DE10114456B4

DE10114456B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen

Info

Publication number: DE10114456B4
Application number: DE10114456A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Drückhammer; Hermann Hahn; Ekkehard Dr. Pott; Axel Lang; Frank Schulze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-03-24
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2021-03-25
Also published as: FR2807473B1; FR2807473A1; DE10114456A1

Abstract

Verfahren 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
– eine NO_x-Regeneration oder
– eine Entschwefelung oder
– eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder
– ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder
– eine Fehleranzeige
als abgasrelevante Maßnahme eingeleitet wird, wobei eine Auswahl der Maßnahme vom Erfolg der vorhergehenden Maßnahmen abhängt, wobei 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 und der stöchiometrische Homogenbetrieb immer dann dauerhaft erzwungen wird, wenn die vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-Entschwefelungen überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest ein NO_x-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 NO_x, 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 NO_x-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 NO_x 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 NO_x-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden. Die NO_x-Speicherkatalysatoren weisen neben einer Katalysatorkomponente eine NO_x-Speicherkomponente auf, die in Phasen magerer Atmosphäre NO_x als Nitrat absorbiert. Der NO_x-Speicher besitzt naturgemäß eine endliche Speicherkapazität, so dass in regelmäßigen Abständen eine NO_x-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 NO_x auch Schwefeloxide SO_x 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 NO_x-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.
DE 198 23 921 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung des Wirkungsgrades eines NO_x-Speicherkatalysators. Bei Unterschreiten eines Schwellenwertes für die Speicherkapazität erfolgt eine Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators. Wird nach einer solchen Entschwefelung eine unzureichende Speicherkapazität festgestellt, so wird ein defekter NO_x-Speicherkatalysators angezeigt und die Brennkraftmaschiene gegebenenfalls mit einem stöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben.
In der nachveröffentlichten DE 100 01 432 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung der Entschwefelung anhand der NO_x-Aktivität eines NO_x-Speicherkatalysators beschrieben.
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 NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Regeneration oder
– eine Entschwefelung oder
– eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder
– ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder
– eine Fehleranzeige

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die NO_x-Abgaskonzentration jeweils vor und/oder nach dem NO_x-Speicherkatalysator ermittelt. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung des NO_x-Speicherwirkungsgrades, aus dem der Katalysatorzustand ermittelt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in Abhängigkeit von der vor dem NO_x-Speicherkatalysator gemessenen NO_x-Abgaskonzentration zur Reduzierung der NO_x-Rohemission eine Rückführung des Abgases vorgenommen. Hiermit ist eine genauere Steuerung der Belastung des NO_x-Speicherkatalysators erreichbar.
Wird die vor dem NO_x-Speicherkatalysator gemessene NO_x-Abgaskonzentration zur Diagnose des Zustandes eines im Abgasstrang stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten Vorkatalysators herangezogen, so ist damit eine Optimierung des aus Vorkatalysator und NO_x-Speicherkatalysator bestehenden Gesamtsystems erreichbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dazu Mittel, mit denen die vorgenannten Verfahrensschritte durchführbar sind. So kann beispielsweise die Messeinrichtung einen NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators angeordneten NO_x-Sensor, wodurch eine wesentlich höhere Genauigkeit der Katalysatorzustandsbestimmung, insbesondere des NO_x-Speicherwirkungsgrades erreicht werden kann.
Die den katalysatorzustand charakterisierenden Parameter sind vorzugsweise eine NO_x-Speicherfähigkeit und/oder eine katalytische Aktivität des NO_x-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 NO_x-Regeneration wird immer dann bevorzugt eingeleitet, wenn eine NO_x-Regenerationsnotwendigkeit vorliegt und als vorhergehende Maßnahme

– eine NO_x-Regeneration oder
– eine Entschwefelung oder
– eine Hochtemperatur-Entschwefelung

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 NO_x-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:
1 eine schematische Prinzipdarstellung einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang ein NO_x-Speicherkatalysator untergebracht ist, und
2 ein Ablaufdiagramm zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen.
Die 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 NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators 18 ein weiterer NO_x-Sensor 26, vorzugsweise unmittelbar nach dem Vorkatalysator 16 oder unmittelbar vor dem NO_x-Speicherkatalysator 18 im Abgasstrang 12 angeordnet. Optional kann auch ein Temperaturfühler 37 in NO_x-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 NO_x-Belastung des NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysator 18 im Abgasstrang 12 erfordert eine Vielzahl zusätzlicher abgasrelevanter Maßnahmen. Der NO_x-Speicherkatalysator 18 besteht aus einer Speicherkomponente und einer Katalysatorkomponente. Die Speicherkomponente absorbiert das während des Verbrennungsvorganges des Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehende NO_x, 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 NO_x wieder desorbiert und an der Katalysatorkomponente mit den Reduktionsmitten CO und HC konvertiert (NO_x-Regeneration).
Da die in der Regel eingesetzten Kraftstoffe schwefelhaltig sind, bilden sich in magerer Atmosphäre Schwefeloxide SO_x, die ebenfalls vom NO_x-Speicherkatalysator 18 absorbiert werden. Eine Reversibilität dieses Prozesses (Entschwefelung) erfordert jedoch wesentlich höhere Temperaturen, als dies während der NO_x-Regeneration notwendig ist. Aus diesem Grunde müssen häufig zusätzliche Heizmaßnahmen eingeleitet werden, wenn eine Entschwefelungsnotwendigkeit angezeigt wurde.
Führt weder die NO_x-Regeneration noch die gegebenenfalls mehrfach durchgeführte Entschwefelung zu einer befriedigenden Regeneration des NO_x-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 NO_x-Speicherfähigkeit des NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators 18 wirkt sich bei Temperaturen von zirka 850 bis 950°C zunächst im Wesentlichen auf die Speicherkomponente aus, indem die NO_x-Speicherfähigkeit irreversibel verringert wird. Daneben wird auch ein Temperaturfenster, in dem eine möglichst hohe NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators 18 geschädigt und ein Konvertierungsvermögen (katalytische Aktivität des NO_x-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 NO_x 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 selbstständige 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 NO_x-Speicherfähigkeit und/oder die Aktivität des NO_x-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 NO_x-Sensor 26 die NO_x-Konzentration stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 detektiert werden und daraus auf die aktuelle NO_x-Speicherfähigkeit geschlossen werden. Beim Überschreiten vorgegebener Grenzwerte kann dann eine abgasrelevante Maßnahme je nach vorliegender Notwendigkeit initiiert werden.
Durch den stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten NO_x-Sensor 26 kann die NO_x-Konzentration stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 18 detektiert werden. Aus den NO_x-Konzentrationen lassen sich die NO_x-Massenströme vor und nach dem NO_x-Speicherkatalysator bestimmen, aus denen die NO_x-Masse vor und nach dem NO_x-Speicherkatalysator 18 gerechnet werden kann. Hieraus lässt sich der NO_x-Speicherwirkungsgrad des NO_x-Speicherktalaysators 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 NO_x-Speicherkatalysator 18 dient der Vorkatalysator 16 zur Konvertierung der Schadstoffe CO, HC und NO_x. Im Magerbetrieb besteht eine wesentliche Funktion des Vorkatalysators 16 in der Umwandlung in NO zu NO₂, da nur NO₂ in den NO_x-Speicherkatalysator 18 eingelagert werden kann. Weitere Funktionen des Vorkatalysators 16 bestehen in dem Reduktionsmitteltransport zum NO_x-Speicherkatalysator in Fettbetrieb sowie in Puffern von HC-Spitzen bei Beschleunigungs- und Schubabschaltungsphasen. Für eine koordinative Regelung von abgasrelevanten Maßnahmen wird daher die NO_x-Konzentration von dem hinter dem Vorkatalysator 10 angeordneten NO_x-Sensor 26 detektiert und daraus auch die Funktion des Vorkatalysators 10 geschlossen.
Die von dem hinter dem Vorkatalysators 10 angeordneten NO_x-Sensor 26 gemessenen Werte der NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysator 18 vorgesehen mit denen eine Überwachung des Vorkatalysators 16 bzw. des Speicherkatalysators 18 erfolgen kann. Der im NO_x-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 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es für eine solche koordinative Regelung der abgasrelevanten Maßnahmen festgelegt werden kann. In einem Schritt 101 befindet sich der NO_x-Speicherkatalysator 18 in einem Ausgangszustand, das heißt, es liegt keine Schwefelbeladung vor, es besteht eine hohe NO_x-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 NO_x-Regenerationsnotwendigkeit beziehungsweise Entschwefelungsnotwendigkeit berechnet. Nach einiger Zeit des NO_x-Einspeicherns (zirka 1 bis 2 Minuten) ist die NO_x-Speicherkomponente gefüllt. Dies ist anhand diverser Verfahren mittels der Lambdasonden 20, 22 und/oder der NO_x-Sensoren 26 erkennbar (Schritt 103).
In den Schritten 104 und 105 wird dann eine NO_x-Regeneration durchgeführt und anschließend wieder die NO_x-Speicherfähigkeit bestimmt. Die ursprüngliche NO_x-Speicherfähigkeit ist bis auf den Anteil, der durch Schwefelverbindungen blockiert ist, wieder hergestellt. Zur Absicherung können auch mehrere NO_x-Regenerationen notwendig sein, um die NO_x-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 NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Speicherfähigkeit besteht. Eine solche Regelung kann in bekannter Weise durch Vorgabe von Schwellenwerten für die NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysator 18 seine NO_x-Speicherfähigkeit irreversibel verloren hat und dass weder eine NO_x-Regeneration noch eine Entschwefelung oder Hochtemperatur-Entschwefelung zu einer deutlichen Anhebung der NO_x-Speicherfähigkeit führen würden. Eine Fortsetzung des Magerbetriebes würde dann sowohl zu einem hohen Verbrauch (durch sehr häufige NO_x-Regenerationen und Entschwefelungen) als auch zu unerlaubt hohen NO_x-Emissionen führen.
Aufgrund dessen wird im Schritt 132 der Magerbetrieb gesperrt und es wird nur noch der stöchiometrische Homogenbetrieb zugelassen. Ferner wird ein Fehler ”NO_X-Speicherfähigkeit zu niedrig” in einen Fehlerspeicher eines Onboard-Diagnose-Systems eingetragen. Da jedoch weiterhin die Funktionstüchtigkeit der Katalysatorkomponente des NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysator 18 hinsichtlich seiner 3-Wege-Konvertierung überwacht (Schritt 134). Eine NO_x-Regeneration und Entschwefelung ist nicht mehr erforderlich, da NO_x in diesem Betriebsmodus nicht gespeichert wird und SO_x 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 NO_x-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.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgasstrang
14: Abgasreinigungsanlage
16: Vorkatalysator
18: NO_x-Speicherkatalysator
20: Lambdasonde
22: Lambdasonde
24: Temperaturfühler
26: NO_x-Sensor
28: Motorsteuergerät
30: Abgasrückführeinrichtung
32: Drosselklappe
34: Saugrohr
36: Steuereinheit
37: Temperaturfühler

Claims

Verfahren 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 – eine NO_x-Regeneration oder – eine Entschwefelung oder – eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder – ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder – eine Fehleranzeige als abgasrelevante Maßnahme eingeleitet wird, wobei eine Auswahl der Maßnahme vom Erfolg der vorhergehenden Maßnahmen abhängt, wobei 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 und der stöchiometrische Homogenbetrieb immer dann dauerhaft erzwungen wird, wenn die vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-Entschwefelungen überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Katalysatorzustand charakterisierenden Parameter eine NO_x-Speicherfähigkeit und/oder eine Aktivität des NO_x-Speicherkatalysators umfassen, die durch die Mess-, Auswerte- und Steuereinrichtung ermittelt werden.
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.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Abgaskonzentration vor und/oder nach dem NO_x-Speicherkatalysator ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Regeneration eingeleitet wird, wenn eine NO_x-Regenerationsnotwendigkeit vorliegt und als vorhergehende Maßnahme – eine NO_x-Regeneration oder – eine Entschwefelung oder – eine Hochtemperatur-Entschwefelung erfolgreich durchgeführt wurde.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der vor dem NO_x-Speicherkatalysator gemessenen NO_x-Abgaskonzentration zur Reduzierung der NO_x-Rohemission eine Rückführung des Abgases erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vor dem NO_x-Speicherkatalysator gemessene NO_x-Abgaskonzentration zur Diagnose des Zustandes eines im Abgasstrang stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten Vorkatalysators herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehleranzeige erfolgt, wenn der stöchiometrische Homogenbetrieb dauerhaft erzwungen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehleranzeige erfolgt, wenn der stöchiometrische Homogenbetrieb als abgasrelevante Maßnahme nicht erfolgreich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehleranzeige durch Eintragung eines Fehlers in einen Fehlerspeicher eines Onboard-Diagnose-Systems erfolgt.
Vorrichtung zur Koordination von abgasrelevanten Maßnahmen bei einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang zumindest ein NO_x-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 NO_x-Regeneration oder – eine Entschwefelung oder – eine Hochtemperatur-Entschwefelung oder – ein stöchiometrischer Homogenbetrieb oder – eine Fehleranzeige als abgasrelevante Maßnahme eingeleitet wird, wobei eine Auswahl der Maßnahme vom Erfolg der vorhergehenden Maßnahmen abhängt und wobei 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 und der stöchiometrische Homogenbetrieb immer dann dauerhaft erzwungen wird, wenn die vorgegebene Anzahl von Hochtemperatur-Entschwefelungen überschritten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Auswert- und Steuereinrichtung einen stromaufwärts und/oder einen stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten NO_x-Sensor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärts angeordnete NO_x-Sensor unmittelbar vordem NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ggf. dem NO_x-Speicherkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysator der stromaufwärts angeordneter NO_x-Sensor unmittelbar nach dem Vorkatalysator angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder beide NO_x-Sensoren zusätzlich eine Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffsprungsignal und/oder eines stetigen Sauerstoffsignals aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils stromaufwärts und stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators Temperaturfühler angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise unmittelbar vor oder nach einem ggf. dem NO_x-Speicherkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysator Temperaturfühler angeordnet sind.