine (1) das Steuergerät (15), einen
Stickoxid (NOx)-Speicherkatalysator (12'), erste Mittel zum
Ermitteln eines Stickoxid (NOx)-Rohmassenstroms (msnovk)
vor dem NOx-Speicherkatalysator (12') während einer
Einspeicherphase (E), in der von der Brennkraftmaschine
ausgestoßene Stickoxide (NOx) in den NOx-
Speicherkatalysator (12') eingespeichert werden, und zweite
Mittel zum Ermitteln eines NOx-Massenstroms (msnonk) hinter
dem NOx-Speicherkatalysator (12') während der
Einspeicherphase (E) aufweist, wobei das Steuergerät (15)
den Zustand des NOx-Speicherkatalysators (12') aus den
beiden ermittelten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuergerät (15) die beiden ermittelten Werte
(msnovk, msnonk) für den NOx-Rohmassenstrom vor und den
NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator (12')
jeweils über eine vorgebbare Zeitdauer (t_i) aufintegriert
und den Zustand des NOx-Speicherkatalystors (12') aus den
aufintegrierten Werten (msnovk, msnonk) für den NOx-
Rohmassenstrom vor und den NOx-Massenstrom hinter dem NOx-
Speicherkatalysator (12') bestimmt.
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