DE102013203495A1

DE102013203495A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE102013203495A1
Application number: DE102013203495.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Scherer; Herbert Schoemig; Holger Ziegler; Tobias Pfister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04
Also published as: US9051868B2; FR3002783B1; FR3002783A1; US20140245822A1; CN104018925B; CN104018925A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (NSC) im Abgaskanal einer zumindest zeitweise mager betriebenen Brennkraftmaschine, wobei während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine Stickoxide aus dem Abgas von dem Stickoxid-Speicherkatalysator gespeichert werden, wobei während einer Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators die Brennkraftmaschine fett betrieben und dadurch die in dem Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide entfernt werden und wobei eine für den Verlauf der Regeneration charakteristische Abgaskomponente oder Abgaskenngröße während der Regenerationsphase mittels einer Abgassonde erfasst wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mit einer Änderung eines zeitlich veränderbaren Lambdaverlaufs vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator im Bereich λ < 1 Änderungen in einem Lambda-Gradientenverlauf nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator oder daraus abgeleiteter Größen als Merkmal zur Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators ausgewertet und anhand dieser Werte eine Diagnose der Speicherfähigkeit für Stickoxide des Stickoxid-Speicherkatalysators durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Diagnoseeinheit, zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine weitgehende Entkopplung des Überwachungsmerkmals von absoluten Lambda-Werten. Absolutwert-Toleranzen der als Lambdasonden ausgeführten Abgassonden haben keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das Überwachungsmerkmal. Dies ermöglicht ein robustes Überwachungsverfahren für den Stickoxid-Speicherkatalysator.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (NSC) im Abgaskanal einer zumindest zeitweise mager betriebenen Brennkraftmaschine, wobei während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine Stickoxide aus dem Abgas von dem Stickoxid-Speicherkatalysator gespeichert werden, wobei während einer Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators die Brennkraftmaschine fett betrieben und dadurch die in dem Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide entfernt werden und wobei eine für den Verlauf der Regeneration charakteristische Abgaskomponente oder Abgaskenngröße während der Regenerationsphase mittels einer Abgassonde erfasst wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Diagnoseeinheit, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs wurden auf dem Gebiet der Benzin-Motoren sogenannte Magermotoren entwickelt, die im Teillastbetrieb mit magerem Luft/Kraftstoffgemisch betrieben werden. Dieses Gemisch enthält eine vergleichsweise höhere Sauerstoffkonzentration als für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes benötigt wird. Im Abgas liegen dann die oxidierenden Komponenten, wie Sauerstoff (O₂) und/ oder Stickoxide (NO_x), im Überschuss gegenüber den reduzierenden Abgaskomponenten, wie Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂) und/ oder Kohlenwasserstoffen (HC), vor. Dieselmotoren arbeiten dagegen in der Regel unter Betriebsbedingungen mit weit überstöchiometrischen Luft/Kraftstoffgemischen.
Um die Stickoxidemissionen von mager betriebenen Brennkraftmaschinen reduzieren zu können, ist es bekannt, in den Abgaskanälen NO_x-Speicher-Katalysatoren (Nitrogen Oxide Storage Catalyst – NSC) vorzusehen. Ein NO_x-Speicher-Katalysator speichert Stickoxide aus dem Abgas, während die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss, also einem überstöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis mit einem Lambda > 1, betrieben wird.
Um die Speicherfähigkeit des NO_x-Speicher-Katalysators zu erhalten, muss das eingelagerte Stickoxid von Zeit zu Zeit entfernt werden. Zur Durchführung einer solchen Regeneration des NO_x-Speicher-Katalysators ist es bekannt, eine reduzierende Abgasatmosphäre einzustellen, bei der das eingelagerte Stickoxid in Stickstoff umgesetzt wird. Dazu wird die Brennkraftmaschine fett, also mit einem unterstöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis mit einem Lambda < 1, betrieben. Nach einer solchen Regeneration ist der NSC wieder aufnahmefähig für Stickoxide.
Die aktuell gültigen Bestimmungen zur On-Board-Diagnose (OBD) in Europa und in den USA fordern eine Überwachung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren hinsichtlich ihrer emissionsmindernden Wirkung auf Stickoxide (NO_x).
Aus der EP 1 831 509 B1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Stickoxid-Speicherfähigkeit eines als Startkatalysators eingesetzten Stickoxid-Speicherkatalysators in einer Abgasreinigungsanlage eines Kraftfahrzeuges mit Magermotor bekannt, welche ein Katalysatorsystem aus dem Startkatalysator und einem ebenfalls als Stickoxid-Speicherkatalysator ausgebildeten Hauptkatalysator enthält. Dabei wird in einem Normalbetrieb des Katalysatorsystems, wenn die Auswertung des Stickoxid-Schlupfes hinter dem Hauptkatalysatorsystem ein Regenerationskriterium übersteigt, jeweils eine Total-Regeneration des Katalysatorsystems durch kurzzeitiges Umschalten des Motors von Magerbetrieb in Fettbetrieb vorgenommen. Dabei ist vorgesehen, dass zur Überprüfung der Stickoxid-Speicherfähigkeit des Startkatalysators das gesamte Katalysatorsystem bis zum Erreichen des Regenerationskriteriums mit Stickoxiden beladen und dann eine Teil-Regeneration des Katalysatorsystems vorgenommen wird, die nur aus einer Regeneration des Startkatalysators besteht. Dazu wird der Fettbetrieb beendet und in den Magerbetrieb zurückgeschaltet, wenn zwischen Startkatalysator und Hauptkatalysator ein Durchbruch fetten Abgases registriert wird, und wozu die Zeitdauer nach dem Zurückschalten in den Magerbetrieb bis zum erneuten Übersteigen des Regenerationskriteriums hinter dem Katalysatorsystem als Maß für die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Startkatalysators gemessen wird.
Eine robuste OBD bedeutet hier insbesondere, dass eine Überwachungsfunktion bereitgestellt werden muss, die einen intakten NSC, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes WPA-Muster („worst part acceptable“), von einem defekten NSC, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes BPU-Muster („best part unacceptable“), unterscheiden kann.
Eine Schädigung des NSC bewirkt beispielsweise eine Verminderung des Reduktionsmittelverbrauchs während einer vollständigen Regeneration. Diese Größe ist mittels zweier Lambdasonden, die vor und nach dem NSC verbaut sind, zugänglich so dass sie als Überwachungsmerkmal für eine Diagnose des NSC genutzt werden kann. Wesentlich hinsichtlich der Robustheit und Sensitivität des Verfahrens, den Reduktionsmittelverbrauch zu überwachen, sind insbesondere eine exakte Bestimmung der Lambda-Werte mittels der beiden Abgassonden.
Um eine bessere Separierung zwischen BPU („best part unacceptable“) und dem WPA („worst part acceptable“) zu erreichen, werden insbesondere Plausibilisierungsfunktionen nur unter bestimmten Überwachungsbedingungen durchgeführt.
Im Bereich der Abgasnachbehandlung werden hierfür Überwachungen häufig auf bestimmte Wertebereiche für eine oder mehrere der folgenden Größen, modelliert oder gemessen, begrenzt. Diese können beispielsweise sein: der Abgasmassenstrom, das Abgasvolumen, die Abgastemperatur an einer beliebigen Stelle, der Betriebspunkt (Drehzahl, Einspritzmenge), die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, die Signalwerte für z.B. den Sauerstoff-, Stickoxid-, Kohlenwasserstoff- oder Kohlenmonoxid-Gehalt, die Abgasrückführrate (AGR), die Motorbetriebsart, der Motorstatus, die Motorlaufzeit und/ oder die Motorstandzeit.
Darüber hinaus werden Überwachungen aus dem gleichen Grund häufig unter (quasi)stationären Bedingungen durchgeführt, die anhand einer oder mehrerer der zuvor genannten Größen bestimmt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines robusten Überwachungsverfahrens für Stickoxid-Speicherkatalysatoren.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass mit einer Änderung eines zeitlich veränderbaren Lambdaverlaufs vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator im Bereich λ < 1 Änderungen in einem Lambda-Gradientenverlauf nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC) oder daraus abgeleiteter Größen als Merkmal zur Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators ausgewertet und anhand dieser Werte eine Diagnose der Speicherfähigkeit für Stickoxide des Stickoxid-Speicherkatalysators durchgeführt wird. Dabei wird die Fähigkeit des NSC bewertet, Änderungen (Gradienten) des Lambdawertes vor dem NSC im Fettbereich (λ < 1) auszufiltern, so dass das Lambdasignal nach dem NSC nur geringe Änderungen (Gradienten) anzeigt. Bei einem geschädigten NSC ist die Fähigkeit zur Gradienten-Dämpfung reduziert, so dass nach dem NSC erhöhte Lambda-Gradienten auftreten. Das Verfahren ermöglicht eine weitgehende Entkopplung des Überwachungsmerkmals von absoluten Lambda-Werten. Absolutwert-Toleranzen der als Lambdasonden ausgeführten Abgassonden haben keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das Überwachungsmerkmal. Dies ermöglicht ein robustes Überwachungsverfahren für den Stickoxid-Speicherkatalysator.
Dieser Lambda-Gradientenverlauf nach dem NSC kann als Basis für ein neues Überwachungsmerkmal herangezogen werden. Da grundsätzlich positive und negative Gradienten gleichermaßen für eine Bewertung geeignet sind, kann, wie dies eine bevorzugte Verfahrensvariante vorsieht, der Betrag des Lambda-Gradientenverlaufs nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator oder ein quadrierter Lambda-Gradientenverlauf zur Diagnose verwendet werden. Da Vorzeichenwechsel hiermit eliminiert werden, können nachfolgende Auswerteschritte vereinfacht werden.
Um störende hochfrequente Fluktuationen des Lambda-Signals zu eliminieren, erweist sich die Anwendung von Filtern, z.B. eines PT-1-Filters, sowohl für das Lambda-Rohsignal als auch für den ermittelten Lambda-Gradienten meist als vorteilhaft. Eine weitere Verfahrensvariante sieht daher vor, dass der Lambda-Gradientenverlauf nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator mittels einer Filterfunktion zeitlich geglättet wird.
Eine zuverlässige Diagnose eines defekten oder noch intakten Stickoxid-Speicherkatalysators kann realisiert werden, wenn mittels Integration des quadrierten Lambda-Gradientenverlaufs ein Gradienten-Merkmalswert berechnet und ein Endwert des Gradienten-Merkmalswertes am Ende eines Überwachungszeitraumes mit einer Fehlerschwelle verglichen und anhand des Ergebnisses ein defekter oder intakter Stickoxid-Speicherkatalysator detektiert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Integrationsdauer dem Überwachungszeitraum entspricht. Insbesondere kann damit eine robuste On-Board-Diagnose (OBD) realisiert und damit eine Überwachungsfunktion bereitgestellt werden, die einen intakten NSC, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes WPA-Muster („worst part acceptable“), von einem defekten NSC, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes BPU-Muster („best part unacceptable“), sicher unterscheiden kann.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist dabei vorgesehen, dass die Fehlerschwelle, abhängig von Umgebungsbedingungen für den Stickoxid-Speicherkatalysator (z.B. Katalysatortemperatur, Abgasmassenstrom) und/ oder Betriebszuständen der Brennkraftmaschine appliziert wird. Diese adaptive Fehlerschwelle ermöglicht eine genauere Detektion von nicht mehr akzeptablen Stickoxid-Speicherkatalysatoren.
Die Gradienten-Überwachung startet mit der Lambda-Dynamik-Anregung stromaufwärts des NSC. Dies bedeutet, dass ein zeitlich veränderlicher Lambdaverlauf im Fettbereich, d.h. λ < 1, erzeugt werden muss. Dazu kann z.B. ein einfacher Übergang vom Mager- in den Fettbereich genutzt werden. Durch ein entsprechendes Umschalten der Motorapplikation kann dies erreicht werden. Eine solche Umschaltung in den Fettbetrieb geschieht beispielsweise beim Start des NSC-Regenerationsbetriebs. Dabei ergibt sich einlassseitig am Katalysator ein hoher negativer Lambda-Gradient, der als Lambda-Dynamik-Anregung für die Gradienten-Überwachung genutzt werden kann. Alternativ zur Bewertung des Mager-Fett-Sprungs zu Beginn einer NSC-Regeneration kann auch der Fett-Mager-Sprung am Ende einer NSC-Regeneration heran gezogen werden. Abgesehen von diesen passiven Ansätzen zur Nutzung bereits gegebener Lambda-Fett-Gradienten besteht auch die Möglichkeit, solche Lambda-Gradienten durch aktive Maßnahmen explizit für den Zweck der Überwachung zu erzeugen. Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren ist daher vorgesehen, dass die Diagnose bei Detektion einer Lambda-Fett-Dynamik oder mit der Aktivierung eines geeigneten Motorbetriebes zur Bereitstellung einer anregenden Lambda-Fett-Dynamik gestartet wird.
Alternativ kann man den Wert für den Lambda-Gradientenverlauf nach NSC durch eine Verhältnisbildung mit dem entsprechenden Wert für den Lambda-Gradienten-Verlauf vor NSC zu einer Gradienten-Verhältniszahl berechnen. Es ist daher vorgesehen, dass mittels einer als Lambdasonde ausgelegten Abgassonde in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator ein anregungsseitiger Lambdawert oder Lambda-Gradientenwert bestimmt und der Lambda-Gradientenverlauf nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator normiert wird. Damit können Variationen bzw. Störungen in den anregungsseitigen Lambda-Gradienten besser berücksichtigt und bei der Diagnose kompensiert werden.
In einer anderen dazu alternativen Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass der anregungsseitige Lambdawert oder Lambda-Gradientenwert modellhaft bestimmt wird. Dadurch kann der Hardware-Applikationsaufwand reduziert werden. Derartige Modellwerte können betriebsphasenabhängig in Kennfeldspeicher hinterlegt oder aus Motorparametern, die in einer übergeordneten Motorsteuerung bestimmt bzw. dort abgelegt werden, berechnet werden.
Eine bevorzugte Überwachungsfunktion sieht vor, dass die Überwachung oder Diagnose des Stickoxid-Speicherkatalysators in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt nach Erkennung einer dynamischen Lambda-Anregung die Diagnose gestartet, in einem zweiten Schritt der Gradienten-Merkmalswert berechnet, in einem dritten Schritt überprüft wird, ob bestimmte Robustheitsbedingungen erfüllt sind, in einem vierten Schritt überprüft wird, ob der Gradienten-Merkmalswert die Fehlerschwelle unterschreitet, und bei Erfüllung dieser Bedingungen ein intakter und bei Überschreiten der Fehlerschwelle ein defekter Stickoxid-Speicherkatalysator detektiert und die Diagnosephase beendet wird, wobei bei Nicht-Erfüllung der Robustheitsbedingungen die Diagnose abgebrochen und zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt wird. Die Überprüfung der Robustheitsbedingung hat den Vorteil, dass anhand des Ergebnisses bewertet werden kann, ob die Güte des Diagnoseergebnisses ausreichend hoch ist bzw. die Diagnose vorzeitig abgebrochen werden muss, um Fehldiagnosen zu vermeiden. Als Robustheitsbedingungen können beispielsweise der thermische Zustand des NSC oder die Güte der Lambda-Fett-Dynamik heran gezogen werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Diagnoseeinheit Einrichtungen zur Durchführung des Überwachungsverfahrens gemäß den zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmalen, wie Komparatoren, Kennfeldspeicher und Berechnungseinheiten zur Berechnung eines Gradienten-Merkmalswertes aus einem Lambda-Gradientenverlauf nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator, aufweist. Die Funktionalität des Überwachungsverfahrens kann dabei softwaremäßig in der Diagnoseeinheit implementiert sein. Die Diagnoseeinheit kann als eigenständige Einheit ausgeführt oder integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung sein, wobei das Diagnoseergebnis in einem Fehlerspeicher der Motorsteuerung abgelegt werden kann und/ oder bei Detektion eines defekten NSC die Motorkontrollleuchte eingeschaltet wird.
In einer bevorzugten Vorrichtungsvariante ist vorgesehen, dass die Abgassonde nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator im Abgaskanal angeordnet und als Lambda-Sonde ausgebildet ist. Hinsichtlich der zuvor beschriebenen Normierung des Lambda-Gradientenverlaufs nach dem NSC kann optional vorgesehen sein, dass eine weitere als Lambda-Sonde ausgebildete Abgassonde vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator vorgesehen ist, deren Signale von der Diagnoseeinheit auswertbar sind. Grundsätzlich können auch andere Sensoren verwendet werden, mit denen ein Sauerstoffgehalt im Abgas bestimmbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 an einem Beispiel das technische Umfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Signal-Verlaufsdiagramm für einen intakten Stickoxid-Speicherkatalysator,
3 ein Signal-Verlaufsdiagramm für einen defekten Stickoxid-Speicherkatalysator und
4 ein Flussdiagramm für eine Variante des Überwachungsverfahrens.
1 zeigt als Beispiel das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Dargestellt ist schematisch eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 1 wobei ein Abgasstrom 20 vom Motorblock 10 in einem Abgaskanal 30 zu einer Abgasreinigungsanlage geführt wird. Die Abgasreinigungsanlage besteht im gezeigten Beispiel aus einem Diesel-Partikelfilter (DPF) 40 und einem in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator 60 (NSC).
Mit einer als Lambdasonde ausgebildete Abgassonde 50 vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator 60 und einer diesem nachgeschalteten, ebenfalls als Lambdasonde ausgebildeten Abgassonde 70 wird im gezeigten Beispiel der Lambdawert vor und nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator 60 bestimmt und das Signal einer Diagnoseeinheit 81 zugeführt, die als integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung 80 ausgebildet sein kann. In der Diagnoseeinheit 81 werden die Signale der Abgassonden 50, 70 ausgewertet. Im Falle einer Fehlfunktion oder bei der Diagnose eines fehlerhaften Stickoxid-Speicherkatalysators 60 werden entsprechende Einträge in einem Fehlerspeicher 82 der Motorsteuerung 80 eingetragen. Weitere Komponenten, wie z.B. weitere Abgassonden zur NO_x-Bestimmung oder auch Partikelsensoren sind in 1 nicht dargestellt.
Ein ähnlicher Aufbau ergibt sich beispielsweise auch bei einem als Benzinmotor ausgebildeten Magermotor, bei dem zur Reduktion des Stickoxidanteils ein Stickoxid-Speicherkatalysator 60 (NSC) vorgesehen ist. Anstelle des Diesel-Partikelfilters (DPF) 40 können andere Komponenten zur Abgasreinigung vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zur Detektion eines defekten Stickoxid-Speicherkatalysators 60 wird anhand von in 2 und 3 dargestellten Signal-Verlaufsdiagramme 100 erläutert, wobei 2 den Signalverlauf für einen intakten Stickoxid-Speicherkatalysator 60 und 3 den Signalverlauf für einen defekten Stickoxid-Speicherkatalysator 60 zeigt.
Es basiert auf der Auswertung von Lambda-Gradienten, wobei in einer Minimal-Ausführung das Vorhandensein einer Lambdasonde nach dem NSC (Abgassonde 70 in 1) vorgesehen ist. Diese Sonde liefert, entsprechend zeitlich abgeleitet, den Lambda-Gradienten nach dem NSC als entscheidende Eingangsgröße zur Bestimmung des Überwachungsmerkmals.
Eine weitere Lambdasonde vor dem NSC (Abgassonde 50 in 1) ist optional und von Vorteil, um anregungsseitig die Lambda-Werte und -Gradienten ermitteln zu können. Diese können genutzt werden, um den Lambda-Gradienten nach NSC zu normieren oder auch um die Eignung der anregungsseitigen Lambda-Gradienten zu bewerten (Robustheitskriterium). Die Normierung kann dabei mittels einer Verhältnisbildung mit dem Lambda-Gradienten vor NSC erfolgen. Alternativ kann das Signal der Lambdasonde vor NSC auch durch einen Modellwert ersetzt werden, der aus Motorparametern für unterschiedliche Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 in der Diagnoseeinheit 81 oder in der Motorsteuerung 80 in Form von Kennfeldern abgelegt sein kann.
In beiden Figuren sind im oberen Teil des Signal-Verlaufsdiagramms 100 ein Lambda-Wert 101 in Abhängigkeit der Zeit 105 dargestellt. Ein Lambdaverlauf vor NSC 106 (gestrichelte Linie) beschreibt den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals der Abgassonde 50 vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator 60. Ein Lambdaverlauf nach NSC 107 (durchgezogene Linie) beschreibt den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals der Abgassonde 70 nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator 60.
Nach dem erfindungsgemäßen Lambda-Gradienten-Verfahren wird die Fett-Dynamik-Phase beim Start der NSC-Regenerationsphase genutzt. Der Überwachungszeitraum 112 ist jeweils schraffiert in beiden Signal-Verlaufsdiagramme 100 in 2 und 3 dargestellt.
Die Gradienten-Überwachung startet mit einer Lambda-Dynamik-Anregung stromaufwärts des NSC. Dies bedeutet, dass ein zeitlich veränderlicher Lambdaverlauf im Fettbereich, d.h. λ < 1, erzeugt werden muss. Dazu kann z.B. ein einfacher Übergang vom Mager- in den Fettbereich genutzt werden. Durch ein entsprechendes Umschalten der Motorapplikation kann das erreicht werden. Eine solche Umschaltung in den Fettbetrieb geschieht beispielsweise beim Start des NSC-Regenerationsbetriebs.
Dabei ergibt sich einlassseitig am Katalysator ein hoher negativer Lambda-Gradient, der als Lambda-Dynamik-Anregung für die Gradienten-Überwachung genutzt werden kann.
Alternativ zur Bewertung des Mager-Fett-Sprungs zu Beginn einer NSC-Regeneration kann auch der Fett-Mager-Sprung am Ende einer NSC-Regeneration heran gezogen werden. Abgesehen von diesen passiven Ansätzen zur Nutzung bereits gegebener Lambda-Fett-Gradienten besteht auch die Möglichkeit, solche Lambda-Gradienten durch aktive Maßnahmen explizit für den Zweck der Überwachung zu erzeugen.
2 und 3 zeigen beispielhaft im oberen Abschnitt der Signal-Verlaufsdiagramme 100 eine passive Lambda-Dynamik-Anregung beim Start des NSC-Regenerationsbetriebs.
Im mittleren Abschnitt des Signal-Verlaufsdiagramms 100 in 2 und 3 ist an der linken Ordinate des Diagramms ein Lambda-Gradientenwert 102 in 1/s und an der rechten Ordinate des Diagramms ein quadrierter Lambda-Gradientenwert 104 in (1/s)² aufgetragen. Ein Lambda-Gradientenverlauf 108 beschreibt die zeitliche Ableitung des Lambdaverlaufs nach NSC 107 im Fettbereich bei λ < 1 für das Rohsignal (gepunktete Linie). Ein gefilterter Lambda-Gradientenverlauf 109 zeigt den zeitlichen Verlauf für ein PT-1-gefiltertes Signal des Gradienten des Lambdaverlaufs nach NSC 107 (durchgezogene Linie). Weiterhin ist im unteren Teil des mittleren Diagrammabschnittes der Verlauf eines Gradientenquadrates 110 dargestellt.
Die vorgeschlagene Funktion nutzt aus, dass der NSC den einlassseitigen Lambda-Fett-Gradienten in Abhängigkeit von seinem Schädigungsgrad verringert. Ein intakter NSC zeigt aufgrund seines Speichervermögens an oxidierenden Komponenten, wie Sauerstoff und/ oder Stickoxiden, durch den nahezu vollständigen chemischen Umsatz der reduzierenden Abgasanteile auslassseitig einen Lambdawert nahe bei λ = 1, d.h. der Lambda-Gradient wird gegenüber der Katalysator-Einlassseite stark verändert. Ein geschädigter NSC weist im Gegensatz dazu einen raschen Fettgas-Durchbruch auf, d.h. der Lambda-Wert 101 nach NSC kann deutlich unterhalb von λ = 1 liegen, so dass auch der Lambda-Gradientenwert 102 größere Werte annehmen kann.
Im unteren Abschnitt des Signal-Verlaufsdiagramms 100 in 2 und 3 ist ein Gradienten-Merkmalswert 103 in Abhängigkeit der Zeit 105 mit einem Merkmalswertverlauf 111 (durchgezogene Linie) dargestellt. Dieser Wert wird aus dem Integral des quadrierten und gefilterten Lambda-Gradientenverlaufs 108 gebildet. Die Integration läuft während des Überwachungszeitraumes 112, so dass am Ende des Überwachungszeitraumes 112 ein Endwert 113 für den Gradienten-Merkmalswert 103 vorliegt. Mit einem schwarzen Punkt ist jeweils dieser Endwert 113 des Gradienten-Merkmalswertes 103 am Ende des Überwachungszeitraumes 112 markiert. Dieser finale Wert wird schließlich mit einer frei definierbaren Fehlerschwelle 114 verglichen. Diese ist als gestrichelte Linie im unteren Abschnitt des jeweiligen Signal-Verlaufsdiagramms 100 in 2 und 3 gekennzeichnet. Liegt der Wert unterhalb der Fehlerschwelle 114, so wird der NSC als „intakt“ erkannt, andernfalls wird der NSC als „defekt“ erkannt. Wegen der Abhängigkeit der Katalysatoraktivität von der Umgebungsbedingungen, wie Katalysatortemperatur und Abgasmassenstrom, ist es ferner sinnvoll, die Fehlerschwelle 114 für die Erkennung eines defekten Katalysators in Abhängigkeit von diesen Bedingungen zu definieren.
4 zeigt in einem Flussdiagramm 200 den möglichen Ablauf der NSC-Überwachung basierend auf der Gradienten-Methode.
Die Funktion startet (Start 201) entweder in einer ersten Funktionseinheit 202 mit der Detektion einer Lambda-Fett-Dynamik, beispielsweise beim Start des NSC-Regenerationsbetriebs, oder mit der Aktivierung eines geeigneten Motorbetriebs zur Bereitstellung einer anregenden Lambda-Fett-Dynamik.
Als nächster Schritt erfolgt in einer zweiten Funktionseinheit 203 die Berechnung des Gradienten-Merkmalwertes 103 (siehe 2 und 3). Liegt das Ergebnis vor, wird mittels einer ersten Abfrage 204 geprüft, ob die Bedingungen während der Überwachung, z.B. der thermische Zustand des NSC, die Güte der Lambda-Fett-Dynamik, günstig waren und somit ein robustes Überwachungsergebnis zu erwarten ist. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu einem Abbruch (Ende 208), andernfalls erfolgt eine Fehlerprüfung. Dabei wird mittels einer zweiten Abfrage 205 der Gradienten-Merkmalswert 103 mit der Fehlerschwelle 114 (siehe 2 und 3) verglichen. Liegt der Gradienten-Merkmalswert 113 unterhalb der Fehlerschwelle 114, so wird in einer dritten Funktionseinheit 206 ein „intakter NSC“ detektiert und das Verfahren beendet (Ende 208). Ist dies nicht der Fall, wird in einer vierten Funktionseinheit 207 ein „defekter NSC“ identifiziert und anschließend das Verfahren beendet (Ende 208).
Die Überwachungsphase beginnt mit dem Start der Lambda-Fett-Dynamik, also im Bereich λ ≤ 1. In der vorliegenden beispielhaften Ausführung wurde das Lambda-Signal nach NSC diesbezüglich als Kriterium geprüft. Das Ende der Überwachung kann beispielsweise dem Ende der Lambda-Fett-Dynamik entsprechen. Für ein solches Kriterium für das Ende kann der Lambda-Gradientenwert 102 vor dem NSC heran gezogen werden. Es kann z.B. auch ein minimales Reduktionsmittelangebot, bestimmt aus dem Lambda-Signal vor dem NSC, herangezogen werden, nach dessen Erreichung keine Lambda-Dynamik mehr zu erwarten ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1831509 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (60) im Abgaskanal (30) einer zumindest zeitweise mager betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine (1) Stickoxide aus dem Abgas von dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) gespeichert werden, wobei während einer Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators (60) die Brennkraftmaschine (1) fett betrieben und dadurch die in dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) gespeicherten Stickoxide entfernt werden und wobei eine für den Verlauf der Regeneration charakteristische Abgaskomponente oder Abgaskenngröße während der Regenerationsphase mittels einer Abgassonde (70) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Änderung eines zeitlich veränderbaren Lambdaverlaufs (106) vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) im Bereich λ < 1 Änderungen in einem Lambda-Gradientenverlauf (108) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) oder daraus abgeleiteter Größen als Merkmal zur Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators (60) ausgewertet und anhand dieser Werte eine Diagnose der Speicherfähigkeit für Stickoxide des Stickoxid-Speicherkatalysators (60) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Lambda-Gradientenverlaufs (108) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) oder ein quadrierter Lambda-Gradientenverlauf zur Diagnose verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Gradientenverlauf (108) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) mittels einer Filterfunktion zeitlich geglättet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Integration des quadrierten Lambda-Gradientenverlaufs ein Gradienten-Merkmalswert (103) berechnet und ein Endwert (113) des Gradienten-Merkmalswertes (103) am Ende eines Überwachungszeitraumes (112) mit einer Fehlerschwelle (114) verglichen und anhand des Ergebnisses ein defekter oder intakter Stickoxid-Speicherkatalysator (60) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerschwelle (114), abhängig von Umgebungsbedingungen für den Stickoxid-Speicherkatalysator (60) und/ oder Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (1) appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose bei Detektion einer Lambda-Fett-Dynamik oder mit der Aktivierung eines geeigneten Motorbetriebes zur Bereitstellung einer anregenden Lambda-Fett-Dynamik gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer als Lambdasonde ausgelegten Abgassonde (50) in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) ein anregungsseitiger Lambdawert (101) oder Lambda-Gradientenwert (102) bestimmt und der Lambda-Gradientenverlauf (108) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) normiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der anregungsseitige Lambdawert (101) oder Lambda-Gradientenwert (102) modellhaft bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung oder Diagnose des Stickoxid-Speicherkatalysators (60) in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt nach Erkennung einer dynamischen Lambda-Anregung die Diagnose gestartet, in einem zweiten Schritt der Gradienten-Merkmalswert (103) berechnet, in einem dritten Schritt überprüft wird, ob bestimmte Robustheitsbedingungen erfüllt sind, in einem vierten Schritt überprüft wird, ob der Gradienten-Merkmalswert (103) die Fehlerschwelle (114) unterschreitet, und bei Erfüllung dieser Bedingungen ein intakter und bei Überschreiten der Fehlerschwelle (114) ein defekter Stickoxid-Speicherkatalysator (60) detektiert und die Diagnosephase beendet wird, wobei bei Nicht-Erfüllung der Robustheitsbedingungen die Diagnose abgebrochen und zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt wird.
Vorrichtung zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (60) im Abgaskanal (30) einer zumindest zeitweise mager betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine (1) Stickoxide aus dem Abgas von dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) speicherbar sind, wobei während einer Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators (60) die Brennkraftmaschine (1) fett betrieben und dadurch die in dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) gespeicherten Stickoxide entfernt werden und wobei eine für den Verlauf der Regeneration charakteristische Abgaskomponente oder Abgaskenngröße während der Regenerationsphase mittels einer Abgassonde (70) erfassbar und in einer Diagnoseeinheit (81) auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit Einrichtungen zur Durchführung des Überwachungsverfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, wie Komparatoren, Kennfeldspeicher und Berechnungseinheiten zur Berechnung eines Gradienten-Merkmalswertes (103) aus einem Lambda-Gradientenverlauf (108) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60), aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassonde (70) nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) im Abgaskanal (30) angeordnet ist und als Lambda-Sonde ausgebildet ist und optional eine weitere als Lambda-Sonde ausgebildete Abgassonde (50) vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator (60) vorgesehen ist, deren Signale von der Diagnoseeinheit (81) auswertbar sind.