DE10055528C2

DE10055528C2 - Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE10055528C2
Application number: DE10055528A
Authority: DE
Inventors: Walter Piock; Eduard Unger; Gerhard Holy
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: AT3749U1; DE10055528A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes ei nes in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten NO_x-Spei cherkatalysators während des Betriebes, wobei im Abgasstrang die Temperatur T und die Luftzahl λ gemessen wird, und wobei die Zeitdauer t₁ jeder auftretenden Temperatur T ermittelt und ein Korrekturfaktor K für die Basisspeicherkapazität NK₀ an NO_x in Abhängigkeit der zeitlich gewichteten Temperaturen bestimmt und eine relative Speicherkapazität NK des NO_x-Speicherkatalysators als Funktion des Korrekturfaktors K und der Basisspeicherkapazität NK₀ berechnet wird.

NO_x-Speicherkatalysatoren unterliegen verschiedenen Alterungsmechanismen. Einerseits sind Speicherkatalysatoren der chemischen Alterung zufolge des im Kraftstoff enthaltenen Schwefelgehaltes ausgesetzt. Andererseits führt die ther mische Alterung zu einer irreversiblen Veränderung des Speicherverhaltens.

Aus der DE 197 05 335 C1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Speicherka talysators bekannt, bei dem zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eine Regeneration zum Abbau des im Speicherkatalysators abgespeicherten Sulfates durchgeführt wird. Dabei wird bei der Ermittlung des Zeitpunktes auch die thermische Alterung des Speicherkatalysators berücksichtigt. Die thermische Alterung wird in Abhän gigkeit von der Last und der Drehzahl und/oder in Abhängigkeit von der Kataly satortemperatur bestimmt. Die Alterung des Speicherkatalysators kann mit die sem Modell allerdings nicht vollständig erfasst werden.

Die DE 694 10 561 C2 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Motors bei gleichzeitiger Überwachung des Wirkungsgrades eines an der Motorabgasanlage angeschlossenen katalytischen Wandlers. Dabei wird die Kraftstoffabgabe an den Motor in Abhängigkeit von ei nem Ausgangssignal einer stromaufwärts und einer stromabwärts des katalyti schen Wandlers angeordneten Abgas-Sauerstoffsonde gesteuert. Immer dann, wenn der Motor einen bestimmten Betrieb abgeschlossen hat, wird ein Prüfzeit raum eingerichtet und ein Überwachungsverhältnis zwischen den Ausgangssigna len stromabwärts der Sonde zu den Ausgangssignalen stromaufwärts der Sonde für jeden dieser Prüfzeiträume bestimmt. Danach wird ein gewichteter Mittelwert dieses Überwachungsverhältnisses über mehrere dieser Zeiträume hinweg er stellt. Ein Wirkungsgradrückgang des Wandlers wird dann angezeigt, wenn der gewichtete Durchschnitt des Überwachungsverhältnisses einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Die DE 197 53 842 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Abgaskataly sators für eine Brennkraftmaschine, bei dem zur beschleunigten Katalysatorauf heizung mindestens eine Aufheizmaßnahme eingeleitet wird und bei Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators diese wieder deaktiviert wird. Als Kriterium für das Erreichen der Anspringtemperatur wird die über das Abgas dem Ka talysator zugeführte thermische Energie herangezogen. Die Aufheizmaßnahme wird deaktiviert, wenn die zugeführte Energiemenge einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise lassen sich Kriterien zum Beenden der Aufheizmaßnahmen für den Katalysator bestimmen.

Aus der DE 196 26 405 A1 ist ein Steuersystem für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für Verbrennungsmotoren bekannt, welches die Menge der im Katalysator sor bierten Substanzen mit einbezieht.

Die DE 44 26 020 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Funktionsfä higkeit eines Katalysators im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine anhand der durch exotherme Umsetzung der Abgase im Katalysator erzeugten Temperatur erhöhung, wobei die Temperaturerhöhung mittels eines gemessenen und eines mit Hilfe eines Temperaturmodells gebildeten Temperatursignals ermittelt wird.

Aus der WO 98/10177 A1 ist ein Abgasreinigungsverfahren für eine Brennkraft maschine bekannt, bei dem mittels einer Abgasrückführungsleitung beim Rege nieren des NO_x-Speichers der Sauerstoffgehalt durch Erhöhung der Abgasrück führungsrate so weit abgesenkt wird, dass bereits mit üblichen oder auch nur leicht erhöhten Kraftstoffeinspritzmengen ein fettes Abgasgemisch erreicht wird. Dadurch kann eine Sauerstoffabsenkung im Abgas zur Regeneration des NO_x- Speichers ohne eine Gefahr der Überhitzung der Abgase und/oder mit einer ver ringerten Leistungseinbuße ermöglicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszu standes bereitzustellen, mit welchem der Alterungszustand des Speicherkataly sators bestimmt und das Speicherverhalten verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Zeitdauer t₂ jeder auf tretenden Luftzahl λ ermittelt wird, und der Korrekturfaktor K auch in Ab hängigkeit der zeitlich gewichteten Luftzahlen λ(t₂) bestimmt wird, und dass die relative NO_X-Speicherkapazität NK entsprechend der durch den Korrekturfaktor K ausgedrückten thermischen- und/oder Oxidationsalterung adaptiv nachgeführt wird. Es wird somit die NO_x-Speicherkapazität NK entsprechend dem aktuellen Alterungszustand des NO_x-Speicherkatalysators adaptiv nachgeführt, wodurch eine genaue Diagnose des Speicherkatalysators zum verbrauchsoptimalen Be trieb möglich wird. Einerseits ruft ein Sauerstoffüberschuss im Abgas exotherme Reaktionen hervor, welche die Abgastemperatur im Bereich des Speicherkataly sators ansteigen lässt. Andererseits begünstigt ein Sauerstoffüberschuss im Ab gas Oxidationsprozesse des Adsorbermateriales des Speicherkatalysators, welche ebenfalls die Speicherfähigkeit nachhaltig verschlechtern. Dadurch, dass ein die se Verschlechterung berücksichtigender Korrekturfaktor K sowohl in Abhängigkeit der zeitgewichteten Abgastemperaturen T(t₁), als auch in Abhängigkeit der zeit gewichteten Luftzahlen λ(t₂) ermittelt wird, kann die Alterung des NO_x- Speicherkatalysators mittels eines Rechenmodells erfasst werden. Das Modell wird dabei vorzugsweise in die Motorsteuerung implementiert und gestattet es, im Rahmen einer fahrzeugeigenen Diagnose (On Bord-Diagnose) eine schlei chende Verschlechterung der Konvertierungsfähigkeit des Speicherkatalysators sicher zu detektieren, wobei eine Trennung zwischen Schwefelalterung, die im wesentlichen reversibel ist, und thermischer- und/oder Oxidationsalterung, die zu einer irreversiblen Veränderung des Speicherverhaltens führt, durchgeführt wird.

Dabei wird vorzugsweise stromaufwärts des Speicherkatalysators die Temperatur des Abgases im Abgasstrang gemessen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung, bei der eine NO_x-Regenerierung des NO_X-Speicherkatalysators durchgeführt wird, sobald die Beladung des NO_X-Speicherkatalysators einen entsprechenden Grenzwert ü berschreitet, ist vorgesehen, dass der Grenzwert für die Beladung in Abhängig keit des Alterungszustandes aufgrund der relativen Speicherkapazität NK be stimmt wird. Die Messung der Luftzahl λ kann dabei beispielsweise mittels einer Lambda-Sonde erfolgen.

Zur Bestimmung des Korrekturfaktors K werden die Abgastemperatur T und die Luftzahl λ stromaufwärts des Katalysators mittels Messungen oder Berechnungen festgestellt, und anhand von Wichtungsfaktoren ein integraler Korrekturfaktor K(t) für den Katalysatorwirkungsgrad berechnet. Dieser Korrekturfaktor beein flusst dann adaptiv im Katalysatormodell der Motorsteuerung das Einspeicher- bzw. Entladeverhalten des Speicherkatalysators.

In Weiterführung der Erfindung kann die Verminderung des Speichervermögens zufolge thermischer Alterung und Oxidationsalterung in einem Kennfeld darge stellt werden, um Lastpunktabhängig in das NO_x-Speichermodell des Abgaska talysators eingreifen zu können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Diagramme, in welchen die Alterung in Abhängigkeit der Ab gastemperatur T und der Luftzahl λ dargestellt ist,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem der Korrekturfaktor K über der Betriebs zeit t des Speicherkatalysators aufgetragen ist,

Fig. 4 ein Katalysatorkennfeld mit der NO_x-Speicherkapazität im ungealter ten Zustand und

Fig. 5 ein Katalysatorkennfeld mit der NO_x-Speicherkapazität im gealterten Zustand.

In Fig. 1 ist ersichtlich, wie die thermische Alterung A_T mit steigender Tempera tur T zunimmt. In Fig. 2 ist qualitativ der Verlauf der Oxidationsalterung A_O über der Luftzahl λ dargestellt. Sowohl die thermische Alterung A_T als auch die Oxida tionsalterung A_O ist abhängig von der jeweiligen Verweilzeit t₁, t₂, d. h., dass die Zeitdauer des Auftretens erhöhter Abgastemperatur oder erhöhtem Sauerstoff gehaltes im Abgas ist maßgebend für das Ausmaß der Alterung ist.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Korrekturfaktors K über der Betriebszeit t des Spei cherkatalysators dargestellt. Im ungealterten Zustand beträgt der Korrekturfak tor K beispielsweise den Wert 1 und verringert sich im Laufe der Lebenszeit ent sprechend der dargestellten Kurve.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Kennfelder, in welchen die NO_x-Basisspeicherkapazität NK₀ bzw. die relative NO_X-Speicherkapazität NK für den ungealterten bzw. ge alterten Zustand des Speicherkatalysators über zwei Kenngrößen aufgetragen ist. Im Beispiel ist die Basisspeicherkapazität NK₀ bzw. die relative Speicherkapazität NK in Abhängigkeit der Abgastemperatur T und des Abgasmassenstromes m dar gestellt. Genauso wären aber auch andere Betriebskenngrößen, wie Drehzahl, Last od. dgl. möglich. Deutlich ist zu erkennen, dass im in Fig. 5 dargestellten Kennfeld die Speicherkapazität NK₀ für NO_x wesentlich geringer ist, als im in Fig. 4 ersichtlichem ungealtertem Zustand.

Die relative Speicherkapazität NK des gealterten Speicherkatalysators zu einem Zeitpunkt t ergibt sich aus der Basisspeicherkapazität NK₀ des ungealterten Spei cherkatalysators und dem integralen Korrekturfaktor K(t), wobei gilt:

NK(t) = NK₀.K(t).a₀.

a₀ ist ein Wichtungsfaktor, der gleich 1 oder ungleich 1 sein kann. Der integrale Korrekturfaktor K(t) ergibt sich aus der thermischen Alterung A_T und der Oxidati onsalterung A_O. Die thermische Alterung A_T ist eine Funktion der Abgastempera tur T und der Verweilzeit t₁ bei dieser Abgastemperatur Es gilt also: A_T = A_T(T, t₁). Die Oxidationsalterung A_O ist dagegen abhängig vom Sauerstoffgehalt im Ab gas und somit von der Luftzahl λ und der Verweilzeit t₂. Also gilt: A_O = A_O(λ, t₂).

Der integrale Korrekturfaktor K(t) für den Zeitpunkt t ergibt sich aus der Kulmi nation der Alterungserscheinungen zum Zeitpunkt t aus allen bis dahin auftre tenden zeitgewichteten Abgastemperaturen T und Luftzahlen λ. Der integrale Korrekturfaktor K(t) kann somit beispielsweise durch eine Gleichung folgender Form dargestellt werden:

wobei a₁ und a₂ Wichtungsfaktoren für die thermische Alterung A_T und die Oxida tionsalterung A₀ sind.

Mit dem solcherart ermittelten integralen Korrekturfaktor K(t) kann einerseits eine Adaption der NO_X-Regenerationsparameter erfolgen und andererseits die thermische Alterung sowie die Oxidationsalterung des Adsorbers in die On Bord Diagnose des Fahrzeuges mit einbezogen werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes eines in einem Abgas strang einer Brennkraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators während des Betriebes, wobei im Abgasstrang die Temperatur T und die Luftzahl λ gemessen wird, wobei die Zeitdauer t₁ jeder auftretenden Tem peratur T ermittelt und ein Korrekturfaktor K für die Basisspeicherkapazität NK₀ an NO_x in Abhängigkeit der zeitlich gewichteten Temperaturen T(t₁) be stimmt und eine relative Speicherkapazität NK des NO_x-Speicherkatalysa tors als Funktion des Korrekturfaktors K und der Basisspeicherkapazität NK berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer t₂ jeder auf tretenden Luftzahl λ ermittelt wird, und der Korrekturfaktor K auch in Ab hängigkeit der zeitlich gewichteten Luftzahlen λ(t₂) bestimmt wird, und dass die relative NO_x-Speicherkapazität NK entsprechend der durch den Korrekturfaktor K ausgedrückten thermischen- und/oder Oxidationsalterung adaptiv nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempera tur T im Abgasstrang stromaufwärts des Speicherkatalysators gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine NO_X-Regenerierung des NO_x- Speicherkatalysators durchgeführt wird, sobald die Beladung des NO_X-Spei cherkatalysators einen entsprechenden Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Beladung in Abhängigkeit des Alterungszustandes aufgrund der relativen Speicherkapazität NK bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der zeitlich gewichteten Temperaturen T(t₁) und der zeitlich gewichteten Luftzahlen λ(t₂) kontinuierlich oder in diskreten Zeitabschnitten ein integraler Korrekturfaktor K(t) für die bisherige Betriebszeit t bestimmt wird, wobei vorzugsweise gilt:
wobei a₁ und a₂ Wichtungsfaktoren für die thermische Alterung A_T und die Oxidationsalterung A₀ sind.