DE10125759B4

DE10125759B4 - Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines NOx-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE10125759B4
Application number: DE10125759A
Authority: DE
Inventors: Sören Hinze; Hermann Hahn; Michael Kröger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2021-05-19
Also published as: DE10125759A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines in einem Abgaskanal (18) einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NOx-Speicherkatalysators (22), der unter einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 Stickoxide (NOx) bindet und unter einer fetten oder stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda ≤ 1 wieder freisetzt, wobei – eine stromab des NOx-Speicherkatalysators (22) vorliegende, gemessene oder modellierte Konzentration von Reduktionsmitteln im Abgas oder eine von der Konzentration abgeleitete Größe bestimmt wird, – im Bereich λ < 1 ein Reduktionsmitteldurchbruch festgestellt wird, – in Abhängigkeit von dem Reduktionsmitteldursator (22) bestimmt wird und – der Beladungszustand unter Berücksichtigung des NOx-Austrages aus dem NOx-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2.
Zur Senkung eines Kraftstoffverbrauchs werden heutige Verbrennungskraftmaschinen über möglichst weite Betriebsbereiche in einem mageren Betriebsmodus betrieben, das heißt mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Luftüberschuss und einem Lambdawert λ > 1. Im Falle von Verbrennungskraftmaschinen, die über eine Kraftstoffdirekteinspritzung verfügen, können durch Realisierung eines so genannten Schichtladebetriebes, bei dem der eingespritzte Kraftstoff sich zum Zündzeitpunkt im Wesentlichen im Bereich einer Zündkerze eines Zylinders konzentriert, besonders magere Luft-Kraftstoff-Gemische und damit besonders hohe Verbrauchsvorteile dargestellt werden. Ein gewisses Problem des mageren Betriebsmodus stellen bekanntlich Stickoxide (NO_x) des Abgases dar, die sich aufgrund des Sauerstoffüberschusses im mageren Abgas an herkömmlichen Oxidations- oder 3-Wege-Katalysatoren nicht vollständig zu umweltneutralem Stickstoff (N₂) umsetzen lassen. Zur Überwindung dieses Problems ist bekannt, NO_x-Speicherkatalysatoren einzusetzen, die neben einer 3-Wege-katalytischen Komponente eine NO_x-Speicherkomponente aufweisen, welche im mageren Abgas NO_x in Form von Nitrat (NO₃ ^–) absorbiert. Zum Zwecke einer NO_x-Regeneration der Speicherkomponente werden NO_x-Speicherkatalysatoren im diskontinuierlichen Betrieb alternierend mit magerem und fettem Abgas beaufschlagt, wobei in den fetten Regenerationsintervallen im Magerbetrieb eingelagertes NO_x freigesetzt und reduziert wird. Diese aufgrund einer endlichen NO_x-Speicherkapazität eines Speicherkatalysators erforderlichen fetten Betriebsintervalle führen allerdings zu einer teilweisen Kompensation des im Magerbetrieb erzielten Verbrauchsvorteils.
Zur Überwachung eines Zustandes des NO_x-Speicherkatalysators, insbesondere seines Beladungszustandes, sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise werden stromab des Speicherkatalysators angeordnete NO_x-Sensoren eingesetzt, um während des Magerbetriebs einen NO_x-Durchbruch und damit eine erschöpfte NO_x-Speicherkapazität des Katalysators zu erkennen und seine Regeneration einzuleiten. Es ist ferner bekannt, die Regeneration des Speicherkatalysators durch Messung eines Sauerstoffgehaltes des Abgases stromab des Katalysators, beispielsweise mit einer nachgeschalteten Lambdasonde, zu überwachen. Üblicherweise wird hierbei die Regeneration beendet und in den Magerbetrieb umgeschaltet, spätestens sobald eine fette Abgasatmosphäre, das heißt ein Durchbruch von im Abgas enthaltenen Reduktionsmitteln, wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂), detektiert wird. Dabei wird von einer vollständigen NO_x-Regeneration des Speicherkatalysators und Wiederherstellung seiner Speicherkapazität ausgegangen, wenn die im Abgas vorhandenen Reduktionsmittel nicht mehr vollständig zur Konvertierung des eingelagerten NO_x verbraucht werden.
Es hat sich jedoch erwiesen, dass durch das letztgenannte Verfahren der Beladungszustand des NO_x-Speicherkatalysators nur ungenügend beschrieben wird. Insbesondere werden bei länger anhaltender Beaufschlagung des Katalysators mit einer fetten Abgasatmosphäre auch nach dem ersten Durchbruch von Reduktionsmitteln höhere Speicherkapazitäten wiedergewonnen, als bei sofortigem Abbruch der Regeneration. Da bisherige Verfahren solche Effekte nicht berücksichtigen, liefern sie ungenaue Ergebnisse.
WO 98/55742 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators, bei dem eine optimale Menge benötigten Regenerationsmittels bestimmt werden soll. Hierfür wird während der Regeneration das Ausgangssignal einer dem Speicherkatalysator nachgeschalteten Lambdasonde erfasst und ausgewertet. Im Einzelnen wird ein integraler Flächenwert des Lambdasignals beginnend vom Umschalten des Verbrennungsmotors von einem mageren auf einen fetten Lambdawert bis zum Erreichen eines Schwellenwerts des Sondensignals ermittelt. Ein zweiter integraler Flächenwert des Signals wird beginnend mit dem Überschreiten des Schwellenwerts bis zum erneuten Unterschreiten desselben ermittelt. Die Integration erfolgt jeweils durch Ermittlung der Fläche unterhalb des Signals bis zu einer Sondenspannung von 0 V. Die so ermittelten integralen Flächenwerte werden sodann mit vorbestimmten Schwellenwerten verglichen. Die optimale Regenerationsmittelmenge liegt dann vor, wenn der erste Flächenwert größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist und gleichzeitig der zweite Flächenwert zwischen zwei weiteren vorbestimmten Schwellenwerten liegt. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, wird die Reduktionsmittelmenge späterer Regenerationen entsprechend angepasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung eines quantitativen Beladungszustandes eines NO_x-Speicherkatalysators zur Verfügung zu stellen, welches den Katalysatorzustand gegenüber dem Stand der Technik mit einer höheren Genauigkeit beschreibt. Das Verfahren sollte ferner mit möglichst geringem Prozessaufwand in bestehenden Motorsteuerungen applizierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.
Dadurch, dass der NO_x-Austrag in Abhängigkeit einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators vorliegenden, gemessenen oder modellierten Konzentration von Reduktionsmitteln im Abgas – im Folgenden Reduktionsmitteldurchbruch genannt – oder einer von der Reduktionsmittelkonzentration abgeleiteten Größe bestimmt wird, wird auch der NO_x-Austrag aus NO_x-Speicherplätzen des NO_x-Speicherkatalysators berücksichtigt, die gespeicherte Stickoxide (NO_x) nur sehr langsam freisetzen und konvertieren. Somit kann ein der Beladungszustand des NO_x-Speicherkatalysators unter Berücksichtigung des Gesamt-NO_x-Austrages aus dem NO_x-Speicherkatalysator und – gemäß Anspruch 2 – eines gemessenen oder modellierten NO_x-Eintrages in den NO_x-Speicherkatalysator mit einer höheren Genauigkeit gegenüber gegenwärtigen Strategien erzielt werden. Dabei wird hier unter NO_x-Austrag eine Entleerung der Speicherplätze verstanden, unabhängig nach welchem Mechanismus die Entleerung funktioniert und in welcher chemischen Form die zunächst in Form von Nitrat absorbierten Stickoxide NO_x aus den Speicherkatalysator ausgetragen werden.
Eine besonders hohe Genauigkeit des Verfahrens ergibt sich, wenn die stromab des NO_x-Speicherkatalysators vorliegende Reduktionsmittelkonzentration beziehungsweise ein Reduktionsmittelmassenstrom oder -gehalt über einen vorgebbaren Beobachtungszeitraum integriert wird und der so resultierende kumulierte Reduktionsmitteldurchbruch zur Bestimmung des NO_x-Austrages verwendet wird. Der Reduktionsmitteldurchbruch wird ferner bevorzugt während einer Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators und/oder bei hohen Motorlasten, insbesondere bei Beschleunigungen oder Volllasten, gemessen oder modelliert.
Die Messung des Reduktionsmitteldurchbruchs, der unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H₂) umfasst, kann mittels einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung, insbesondere einer Lambdasonde oder eines über ein Lambdasignal verfügenden NO_x-Sensors, erfolgen.
Die Bestimmung des NO_x-Austrages kann auf Basis eines empirischen Verhaltensmodells des NO_x-Speicherkatalysators erfolgen, das den gemessenen oder modellierten Reduktionsmitteldurchbruch mit einer freigesetzten NO_x-Masse korreliert. Alternativ kann auch eine Differenz eines Reduktionsmitteleintrages in den Speicherkatalysator und des gemessenen Durchbruchs zur Bestimmung herangezogen werden. Letztere Vorgehensweise erfordert jedoch eine sehr präzise Lambdamessung stromab des Katalysators, beispielsweise mit einer Breitband-Lambdasonde, da die Konzentrationsdifferenz in der Regel sehr gering ist.
Der aus dem Reduktionsmitteldurchbruch ermittelte NO_x-Austrag betrifft lediglich diejenigen, in der Regel wenigen NO_x-Speicherplätze mit einer sehr langsamen Freisetzungs- und Konvertierungskinetik. Daher ist besonders bevorzugt vorgesehen, den Reduktionsmitteldurchbruch in einen Korrekturfaktor einfließen zu lassen, mit dem der Beladungszustand des Katalysators verrechnet wird. Beispielsweise kann nach einer zum Zweck einer Regeneration erfolgten Fettbeaufschlagung des Speicherkatalysators mit einer Abgasatmosphäre mit λ < 1 und einem anschließend beobachteten Reduktionsmitteldurchbruch von einer weitgehend vollständigen Widerherstellung einer ursprünglichen NO_x-Speicherkapazität ausgegangen werden, die mit dem in Abhängigkeit des kumulierten Reduktionsmitteldurchbruchs bestimmten Korrekturfaktor multipliziert oder anderweitig verrechnet wird. Dabei ist im Ergebnis die so korrigierte wiedergewonnene Speicherkapazität um so größer je stärker der Reduktionsmitteldurchbruch war. Korrekturfaktor oder Verhaltensmodell können ferner vorteilhaft einer ständigen Anpassung an eine Alterung des Katalysators unterworfen werden, wobei etwa eine zunehmende Anzahl von langsam regenerierenden Speicherplätzen berücksichtigt wird.
Im Übrigen kann das Verfahren mit beliebigen Methoden zur kontinuierlichen Bestimmung eines Beladungszustandes kombiniert werden, bei denen die NO_x-Beladung in Form einer Bilanz aus NO_x-Eintrag und NO_x-Austrag ermittelt wird. Dabei wird der Beladungszustand- neben dem in Abhängigkeit des Reduktionsmitteldurchbruchs bestimmten NO_x-Austrag – in Abhängigkeit eines Reduktionsmitteleintrags, also einer stromauf des NO_x-Speicherkatalysators vorliegenden, gemessenen oder modellierten Konzentration von Reduktionsmitteln oder einer hiervon abgeleiteten Größe, insbesondere einer kumulierten Reduktionsmittelrohemission bestimmt. Zusätzlich kann der NO_x-Austrag in Abhängigkeit einer eine Zersetzungstemperatur überschreitenden Katalysatortemperatur bestimmt werden. Ferner kann der NO_x-Eintrag in bekannter Weise aus einer gemessenen oder modellierten NO_x-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die NO_x-Speicherplätze des NO_x-Speicherkatalysators modellhaft in mindestens zwei Gruppen unterschiedlicher Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetik von gebundenen Stickoxiden unterteilt, gesonderte NO_x-Austräge für die einzelnen Speicherplatzgruppen ermittelt und der Beladungszustand des NO_x-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von den gesonderten NO_x-Austrägen der Speicherplatzgruppen bestimmt. Dabei kann die Differenzierung der Speicherplätze nach unterschiedlichen Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetiken anhand verschiedener Aspekte erfolgen. So kann die Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetik einer Speicherplatzgruppe ein mehr oder weniger differenziertes, empirisch oder theoretisch bestimmtes chemisches Reaktionsmodell berücksichtigen, welches Teilreaktionen des NO_x-Austrages beschreibt, beispielsweise eine Nitratdissoziation, eine Diffusion beteiligter Reaktionspartner und/oder Reduktionsreaktionen von NO_x. Gemäß einfacheren Ausführungen kann die Unterteilung der Speicherplätze auch anhand von Freisetzungs- und Konvertierungsgeschwindigkeiten und/oder zur Freisetzung und Konvertierung erforderliche Reduktionsmittelmassen und/oder Katalysatortemperaturen erfolgen. Weist beispielsweise eine Speicherplatzgruppe eine zur Dissoziation von Nitrat erforderliche, höhere Dissoziationstemperatur auf als eine andere Speicherplatzgruppe, so wird bei einer darunter liegenden Katalysatortemperatur lediglich der NO_x-Austrag der anderen Gruppe bestimmt.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die vorhandenen NO_x-Speicherplätze des Katalysators in zwei Gruppen unterteilt, wobei eine erste Gruppe durch eine relativ schnelle Freisetzung und/oder Konvertierung von gebundenem NO_x bei einer Abgasatmosphäre mit λ ≤ 1, das heißt in Gegenwart von Reduktionsmitteln, gekennzeichnet ist und eine zweite Gruppe eine verzögert erfolgende Freisetzung und/oder Konvertierung aufweist, die erst nach zumindest weitgehend vollständiger Entleerung der ersten Speicherplatzgruppe erfolgt. Diese Kategorisierung der Speicherplätze entspricht einer Beobachtung, wonach ein Hauptteil der verfügbaren Speicherplätze, im Folgenden Oberflächenspeicher genannt, in Gegenwart von Reduktionsmitteln unter nahezu quantitativer Umsetzung der Reduktionsmittel regeneriert. Hingegen zeichnet sich in den Speicherplatzplätzen der zweiten Gruppe, im Folgenden Tiefenspeicher genannt, gebundenes NO_x durch eine derart hohe Reaktionsträgheit aus, dass die Freisetzung und Konvertierung erst nach vollständiger Regeneration des Oberflächenspeichers unter nur teilweiser Umsetzung der vorhandenen Reduktionsmittel erfolgt. Entsprechend kann der NO_x-Austrag aus dem Oberflächenspeicher in Abhängigkeit des Reduktionsmitteleintrags in den NO_x-Speicherkatalysators bestimmt werden, ehe ein Durchbruch von Reduktionsmitteln stromab des Katalysators auftritt. Wird ein Durchbruch beobachtet, so kann von einer vollständigen Entleerung des Oberflächenspeichers ausgegangen werden. Zudem lässt sich eine Quantität der vorhandenen Oberflächenspeicherplätze unmittelbar aus der bis zum Durchbruch zugeführten Reduktionsmittelmenge unter Berücksichtigung einer Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators ermitteln. Auf der anderen Seite wird der NO_x-Austrag aus dem Tiefenspeicher vorzugsweise in Abhängigkeit der Reduktionsmittelbeaufschlagung des Katalysators bestimmt, nachdem ein Reduktionsmitteldurchbruch einsetzt. Vorzugsweise wird die Entleerung des Tiefenspeichers jedoch wie oben erläutert anhand des Reduktionsmitteldurchbruchs bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft zur Bestimmung und Überwachung eines Katalysatorzustandes des Speicherkatalysators oder zur Steuerung eines Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine oder zur Bestimmung von Prozessparametern zur Durchführung einer NO_x-Regeneration und/oder einer Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators verwendet werden. Im letzteren Fall ist beispielsweise vorstellbar, in größeren Zeitabständen eine schärfere Regeneration durchzuführen, in der unter Inkaufnahme eines gewissen Reduktionsmitteldurchbruches auch die Tiefenspeicherplätze entleert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem Abgastrakt in Blockdarstellung;
2 einen Längsschnitt durch eine Beschichtung eines NO_x-Speicherkatalysators in modellhafter und stark vergrößerter Darstellung und
3 einen zeitlichen Verlauf einer Sondenspannung einer einem NO_x-Speicherkatalysator nachgeschalteten Lambdasonde während einer NO_x-Regeneration.
Die in 1 dargestellte magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine 10 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 12 auf, die besonders vorteilhaft jeweils über ein nicht dargestelltes Kraftstoff-Direkteinspitzungssystem verfügen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner vorzugsweise mittels eines wand- und luftgeführten Gemischaufbereitungsverfahrens in einem Schichtlademodus betreibbar. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes Abgas 14 wird in einem insgesamt mit 16 bezeichneten Abgastrakt nachbehandelt. Der Abgastrakt 16 besteht im Wesentlichen aus einem in einem Abgaskanal 18 installierten Katalysatorsystem, mit einem kleinvolumigen und motornah angeordneten Vorkatalysator 20, beispielsweise einem 3-Wege- oder Oxidationskatalysator, sowie einem typischerweise an einer Unterbodenposition angeordneten NO_x-Speicherkatalysator 22. Der NO_x-Speicherkatalysator 22 umfasst neben einer 3-Wege-Katalysatorkomponente einen NO_x-Absorber zur Einspeicherung von im Magerbetriebsmodus nicht vollständig konvertierbaren Stickoxiden NO_x.
Eine stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnete Lambdasonde 24 misst einen Sauerstoffgehalt des Abgases und ermöglicht somit eine Regelung eines den Zylindern 12 zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Stromab des Speicherkatalysators 22 ist ein weiterer sauerstoffempfindlicher Gassensor 26 installiert, in diesem Beispiel eine Lambdasonde. Alternativ kann auch ein über ein Lambdasignal verfügender NO_x-Sensor eingesetzt werden. Die Lambdasonde 26 erkennt beispielsweise einen Durchbruch von Reduktionsmitteln am Ende einer Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 22 und regelt somit eine diskontinuierliche Mager/Fett-Beaufschlagung des Speicherkatalysators 22. Eine Temperaturmessstelle 28 misst stromauf des NO_x-Speicherkatalysators 22 eine Abgastemperatur und erlaubt Rückschlüsse auf die Temperatur des Speicherkatalysators 22. Alternativ kann die Katalysatortemperatur auch in an sich bekannter Weise anhand ausgewählter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 modelliert werden. Alle Sensorsignale sowie Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 und des Abgastraktes 16 werden an eine Motorsteuerung 30 übermittelt. Hier erfolgt eine Auswertung der Signale und Daten und eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 anhand gespeicherter Algorithmen und Kennfelder.
2 zeigt eine Detailansicht des NO_x-Speicherkatalysators 22 in Form einer modellhaften, aufgeschnittenen Darstellung. Auf einem Katalysatorträger 32, der typischerweise aus zeolithischem Material besteht, befindet sich eine Katalysatorbeschichtung 34 (”Washcoat”). Ein mit 14 bezeichneter Abgasmassenstrom strömt an einer Katalysatoroberfläche 36 der Beschichtung 34 entlang. Die Katalysatorbeschichtung 34 enthält einerseits katalytisch aktive Bestandteile, insbesondere Elemente der Platingruppe, und andererseits Speicherkomponenten, die in der Lage sind, Stickoxide NO_x aus einer mageren Abgasatmosphäre mit λ > 1 zu binden. Bei dem NO_x-Absorbermaterial der Beschichtung 34 handelt es sich üblicherweise um Bariumcarbonat, welches unter Freisetzung von CO₂ mit NO_x zu Bariumnitrat reagiert und somit die Stickoxide des Abgases chemisch bindet. Eine insgesamt verfügbare NO_x-Speicherkapazität des Katalysators 22 kann modellhaft in Form einer Vielzahl, hier kästchenartig dargestellter NO_x-Speicherplätze 38 aufgefasst werden. Dabei ist jeder Speicherplatz 38 in der Lage, eine bestimmte Menge NO_x, beispielsweise ein einziges NO_x-Molekül, zu speichern.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 wird aus Gründen eines möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauches über weite Betriebsbereiche eines durch die Verbrennungskraftmaschine 10 angetriebenen Fahrzeuges in einem mageren und gegebenenfalls geschichteten Betriebsmodus betrieben. Aufgrund des im mageren Abgas vorherrschenden Sauerstoffüberschusses kann NO_x an den katalytischen Bestandteilen des Katalysatorsystems 20, 22 nicht vollständig umgesetzt werden. Stattdessen erfolgt die Absorption von NO_x an den Speicherplätzen 38 des Speicherkatalysators 22. Die magere Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine 10 kann solange aufrecht erhalten werden, bis die Speicherkapazität des Speicherkatalysators 22 vollständig oder nahezu vollständig erschöpft ist, das heißt die Speicherplätze 38 vollständig belegt sind. Dieser Zustand kann entweder anhand eines stromab des Speicherkatalysators 22 gemessenen NO_x-Durchbruches erkannt werden oder durch einen in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 10 modellierten NO_x-Eintrag ermittelt werden. Sobald die vollständige Beladung des NO_x-Speicherkatalysators 22 auf die eine oder andere Weise festgestellt wird, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 zum Zwecke einer NO_x-Regeneration des Speicherkatalysators 22 in einen fetten Betriebsmodus umgeschaltet. Das im fetten Betriebsmodus erzeugte Abgas 14 enthält einen Überschuss an Reduktionsmitteln, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂. In Gegenwart dieser Reduktionsmittel erfolgt eine Dissoziation von Nitrat der Speicherplätze 38 und eine Reduktion der so freigesetzten Stickoxide zu N₂ unter Verbrauch der Reduktionsmittel, die ihrerseits zu CO₂ und H₂O oxidiert werden. Üblicherweise wird der Regenerationsbetrieb beendet und die Verbrennungskraftmaschine 10 in den mageren Betriebsmodus umgeschaltet, sobald die Lambdasonde 26 einen Reduktionsmitteldurchbruch detektiert. Um eine Schadstoffemission gering zu halten, ist ebenfalls bekannt, die Verbrennungskraftmaschine 10 unter Berücksichtigung einer Abgaslaufzeit bereits kurz vor dem erwarteten Reduktionsmitteldurchbruch umzuschalten.
Gemäß bekannter Verfahren wird davon ausgegangen, dass zum Zeitpunkt des ersten Reduktionsmitteldurchbruches die NO_x-Speicherkapazität des Katalysators 22 vollständig wiederhergestellt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein differenzierterer Ansatz zur Beschreibung des Katalysatorzustandes, insbesondere des Beladungszustandes, gewählt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die NO_x-Speicherplätze 38 gemäß ihrer ”Regenerationsbereitwilligkeit”, das heißt in Abhängigkeit ihrer NO_x-Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetiken, unterteilt. Eine erste, als Oberflächenspeicher 40 bezeichnete Gruppe von Speicherplätzen 38 zeichnet sich durch eine verhältnismäßig schnelle Regeneration aus, bei welcher ein Reduktionsmitteleintrag in den Speicherkatalysator 22 sofort und weitgehend quantitativ umgesetzt wird, solange der Oberflächenspeicher noch gebundenes NO_x enthält. Dabei liegt ein Gleichgewicht der Freisetzungs- und Konvertierungsreaktion praktisch vollständig auf Seite der Produkte. Hingegen entlässt eine zweite, in 2 schraffiert dargestellte Gruppe von Speicherplätzen 42, nachfolgend als Tiefenspeicher bezeichnet, das hier gebundene NO_x erst nach längerer Beaufschlagung mit fettem Abgas, insbesondere erst nachdem der Oberflächenspeicher 40 vollständig entleert ist. Zudem erfolgt die Freisetzung und die Konvertierung des im Tiefenspeicher 42 gebundenen NO_x so langsam, dass ein Großteil des Reduktionsmittelangebotes unkonvertiert den Speicherkatalysator 22 in Form eines Reduktionsmitteldurchbruches verlässt. Ursächlich für diese Regenerationsträgheit der Tiefenspeicherplätze 42 sind größere, mit zunehmender Beschichtungstiefe zunehmende NO_x-Speicherkonglomerate, die durch eine wachsende Diffusionshemmung gekennzeichnet sind. Erfindungsgemäß wird zur Beschreibung des Beladungszustandes des NO_x-Speicherkatalysators 22 der NO_x-Austrag des Tiefenspeichers 42 gesondert erfasst und berücksichtigt. Dabei wird bevorzugt der NO_x-Austrag des Tiefenspeichers 42 in Abhängigkeit des Reduktionsmitteldurchbruches stromab des Speicherkatalysators 22 bestimmt.
Der Reduktionsmitteldurchbruch kann in vorteilhafter Weise durch die stromab des Speicherkatalysators 22 angeordnete Lambdasonde 26 gemessen werden. Ein zeitlicher Verlauf einer von der Lambdasonde 26 an die Motorsteuerung 30 übermittelten Sondenspannung U ist in 3 dargestellt. Dabei entspricht ein niedriges Signal U einem mageren Abgaslambda (λ > 1) und ein hoher Signalwert einem fetten Abgaslambda (λ < 1). Entsprechend einem mageren Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10 nimmt die Sondenspannung U zunächst einen niedrigen konstanten Wert an. Bei erschöpfter NO_x-Speicherkapazität des Speicherkatalysators 22 wird der Magerbetrieb beendet und die Verbrennungskraftmaschine 10 in einen fetten Betriebsmodus mit Luftunterschuss (λ < 1) umgeschaltet. An einem Zeitpunkt t₁ erreicht nach Umschaltung in den fetten Betriebsmodus erstmalig fettes Abgas den Speicherkatalysator 22. In einer bis zum Zeitpunkt 12 andauernden Zeitspanne steigt die Sondenspannung U zunächst schnell, dann langsamer werdend an. In dieser Phase wird an den Oberflächenspeicherplätzen 40 gebundenes NO_x freigesetzt und reduziert. Erst nachdem der Oberflächenspeicher 40 sowie ein Sauerstoffspeicher des Speicherkatalysators 22 vollständig entleert sind, beginnt zum Zeitpunkt t₂ fettes Abgas durch den Katalysator 22 durchzubrechen und die Lambdasonde 26 eine wachsende Reduktionsmittelkonzentration (λ < 1) anzuzeigen. Infolgedessen wird die Verbrennungskraftmaschine 10 zum Zeitpunkt t₂ – oder, um den Schadstoffdurchbruch gering zu halten, mit einem gewissen Vorlauf – in den Magerbetriebsmodus umgeschaltet. Aufgrund der Abgaslaufzeit, die das Abgas benötigt, um den Speicherkatalysator 22 beziehungsweise die Lambdasonde 26 zu erreichen, wird auch nach dem Umschaltpunkt t₂ noch ein Reduktionsmitteldurchbruch stromab des Speicherkatalysators 22 gemessen, bis zum Zeitpunkt t₃ erstmalig mageres Abgas die Lambdasonde 26 erreicht. Während der Reduktionsmittelbeaufschlagung des Speicherkatalysators 22 nach vollständiger Entleerung des Oberflächenspeichers 40, das heißt zwischen t₂ und t₃, findet ein gewisser, langsamer NO_x-Austrag des Tiefenspeichers 42 statt, bei dem jedoch nur ein geringer Anteil des Reduktionsmittelangebotes umgesetzt wird. Um diesen NO_x-Austrag zu ermitteln, wird vorzugsweise der gesamte Reduktionsmitteldurchbruch nach Beendigung einer Regeneration oder nach einer aufgrund einer hohen Motorlast erforderlichen Gemischanfettung integriert (schraffierte Fläche in 3). Die Größe des Reduktionsmitteldurchbruchs wird als Maß für Dauer und Stärke der Reduktionsmittelbeaufschlagung nach vollständiger Regeneration des Oberflächenspeichers 40 und damit als Maß für den NO_x-Austrag des Tiefenspeichers 42 herangezogen. Es kann jedoch ebenso vorteilhaft vorgesehen sein, die Integration nur bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Einsetzen des Reduktionsmitteldurchbruchs durchzuführen. Die Bestimmung des NO_x-Austrages des Tiefenspeichers 42 kann dann beispielsweise mittels auf einem Verhaltensmodell beruhenden Kennfeldern erfolgen, die eine Korrelation der ausgetragenen NO_x-Menge mit dem integrierten Reduktionsmitteldurchbruch erlauben. Dabei können diese Kennfelder weitere Betriebsparameter, insbesondere einen Abgasmassenstrom, eine Katalysatortemperatur oder weitere den Abgaszustand kennzeichnende Größen berücksichtigen. Der Reduktionsmitteldurchbruch beziehungsweise der NO_x-Austrag des Tiefenspeichers 42 kann dann in einen Korrekturfaktor einfließen, der zur Berechnung des Gesamtbeladungszustandes des Speicherkatalysators 22 verwendet wird. Es kann ferner vorgesehen sein, eine mit einer fortschreitenden Katalysatoralterung zunehmende Anzahl der Tiefenspeicherplätze 42 in Form einer geeigneten Anpassung einer Gewichtung des Korrekturfaktors oder durch Anpassung eines Verhaltensmodells des Katalysators Rechnung zu tragen.
Die differenzierte Bewertung des Speicherkatalysators 22, die in Abweichung des hier dargestellten Beispiels auch mehr als zwei Speicherplatzgruppen einschließen kann, erlaubt eine genauere Ermittlung des Beladungszustandes des Speicherkatalysators 22. Auf diese Weise kann somit eine Magerbetriebsdauer der Verbrennungskraftmaschine 10 genauer auf den tatsächlichen Katalysatorzustand abgestimmt werden und ein Kraftstoffverbrauch sowie eine Schadstoffemission reduziert werden. Das Verfahren erfordert keinen zusätzlichen instrumentellen Messaufwand und lässt sich problemlos in bestehende Motorsteuerungen integrieren.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14: Abgasstrom
16: Abgastrakt
18: Abgaskanal
20: Vorkatalysator
22: NO_x-Speicherkatalysator
24: Lambdasonde
26: Gassensor/Lambdasonde
28: Temperaturmessstelle
30: Motorsteuerung
32: Katalysatorträger
34: Katalysatorbeschichtung
36: Katalysatoroberfläche
38: NO_x-Speicherplätze
40: erste Speicherplatzgruppe/Oberflächenspeicher
42: zweite Speicherplatzgruppe/Tiefenspeicher
λ: Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda
t: Zeit
U: Sondenspannung

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines in einem Abgaskanal (18) einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_x-Speicherkatalysators (22), der unter einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 Stickoxide (NO_x) bindet und unter einer fetten oder stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda ≤ 1 wieder freisetzt, wobei – eine stromab des NO_x-Speicherkatalysators (22) vorliegende, gemessene oder modellierte Konzentration von Reduktionsmitteln im Abgas oder eine von der Konzentration abgeleitete Größe bestimmt wird, – im Bereich λ < 1 ein Reduktionsmitteldurchbruch festgestellt wird, – in Abhängigkeit von dem Reduktionsmitteldurchbruch ein NO_x-Austrag aus dem NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird und – der Beladungszustand unter Berücksichtigung des NO_x-Austrages aus dem NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird.
Verfahren zur Ermittlung eines Beladungszustandes eines in einem Abgaskanal (18) einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_x-Speicherkatalysators (22), der unter einer mageren Abgasatmosphäre mit Lambda > 1 Stickoxide (NO_x) bindet und unter einer fetten oder stöchiometrischen Abgasatmosphäre mit Lambda ≤ 1 wieder freisetzt, wobei – eine stromab des NO_x-Speicherkatalysators (22) vorliegende, gemessene oder modellierte Konzentration von Reduktionsmitteln im Abgas (Reduktionsmitteldurchbruch) oder eine von dem Reduktionsmitteldurchbruch abgeleitete Größe bestimmt wird, – in Abhängigkeit von dem Reduktionsmitteldurchbruch oder der von diesem abgeleiteten Größe ein NO_x-Austrag aus dem NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird und – der Beladungszustand unter Berücksichtigung des NO_x-Austrages aus dem NO_x-Speicherkatalysator (22) und eines gemessenen oder modellierten NO_x-Eintrages in den NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Austrag in Abhängigkeit eines kumulierten Reduktionsmitteldurchbruches bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmitteldurchbruch mittels einer stromab des NO_x-Speicherkatalysators (22) angeordneten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung (26) detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittel unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H₂) umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmitteldurchbruch während einer Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators (22) und/oder bei hohen Motorlasten, insbesondere bei Beschleunigungen oder Volllasten, gemessen oder modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des NO_x-Austrages in Abhängigkeit des Reduktionsmitteldurchbruchs auf Basis eines Verhaltensmodells des NO_x-Speicherkatalysators (22) oder auf Basis einer Differenz eines Reduktionsmitteleintrages in den NO_x-Speicherkatalysator (22) und des gemessenen Reduktionsmitteldurchbruchs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene oder modellierte Reduktionsmitteldurchbruch in einen Korrekturfaktor zur Berechnung des Beladungszustandes des NO_x-Speicherkatalysators (22) einfließt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Verhaltensmodell und/oder der Korrekturfaktor an eine Alterung des NO_x-Speicherkatalysators (22) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Austrag in Abhängigkeit einer stromauf des NO_x-Speicherkatalysators (22) vorliegenden, gemessenen oder modellierten Konzentration von Reduktionsmitteln im Abgas (Reduktionsmitteleintrag) oder einer von der Reduktionsmittelkonzentration abgeleiteten Größe, insbesondere einer kumulierten Reduktionsmittelrohemission, und/oder während Überschreitung einer Zersetzungstemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) NO_x-Speicherplätze (38) des NO_x-Speicherkatalysators (22) in mindestens zwei Gruppen (40, 42) unterschiedlicher Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetik von gebundenen Stickoxiden (NO_x) unterteilt werden, (b) gesonderte NO_x-Austräge für die Speicherplatzgruppen (40, 42) ermittelt werden und (c) der Beladungszustand des NO_x-Speicherkatalysators (22) in Abhängigkeit von den gesonderten NO_x-Austrägen der Speicherplatzgruppen (40, 42) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisetzungs- und/oder Konvertierungskinetik einer Speicherplatzgruppe (40, 42) ein chemisches Reaktionsmodell und/oder eine Freisetzungs- und Konvertierungsgeschwindigkeit und/oder eine zur Freisetzung und Konvertierung erforderliche Reduktionsmittelmasse und/oder eine zur Freisetzung und Konvertierung erforderliche Katalysatortemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Speicherplätze (38) zwei Gruppen (40, 42) zugeordnet werden und eine erste Gruppe (40) durch eine schnellere Freisetzung und Konvertierung von gebundenem NO_x bei einer Abgasatmosphäre mit λ ≤ 1 gekennzeichnet ist (Oberflächenspeicher) und eine zweite Gruppe (42) durch eine verzögerte, erst nach weitgehend vollständiger Entleerung der ersten Speicherplatzgruppe (40) erfolgende Freisetzung und Konvertierung bei einer Abgasatmosphäre mit λ ≤ 1 gekennzeichnet ist (Tiefenspeicher).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Austrag aus dem Oberflächenspeicher (40) in Abhängigkeit des Reduktionsmitteleintrages in den NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird, ehe ein Durchbruch von Reduktionsmitteln stromab des NO_x-Speicherkatalysators (22) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Austrag aus dem Tiefenspeicher (42) in Abhängigkeit des Reduktionsmitteleintrages in den NO_x-Speicherkatalysator (22) bestimmt wird, nachdem der Oberflächenspeicher (40) zumindest weitgehend entleert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Austrag aus dem Tiefenspeicher (42) in Abhängigkeit des stromab des NO_x-Speicherkatalysators (22) gemessenen oder modellierten Reduktionsmitteldurchbruchs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Beladungszustand zur Bestimmung und Überwachung eines Zustandes des NO_x-Speicherkatalysators (22) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Beladungszustand zur Steuerung eines Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Beladungszustand zur Bestimmung von Prozessparametern zur Durchführung einer NO_x-Regeneration und/oder einer Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators (22) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder eine Abgas- und/oder Katalysatortemperatur und/oder eine Regenerationsdauer beziehungsweise Entschwefelungsdauer umfassen.