DE10114456A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Koordination von abgasrelevanten MaßnahmenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest ein NO¶x¶-Speicherkatalysator angeordnet ist und bei dem mit Hilfe einer Mess-, Auswerte- und Steuereinrichtung ein Katalysatorzustand ermittelt wird und in Abhängigkeit vom Katalysatorzustand DOLLAR A - eine NO¶x¶-Regeneration oder DOLLAR A - eine Entschwefelung oder DOLLAR A - eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder DOLLAR A - ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder DOLLAR A - eine Fehleranzeige DOLLAR A als abgasrelevante Maßnahme eingeleitet wird, wobei eine Auswahl der Maßnahmen vom Erfolg der vorhergehenden Maßnahmen abhängt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Koordination von
abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest ein NOx-
Speicherkatalysator angeordnet ist, mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche genannten Merkmalen.
Während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der
Verbrennungskraftmaschine entstehen in unterschiedlichen Anteilen Schadstoffe, wie
Stickoxide NOx, unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid
CO. Zur Minderung einer Schadstoffemission sind einerseits motorische Maßnahmen
und andererseits abgasseitige Maßnahmen bekannt.
Motorische Maßnahmen beruhen insbesondere auf einer Beeinflussung des Luft-
Kraftstoff-Gemisches. So kann durch eine gezielte Regelung der Luftströme sowohl ein
absoluter als auch ein relativer Massenstrom der einzelnen Schadstoffe beeinflusst
werden. Besteht beispielsweise ein Sauerstoffüberschuss während der Verbrennung
(< 1), so sind die Reduktionsmittel CO und HC im Abgas gemindert. Auf der anderen
Seite steigt eine NOx-Emission an. In einem stöchiometrischen Betrieb (= 1) liegen
zwar theoretisch Luft-Kraftstoff-Verhältnisse vor, bei denen eine gerade vollständige
Verbrennung zu erwarten ist, jedoch treten in der Realität trotzdem erhebliche
Schadstoffemissionen auf. Motorische Maßnahmen der geschilderten Art führen jedoch
nicht nur zu einer Änderung der Abgaszusammensetzung, sondern haben auch einen
erheblichen Einfluss auf Leistung und Kraftstoffverbrauch. So kann eine
direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine besonders verbrauchsgünstig in einem
mageren Schichtbetrieb bei einem Lambdawert zwischen zirka 1,8 und 3 betrieben
werden. Daher besteht das Bedürfnis, derartige Verbrennungskraftmaschine möglichst
lange in dieser Betriebsart verweilen zu lassen.
Abgasseitig sehen die emissionsmindernden Maßnahmen insbesondere einen Einbau
einer Abgasreinigungsanlage vor. Die Abgasreinigungsanlage umfasst dabei
Katalysatoren, die von dem Abgas durchströmt werden und die eine Konvertierung der
Schadstoffe in weniger umweltrelevante Produkte unterstützen. So kann einerseits
durch Oxidationskatalysatoren die vollständige Verbrennung der Reduktionsmittel CO
und HC bewirkt werden, während an Reduktionskatalysatoren das NOx mit den
Reduktionsmitteln CO, HC zu Stickstoff reduziert wird. Eine nahezu vollständige
Konvertierung der drei genannten Schadstoffkomponenten ist allerdings nur dann
möglich, wenn deren Verhältnis annähernd stöchiometrisch ist, das heißt die
Verbrennungskraftmaschine sich in einem stöchiometrischen Betriebspunkt befindet.
Um dennoch an einen verbrauchsgünstigen Magerbetrieb zu ermöglichen, können
sogenannte NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden. Die NOx-
Speicherkatalysatoren weisen neben einer Katalysatorkomponente eine NOx-
Speicherkomponente auf, die in Phasen magerer Atmosphäre NOx als Nitrat absorbiert.
Der NOx-Speicher besitzt naturgemäß eine endliche Speicherkapazität, so dass in
regelmäßigen Abständen eine NOx-Regeneration eingeleitet werden muss. Diese erfolgt
durch einen temporären Wechsel in stöchiometrische oder fette Atmosphäre.
Bei einer Verbrennung schwefelhaltiger Luft-Kraftstoff-Gemische in magerer
Atmosphäre entstehen neben dem NOx auch Schwefeloxide SOx. Diese werden
ebenfalls von der Speicherkomponente absorbiert. Eine Entschwefelung erfordert
allerdings wesentlich höhere Temperaturen, so dass häufig zusätzliche Heizmaßnahmen
ergriffen werden müssen.
Weiterhin ist bekannt, die Entschwefelung unter bestimmten Bedingungen in einer
besonders drastischen Art und Weise durchzuführen, nämlich immer dann, wenn
vorhergehende Entschwefelungen erfolglos geblieben sind. Eine Hochtemperatur-
Entschwefelung kann im gesamten Lebenszyklus eines NOx-Speicherkatalysators
jedoch nur wenige Male durchgeführt werden, da es hier zu einer erheblichen
thermischen Belastung der Speicher- als auch der Katalysatorkomponenten kommt.
Hieraus können sich irreversible thermische Schädigungen ergeben.
Nachteilig an dem geschilderten Stand der Technik ist, dass jeweils nur einzelne
abgasrelevante Maßnahmen ergriffen werden. Eine Abstimmung der einzelnen
Maßnahmen mit Hinsicht auf eine möglichst lange Betriebsdauer des NOx-
Speicherkatalysators in Vollfunktion oder zumindest Teilfunktion seiner
Katalysatorkomponente ist aber angestrebt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest ein NOx
Speicherkatalysator angeordnet ist, zur Verfügung zu stellen, mittels denen die
Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten
Merkmalen gelöst. Gemäß dem Verfahren wird mit Hilfe einer Mess-, Auswerte- und
Steuereinrichtung ein Katalysatorzustand ermittelt. In Abhängigkeit vom
Katalysatorzustand wird
- - eine NOx-Regeneration oder
- - eine Entschwefelung oder
- - eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder
- - ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder
- - eine Fehleranzeige
als abgasrelevante Maßnahme eingeleitet. Eine Auswahl der Maßnahme hängt vom
Erfolg der vorhergehenden Maßnahmen ab.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
NOx-Abgaskonzentration jeweils vor und/oder nach dem NOx-Speicherkatalysator
ermittelt. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung des NOx-Speicherwirkungsgrades,
aus dem der Katalysatorzustand ermittelt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in Abhängigkeit von
der vor dem NOx-Speicherkatalysator gemessenen NOx-Abgaskonzentration zur
Reduzierung der NOx-Rohemission eine Rückführung des Abgases vorgenommen.
Hiermit ist eine genauere Steuerung der Belastung des NOx-Speicherkatalysators
erreichbar.
Wird die vor dem NOx-Speicherkatalysator gemessene NOx-Abgaskonzentration zur
Diagnose des Zustandes eines im Abgasstrang stromaufwärts des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten Vorkatalysators herangezogen, so ist damit eine
Optimierung des aus Vorkatalysator und NOx-Speicherkatalysator bestehenden
Gesamtsystems erreichbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dazu Mittel, mit denen die vorgenannten
Verfahrensschritte durchführbar sind. So kann beispielsweise die Messeinrichtung einen
NOx-Sensor, Lambdasonden oder dergleichen umfassen. Die Auswerte- und
Steuereinrichtung umfasst zumindest ein Speichermedium, in dem eine Prozedur zur
Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen in digitalisierter Form hinterlegt ist. Als
Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ein zumeist bereits vorhandenes
Motorsteuergerät verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst
die Mess-Auswerte- und Steuereinrichtung je einen stromaufwärts und einen
stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor, wodurch eine
wesentlich höhere Genauigkeit der Katalysatorzustandsbestimmung, insbesondere des
NOx-Speicherwirkungsgrades erreicht werden kann.
Die den Katalysatorzustand charakterisierenden Parameter sind vorzugsweise eine
NOx-Speicherfähigkeit und/oder eine katalytische Aktivität des NOx-
Speicherkatalysators. Diese Größen lassen sich mit Hilfe bekannter Mess- und
Auswerteeinrichtungen ermitteln. Der Erfolg der abgasrelevanten Maßnahmen kann
anhand eines Vergleiches des Katalysatorzustandes vor und nach den Maßnahmen
bestimmt werden.
Die NOx-Regeneration wird immer dann bevorzugt eingeleitet, wenn eine NOx-
Regenerationsnotwendigkeit vorliegt und als vorhergehende Maßnahme
- - eine NOx-Regeneration oder
- - eine Entschwefelung oder
- - eine Hochtemperatur-Entschwefelung
erfolgreich durchgeführt wurde. Die Entschwefelung wird vorzugsweise dann eingeleitet,
wenn eine Entschwefelungsnotwendigkeit vorliegt und eine vorhergehende
Entschwefelung erfolgreich durchgeführt wurde. Sofern die Regenerations- und
Entschwefelungsnotwendigkeiten adaptionsfähig sind, muss nicht auf den Erfolg der
vorhergehenden Maßnahme abgestimmt werden.
Weiterhin wird die Hochtemperatur-Entschwefelung immer dann initiiert, wenn
Entschwefelungsnotwendigkeit besteht, eine vorhergehende Entschwefelung nicht
erfolgreich durchgeführt wurde und eine vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-
Entschwefelungen noch nicht überschritten wurde. Ferner wird der stöchiometrische
Homogenbetrieb dann dauerhaft erzwungen, wenn die vorgegebene Anzahl an
Hochtemperatur-Entschwefelungen überschritten wird. Gleichzeitig mit Aufnahme des
erzwungenen stöchiometrischen Homogenbetriebes kann die Fehleranzeige erfolgen,
beispielsweise indem ein Fehler in einem Fehlerspeicher eines Onboard-Diagnose-
Systems eingetragen wird. Führt selbst die Aufnahme eines Homogenbetriebes nicht zu
einer Minderung der Schadstoffemission, so ist offenbar auch die
Katalysatorkomponente des NOx-Speicherkatalysators beschädigt. Durch eine
entsprechende Fehleranzeige kann auf diesen Zustand hingewiesen werden und
beispielsweise eine umgehende Wartung des Kraftfahrzeuges angefordert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in
den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer direkteinspritzenden
Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang ein NOx-
Speicherkatalysator untergebracht ist, und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen.
Die Fig. 1 zeigt eine direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine 10, wie sie zum
Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt werden kann. Im Abgasstrang 12 der
Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Abgasreinigungsanlage 14 angeordnet, die eine
Reduktion der Emissionen von während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-
Kraftstoff-Gemisches entstehenden Schadstoffen ermöglichen soll. Die
Abgasreinigungsanlage 14 umfasst unter anderem einen Vorkatalysator 16 und einen
NOx-Speicherkatalysator 18, wobei der Vorkatalysator vorzugsweise maximal 30% der
Gesamtkatalysatorvolumens und maximal 5% der Gesamtsauerstoffspeicherkapazität
aufweist. Ferner sind im Abgasstrang 12 mehrere Sensoren angeordnet, die eine
Erfassung von Betriebsparametern, wie eine Abgaszusammensetzung, eine
Abgastemperatur, die Temperaturen der einzelnen Komponenten der
Abgasreinigungsanlage 14 oder die Konzentrationen einzelner Schadstoffe im Abgas,
ermöglichen. Eine derartige Messeinrichtung umfasst dazu beispielsweise eine vordere
und eine hintere Lambdasonde 20, 22, Temperaturfühlern 24, 37 und einen NOx-Sensor
26, der auch eine Messeinrichtung zur Messung eines O2-Sprungsignals oder eines
stetigen O2-Signals aufweisen kann. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
ist stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 18 ein weiterer NOx-Sensor 26,
vorzugsweise unmittelbar nach dem Vorkatalysator 16 oder unmittelbar vor dem NOx-
Speicherkatalysator 18 im Abgasstrang 12 angeordnet. Optional kann auch ein
Temperaturfühler 37 in NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet sein.
Die an der Messeinrichtung anliegenden Signale werden an eine Auswerteeinrichtung
übermittelt. Die Auswerteeinrichtung kann ein Motorsteuergerät 28 sein und dient
gleichzeitig einer Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10. Dazu sind in dem
Motorsteuergerät 28 entsprechende Prozeduren in digitalisierter Form hinterlegt, deren
Ausführung zur Vorgabe von Steuerungsgrößen für den Verbrennungsvorgang
beeinflussende Komponenten führt. Diese Komponenten umfassen beispielsweise eine
Abgasrückführeinrichtung 30 oder eine Drosselklappe 32 in einem Saugrohr 34 der
Verbrennungskraftmaschine 10. Bevorzugt werden dabei 10-30% Anteil des
Gesamtausgangmassenstrang zurückgeführt, womit die NOx Belastung des NOx-
Speicherkatalysators 18 reduziert werden kann. Ferner kann durch ein hier nicht näher
dargestelltes Einspritzsystem ein Zündwinkel und eine Einspritzmenge variiert werden.
Mit Hilfe des Einspritzsystems ist es außerdem möglich, eine Verteilung des Luft-
Kraftstoff-Gemisches im Zylinder zu beeinflussen, so dass einerseits homogene Luft-
Kraftstoff-Gemische erzeugt werden können und andererseits in einem sogenannten
Schichtbetrieb ein inhomogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitgestellt werden kann.
Derartige, den Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10 beeinflussende
Komponenten sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher
an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gegenstand des vorliegenden Verfahrens ist die Koordination von abgasrelevanten
Maßnahmen, um eine Gesamtemission an Schadstoffen zu mindern. Dabei sollen
jedoch nach Möglichkeit leistungs- und kraftstoffverbrauchsrelevante Aspekte
berücksichtigt werden. So ist es angestrebt, die Verbrennungskraftmaschine 10
möglichst lange in einem verbrauchsgünstigen mageren Schichtbetrieb zu fahren.
Weiterhin soll möglichst lange auf aufwendige Wartungsmaßnahmen der
Abgasreinigungsanlage 14 verzichtet werden.
Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem NOx-Speicherkatalysator 18
im Abgasstrang 12 erfordert eine Vielzahl zusätzlicher abgasrelevanter Maßnahmen.
Der NOx-Speicherkatalysator 18 besteht aus einer Speicherkomponente und einer
Katalysatorkomponente. Die Speicherkomponente absorbiert das während des
Verbrennungsvorganges des Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehende NOx, sofern
magere Bedingungen herrschen. Aufgrund einer gegebenen endlichen
Speicherkapazität muss in regelmäßigen Abständen ein Wechsel in den
stöchiometrischen oder fetten Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10
erfolgen. Unter diesen Bedingungen wird das absorbierte NOx wieder desorbiert und an
der Katalysatorkomponente mit den Reduktionsmitten CO und HC konvertiert (NOx-
Regeneration).
Da die in der Regel eingesetzten Kraftstoffe schwefelhaltig sind, bilden sich in magerer
Atmosphäre Schwefeloxide SOx, die ebenfalls vom NOx-Speicherkatalysator 18
absorbiert werden. Eine Reversibilität dieses Prozesses (Entschwefelung) erfordert
jedoch wesentlich höhere Temperaturen, als dies während der NOx-Regeneration
notwendig ist. Aus diesem Grunde müssen häufig zusätzliche Heizmaßnahmen
eingeleitet werden, wenn eine Entschwefelungsnotwendigkeit angezeigt wurde.
Führt weder die NOx-Regeneration noch die gegebenenfalls mehrfach durchgeführte
Entschwefelung zu einer befriedigenden Regeneration des NOx-Speicherkatalysators
18, so kann eine Hochtemperatur-Entschwefelung eingeleitet werden. Während der
Hochtemperatur-Entschwefelung mit Temperaturen im Bereich von zirka 750°C - im
Gegensatz zu dem während der normalen Entschwefelung notwendigen 650°C -
können thermisch sehr stabile Schwefelverbindungen, die sich in der Tiefe der
Katalysatorbeschichtung abgelagert haben, entfernt werden. Die Hochtemperatur-
Schwefelregeneration sollte innerhalb eines Katalysatorlebens nur wenige Male
durchgeführt werden. Sie gilt als letzte Möglichkeit, eine NOx-Speicherfähigkeit des
NOx-Speicherkatalysators 18 zu verbessern. Eine häufige Wiederholung bürgt die
Gefahr einer thermischen Katalysatorschädigung und führt zudem zu einem
unverhältnismäßig hohen Kraftstoffverbrauch.
Eine thermische Überlastung im Bereich des NOx-Speicherkatalysators 18 wirkt sich bei
Temperaturen von zirka 850 bis 950°C zunächst im Wesentlichen auf die
Speicherkomponente aus, indem die NOx-Speicherfähigkeit irreversibel verringert wird.
Daneben wird auch ein Temperaturfenster, in dem eine möglichst hohe NOx-
Speicherfähigkeit sichergestellt ist, verkleinert, indem zumeist eine obere
Temperaturgrenze dieses Bereiches zu niedrigeren Temperaturen verschoben wird. Erst
ab Temperaturen von oberhalb zirka 1000°C wird auch die Katalysatorkomponente des
NOx-Speicherkatalysators 18 geschädigt und ein Konvertierungsvermögen (katalytische
Aktivität des NOx-Speicherkatalysators 18) irreversibel gemindert.
Ist die Speicherkomponente irreversibel geschädigt jedoch die Katalysatorkomponente
noch ausreichend funktionstüchtig, so kann durch Aufnahme eines stöchiometrischen
Homogenbetriebes trotzdem noch die Gesamtemission gering gehalten werden. Im
stöchiometrischen Homogenbetrieb sind die Schadstoffmassenströme von
Reduktionsmitteln CO und HC zum NOx größenmäßig derart präsent, dass eine fast
vollständige Konvertierung der Schadstoffkomponenten resultiert (3-Wege-
Konvertierung). Die geschilderten abgasrelevanten Maßnahmen sind in ihrer einzelnen
Durchführung aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle
nicht weiter erläutert.
Eine Abfolge der abgasrelevanten Maßnahmen kann mit Hilfe einer Steuereinheit 36
koordiniert werden. Die Steuereinheit 36 kann Teil des Motorsteuergerätes 28 sein oder
aber auch als selbständige Einheit realisiert werden. In der Steuereinheit 36 sind in
digitalisierter Form Prozeduren hinterlegt, mit denen die abgasrelevanten Maßnahmen
koordiniert werden können. Dazu werden die einen Katalysatorzustand
charakterisierenden Parameter, wie die NOx-Speicherfähigkeit und/oder die Aktivität des
NOx-Speicherkatalysators 18, ermittelt. Die genannten Parameter lassen sich in
bekannter Weise auf Basis der durch die Messeinrichtung bereitgestellten Signale
modellieren. So kann beispielsweise durch den NOx-Sensor 26 die NOx-Konzentration
stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 detektiert werden und daraus auf die aktuelle
NOx-Speicherfähigkeit geschlossen werden. Beim Überschreiten vorgegebener
Grenzwerte kann dann eine abgasrelevante Maßnahme je nach vorliegender
Notwendigkeit initiiert werden.
Durch den stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor 26
kann die NOx-Konzentration stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 18 detektiert
werden. Aus den NOx-Konzentrationen lassen sich die NOx-Massenströme vor und
nach dem NOx-Speicherkatalysator bestimmen, aus denen die NOx-Masse vor und
nach dem NOx-Speicherkatalysator 18 gerechnet werden kann. Hieraus lässt sich der
NOx-Speicherwirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators 18 berechnen, wobei
vorzugsweise noch weitere Betriebsparameter wie die Katalysatortemperatur oder die
Speicherbeladung berücksichtigt werden.
Die abgasrelevanten Maßnahmen können auch die Diagnose des Zustandes des
Vorkatalysators 16 berücksichtigen. Der Vorkatalysator ist vorzugsweise ein
herkömmlicher 3-Wege-Katalysator. Da er motornah angeordnet ist, wird seine
Betriebstemperatur relativ schnell ereicht und ermöglicht damit, eine effiziente
Absenkung von Kaltstartemissionen. In Verbindung mit dem nachgeschalteten NOx-
Speicherkatalysator 18 dient der Vorkatalysator 16 zur Konvertierung der Schadstoffe
CO, HC und NOx. Im Magerbetrieb besteht eine wesentliche Funktion des
Vorkatalysators 16 in der Umwandlung in NO zu NO2, da nur NO2 in den NOx-
Speicherkatalysator 18 eingelagert werden kann. Weitere Funktionen des
Vorkatalysators 16 bestehen in dem Reduktionsmitteltransport zum NOx-
Speicherkatalysator in Fettbetrieb sowie in Puffern von HC-Spitzen bei
Beschleunigungs- und Schubabschaltungsphasen. Für eine koordinative Regelung von
abgasrelevanten Maßnahmen wird daher die NOx-Konzentration von dem hinter dem
Vorkatalysator 10 angeordneten NOx-Sensor 26 detektiert und daraus auch die Funktion
des Vorkatalysators 10 geschlossen.
Die von dem hinter dem Vorkatalysators 10 angeordneten NOx-Sensor 26 gemessenen
Werte der NOx-Konzentration können ferner zur Regelung der Abgasrückführungsraten
mittels der Abgasrückführungseinrichtung 30 herangezogen werden. Insbesondere
ermöglicht die Abgasrückführung 30 eine höhere Flexibilität bei der Regeneration des
NOx-Speicherkatalysators 18, da eine Verminderung der Sauerstoffmenge ohne
Androsselung erreicht werden kann.
Zur Ermittlung der Abgastemperaturen sind die Temperaturfühler 24 und 37,
vorzugsweise unmittelbar vor oder nach dem Vorkatalysator 16 und vor dem NOx-
Speicherkatalysator 18 vorgesehen mit denen eine Überwachung des Vorkatalysators
16 bzw. des Speicherkatalysators 18 erfolgen kann. Der im NOx-Speicherkatalysator 18
angeordnete Temperaturfühler 37 kann ebenso wie der vor diesem angeordnete
Temperaturfühler 24 zur Einstellung der Entschwefelungsparameter und zur
Bestimmung der Katalysatortemperatur für die Katalysatordiagnose eingesetzt werden.
Die Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es für eine solche koordinative Regelung der
abgasrelevanten Maßnahmen festgelegt werden kann. In einem Schritt 101 befindet sich
der NOx-Speicherkatalysator 18 in einem Ausgangszustand, das heißt, es liegt keine
Schwefelbeladung vor, es besteht eine hohe NOx-Speicherfähigkeit und das
Temperaturfenster garantiert eine hohe 3-Wege-Konvertierung.
Nachfolgend ist dann der magere Schichtbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10
freigegeben (Schritt 102). Im Schritt 102 werden laufend die den Katalysatorzustand
charakterisierenden Parameter erfasst und hieraus eine NOx-
Regenerationsnotwendigkeit beziehungsweise Entschwefelungsnotwendigkeit
berechnet. Nach einiger Zeit des NOx-Einspeicherns (zirka 1 bis 2 Minuten) ist die NOx-
Speicherkomponente gefüllt. Dies ist anhand diverser Verfahren mittels der
Lambdasonden 20, 22 und/oder der NOx-Sensoren 26 erkennbar (Schritt 103).
In den Schritten 104 und 105 wird dann eine NOx-Regeneration durchgeführt und
anschließend wieder die NOx-Speicherfähigkeit bestimmt. Die ursprüngliche NOx-
Speicherfähigkeit ist bis auf den Anteil, der durch Schwefelverbindungen blockiert ist,
wieder hergestellt. Zur Absicherung können auch mehrere NOx-Regenerationen
notwendig sein, um die NOx-Speicherfähigkeit, zum Beispiel durch Mittelwertbildung,
ausreichend sicher zu bestimmen.
Im Schritte 106 wird überprüft, ob die Schwefelbeladung zu hoch ist, dass heißt
Entschwefelungsnotwendigkeit besteht. Trifft dies zu, so wird die Entschwefelung
durchgeführt (Schritt 111). Ist die Schwefelbeladung nicht zu hoch, wird die NOx-
Speicherfähigkeit mit einem Schwellenwert verglichen (Schritt 107). Sofern ausreichend,
wird wieder mit dem Magerbetrieb fortgefahren (Schritt 102). Wird jedoch der
Schwellenwert unterschritten, so ist in jedem Falle eine Entschwefelung (Schritt 111)
oder eine Hochtemperatur-Entschwefelung (Schritt 121) notwendig.
Welche Art von Entschwefelung durchgeführt werden muss, wird im Schritt 108
entschieden. Wenn die NOx-Speicherfähigkeit sehr niedrig geworden ist und die
berechnete Schwefelbeladung sehr niedrig ist - insbesondere, wenn die letzte
Entschwefelung erst vor kurzer Zeit stattgefunden hat - wird davon ausgegangen, dass
nur noch durch die Hochtemperatur-Entschwefelung (Schritt 121) Aussicht auf
Wiederherstellung einer ausreichenden NOx-Speicherfähigkeit besteht. Eine solche
Regelung kann in bekannter Weise durch Vorgabe von Schwellenwerten für die NOx-
Speicherfähigkeit beziehungsweise die Schwefelbeladung gesteuert werden.
Vor Einleitung der Hochtemperatur-Entschwefelung wird im Schritt 131 jedoch zunächst
überprüft, ob eine erlaubte Anzahl an Hochtemperatur-Entschwefelungen bereits
überschritten ist. Ist dies zu bejahen, so kann davon ausgegangen werden, dass der
NOx-Speicherkatalysator 18 seine NOx-Speicherfähigkeit irreversibel verloren hat und
dass weder eine NOx-Regeneration noch eine Entschwefelung oder Hochtemperatur-
Entschwefelung zu einer deutlichen Anhebung der NOx-Speicherfähigkeit führen
würden. Eine Fortsetzung des Magerbetriebes würde dann sowohl zu einem hohen
Verbrauch (durch sehr häufige NOx-Regenerationen und Entschwefelungen) als auch
zu unerlaubt hohen NOx-Emissionen führen.
Aufgrund dessen wird im Schritt 132 der Magerbetrieb gesperrt und es wird nur noch der
stöchiometrische Homogenbetrieb zugelassen. Ferner wird ein Fehler "NOx-
Speicherfähigkeit zu niedrig" in einen Fehlerspeicher eines Onboard-Diagnose-Systems
eingetragen. Da jedoch weiterhin die Funktionstüchtigkeit der Katalysatorkomponente
des NOx-Speicherkatalysators 18 gegeben ist, kann im stöchiometrischen
Homogenbetrieb eine hohe Konvertierungsrate sichergestellt werden - allerdings mit
dem Nachteil, dass der Kraftstoffverbrauch ansteigt.
Während des stöchiometrischen Homogenbetriebes (Schritt 133) wird der NOx-
Speicherkatalysator 18 hinsichtlich seiner 3-Wege-Konvertierung überwacht (Schritt
134). Eine NOx-Regeneration und Entschwefelung ist nicht mehr erforderlich, da NOx in
diesem Betriebsmodus nicht gespeichert wird und SOx den für die 3-Wege-
Konvertierung verantwortlichen Beschichtungskomponenten keinen Schaden zufügt und
damit die 3-Wege-Konvertierung nicht beeinträchtigt. Wird die 3-Wege-Konvertierung im
Schritt 135 für zu gering befunden, muss der NOx-Speicherkatalysator 18 endgültig als
defekt eingestuft werden. Im Schritt 136 wird dann ein Katalysatorfehler ("Katalysator
defekt") im Fehlerspeicher abgelegt und eine Fehlerindikationslampe eingeschaltet, um
einem Fahrzeugführer den erforderlichen Katalysatorwechsel anzuzeigen.
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Abgasstrang
14
Abgasreinigungsanlage
16
Vorkatalysator
18
NOx
-Speicherkatalysator
20
Lambdasonde
22
Lambdasonde
24
Temperaturfühler
26
NOx
-Sensor
28
Motorsteuergerät
30
Abgasrückführeinrichtung
32
Drosselklappe
34
Saugrohr
36
Steuereinheit
37
Temperaturfühler
Claims (20)
1. Verfahren zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer
direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest
ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, und bei dem mit Hilfe einer Mess-,
Auswerte- und Steuereinrichtung ein Katalysatorzustand ermittelt wird und in
Abhängigkeit vom Katalysatorzustand
- - eine NOx-Regeneration oder
- - eine Entschwefelung oder
- - eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder
- - ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder
- - eine Fehleranzeige
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den
Katalysatorzustand charakterisierenden Parameter eine NOx-Speicherfähigkeit
und/oder eine Aktivität des NOx-Speicherkatalysators umfassen, die durch die
Mess-, Auswerte- und Steuereinrichtung ermittelt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Erfolg der abgasrelevanten Maßnahmen anhand des Katalysatorzustandes vor und
nach den Maßnahmen ermittelt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-
Abgaskonzentration vor und/oder nach dem NOx-Speicherkatalysator ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
NOx-Regeneration eingeleitet wird, wenn eine NOx-Regenerationsnotwendigkeit
vorliegt und als vorhergehende Maßnahme
- - eine NOx-Regeneration oder
- - eine Entschwefelung oder
- - eine Hochtemperatur-Entschwefelung
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Entschwefelung eingeleitet wird, wenn eine Entschwefelungsnotwendigkeit vorliegt
und eine vorhergehende Entschwefelung erfolgreich durchgeführt wurde.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Hochtemperatur-Entschwefelung eingeleitet wird, wenn die
Entschwefelungsnotwendigkeit vorliegt, eine vorhergehende Entschwefelung nicht
erfolgreich durchgeführt wurde und eine vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-
Entschwefelungen noch nicht überschritten wurde.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
stöchiometrische Homogenbetrieb immer dann dauerhaft erzwungen wird, wenn die
vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-Entschwefelungen überschritten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in
Abhängigkeit von der vor dem NOx-Speicherkatalysator gemessenen NOx-
Abgaskonzentration zur Reduzierung der NOx-Rohemission eine Rückführung des
Abgases erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
vor dem NOx-Speicherkatalysator gemessene NOx-Abgaskonzentration zur
Diagnose des Zustandes eines im Abgasstrang stromaufwärts des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten Vorkatalysators herangezogen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Fehleranzeige erfolgt, wenn der stöchiometrische Homogenbetrieb dauerhaft
erzwungen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Fehleranzeige erfolgt, wenn der stöchiometrische Homogenbetrieb als
abgasrelevante Maßnahme nicht erfolgreich ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Fehleranzeige durch Eintragung eines Fehlers in einen Fehlerspeicher eines
Onboard-Diagnose-Systems erfolgt.
14. Vorrichtung zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer
direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest
ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, wobei die Vorrichtung eine Mess-,
Auswerte- und Steuereinrichtung umfasst, mit der ein Katalysatorzustand ermittelt
wird und bei der Mittel vorhanden sind, mit denen in Abhängigkeit vom
Katalysatorzustand
- - eine NOx-Regeneration oder
- - eine Entschwefelung oder
- - eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder
- - ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder
- - eine Fehleranzeige
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-, Auswert-
und Steuereinrichtung einen stromaufwärts und/oder einen stromabwärts des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärts
angeordnete NOx-Sensor unmittelbar vor dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet
ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ggf. dem
NOx-Speicherkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysator der stromaufwärts
angeordneter NOx-Sensor unmittelbar nach dem Vorkatalysator angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
einer oder beide NOx-Sensoren zusätzlich eine Messeinrichtung zur Messung eines
Sauerstoffsprungsignal und/oder eines stetigen Sauerstoffsignals aufweisen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils stromaufwärts und stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators
Temperaturfühler angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass
vorzugsweise unmittelbar vor oder nach einem ggf. dem NOx-Speicherkatalysator
vorgeschalteten Vorkatalysator Temperaturfühler angeordnet sind.
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