DE102014202035A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei eine Sprungantwort eines Sauerstoffsignals eines in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator angeordneten Abgassensors auf einen sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten dem Stickoxid-Speicher-Katalysator zugeführten Abgas ausgewertet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Abgassensor mit einer Welligkeit des Sauerstoffsignals mit einem Maximum und einem nachfolgenden Minimum beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas verwendet wird und dass ein Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit von der Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die sichere Erkennung eines defekten Stickoxid-Speicher-Katalysators mit bei modernen Brennkraftmaschinen vorgesehenen Abgassensoren.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei eine Sprungantwort eines Sauerstoffsignals eines in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator angeordneten Abgassensors auf einen sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten dem Stickoxid-Speicher-Katalysator zugeführten Abgas ausgewertet wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des 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 (NOx), im Überschuss gegenüber den reduzierenden Abgaskomponenten, wie Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und/ oder Kohlenwasserstoffen (HC), vor. Auch Dieselmotoren arbeiten 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 Stickoxid-Speicher-Katalysatoren (NOx-Speicher-Katalysator oder Nitrogen Oxide Storage Catalyst – NSC) vorzusehen. Ein Stickoxid-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 Stickoxid-Speicher-Katalysators zu erhalten, muss das eingelagerte Stickoxid von Zeit zu Zeit entfernt werden. Zur Durchführung einer solchen Regeneration des Stickoxid-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 Stickoxid-Speicher-Katalysator wieder aufnahmefähig für Stickoxide.
  • Die aktuell gültigen Bestimmungen zur On-Board-Diagnose (OBD) in Europa und in den USA fordern eine Überwachung von Stickoxid-Speicher-Katalysatoren hinsichtlich ihrer emissionsmindernden Wirkung auf Stickoxide (NOx).
  • Aus der EP 1 831 509 B1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Stickoxid-Speicherfähigkeit eines als Startkatalysator eingesetzten Stickoxid-Speicher-Katalysators in einer Abgasreinigungsanlage eines Kraftfahrzeuges mit Magermotor bekannt, welche ein Katalysatorsystem aus dem Startkatalysator und einem ebenfalls als Stickoxid-Speicher-Katalysator ausgebildeten Hauptkatalysator enthält. Dabei wird aus 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. Die Zeitdauer nach dem Zurückschalten in den Magerbetrieb bis zum erneuten Übersteigen des Regenerationskriteriums hinter dem Katalysatorsystem wird als Maß für die Stickoxid-Speicherfähigkeit des Startkatalysators gemessen.
  • Die DE 10 2008 027 575 A1 beschreibt ein Diagnoseverfahren für ein katalytisch wirksames Abgasreinigungselement, dem Abgas eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei eine als Reaktion auf einen sprungartig durchgeführten Mager-Fett-Wechsel und/oder Fett-Mager-Wechsel des Motorbetriebs auftretende Sprungantwort des Abgasreinigungselements in Form eines Signals eines stromab des Abgasreinigungselements angeordneten stromabwärtigen Abgassensors in Bezug auf eine Alterung des Abgasreinigungselements ausgewertet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass als stromabwärtiger Abgassensor ein Stickoxidsensor eingesetzt wird. Zur Bestimmung der Alterung des Abgasreinigungselements wird eine zeitliche Verzögerung eines Binärsignals, welches dem Lambda-Signal des nach dem Abgasreinigungselement angeordneten Stickoxid-Sensors entspricht, gegenüber einem Signal eines vor dem Abgasreinigungselement angeordneten Lambda-Signals ausgewertet. Nachteilig hierbei ist, dass die Verzögerung neben der Alterung des Abgasreinigungselements von vielen weiteren Faktoren, welche die Gaslaufzeit durch das Abgasreinigungselement beeinflussen, abhängig ist. Diese müssen entsprechend berücksichtigt werden, was zu einer großen Messunsicherheit führt. In einem alternativen Auswerteverfahren werden ein lokales Maximum und ein lokales Minimum des Stickoxid-Konzentrationssignals des Stickoxid-Sensors als Antwort auf einen sprungartigen Mager-Fett-Wechsel ausgewertet. Die Ursache des diskontinuierlichen Anstiegs des Stickoxid-Konzentrationssignals liegt in einer vorübergehenden katalytischen Denox-Aktivität des Abgasreinigungselements und somit im tatsächlichen Verlauf der dem Abgassensor zugeführten NOx-Konzentration des Abgases. Die Ausprägung und zeitliche Abfolge des Maximums und des Minimums sind dabei von dem Alterungszustand des Abgasreinigungselements abhängig.
  • Im Rahmen einer zuverlässigen On-Board-Diagnose eines Stickoxid-Speicher-Katalysators ist es erforderlich, dass eine Überwachungsfunktion bereitgestellt wird, die einen intakten Stickoxid-Speicher-Katalysator, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes WPA-Muster („worst part acceptable“), von einem defekten Stickoxid-Speicher-Katalysator, im Sinne der Gesetzgebung ein sogenanntes BPU-Muster („best part unacceptable“), unterscheiden kann.
  • Eine Schädigung des Stickoxid-Speicher-Katalysators bewirkt beispielsweise eine Verminderung des Reduktionsmittelverbrauchs während einer vollständigen Regeneration. Diese Größe ist mittels zweier Lambdasonden, die vor und nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator verbaut sind, zugänglich, so dass sie als Überwachungsmerkmal für eine Diagnose des Stickoxid-Speicher-Katalysators genutzt werden kann. Wesentlich hinsichtlich der Robustheit und Sensitivität des Verfahrens, den Reduktionsmittelverbrauch zu überwachen, ist insbesondere eine Bestimmung der exakten Lambda-Werte der beiden Sonden.
  • 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.
  • Alle diese Maßnahmen sind aufwändig in der Umsetzung und schränken die verfügbaren Zeiträume zur Durchführung der Überwachung stark ein.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines zuverlässigen und häufig anwendbaren Überwachungsverfahrens für Stickoxid-Speicher-Katalysatoren mit einer hohen Unterscheidungskraft für intakte und defekte Stickoxid-Speicher-Katalysatoren.
  • 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 ein Abgassensor mit einer Welligkeit des Sauerstoffsignals mit einem Maximum und einem nachfolgenden Minimum beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas verwendet wird und dass ein Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit von der Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals bestimmt wird.
  • Dabei kann es vorgesehen sein, dass bei einer gering ausgeprägten Welligkeit des bestimmten Sauerstoffsignals auf einen nicht oder nur gering gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator und bei einer stark ausgeprägten Welligkeit auf einen stark gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator geschlossen wird.
  • Eine Welligkeit des Sauerstoffsignals tritt bei Abgassensoren mit gepumpten Sauerstoffmesszellen auf. Dabei ist der Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration des zu bestimmenden Abgases. Beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas ändert sich die Pumpstromrichtung an der Sauerstoffmesszelle. Dies führt auf Grund von Umladungseffekten an den Platin-Elektroden (Polarisation) der Sauerstoffmesszelle zu einer sogenannten Lambda = 1-Welligkeit (L1W), welche sich in einem unstetigen Verlauf des Sauerstoffsignals (Lambda-Signal) des Abgassensors mit einem ausgeprägten Maximum und einem ausgeprägten Minimum zeigt. Wie stark sich das Maximum und das Minimum ausbilden hängt neben dem Aufbau des Abgassensors von der Differenz und dem Gradienten der Sauerstoff-Konzentrationsänderung im Bereich des Abgassensors ab. Dabei führen eine große Differenz und ein starker Gradient der Sauerstoff-Konzentrationsänderung zu einem starken Gradienten des Sauerstoff-Pumpstroms und zu einer starken Ausprägung des Maximums und des Minimums und somit der Welligkeit des Sauerstoffsignals des Abgassensors, während eine kleine Differenz oder ein kleiner Gradient zu einer schwachen Ausprägung der Welligkeit führen. Der Verlauf der nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator vorliegenden Sauerstoff-Konzentrationsänderung ist bei einem gegebenen Lambda-Sprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator abhängig von dem Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators. Bei einem nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator ergibt sich ein geringerer Gradient der Sauerstoff-Konzentrationsänderung als bei einem gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator. Entsprechend ist bei einem nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator die resultierende Lambda = 1-Welligkeit schwächer ausgeprägt als bei einem gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator. Die Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals des Abgassensors ist demnach ein indirektes Maß für den Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators und kann entsprechend für die Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators verwendet werden. Die Reproduzierbarkeit des Verfahrens ist dabei so gut, dass, beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Überwachung, eine sichere Unterscheidung zwischen einem WPA (worst part acceptable) und einem BPU (best part unacceptable) für den Stickoxid-Speicher-Katalysator ermöglicht wird.
  • Die Welligkeit des Sauerstoffsignals kann dadurch bewertet werden, dass ein Maß für die Welligkeit des Sauerstoffsignals aus einer Amplitude des Maximums und/oder des Minimums, jeweils bezogen auf einen aus dem Maximum und dem Minimum ermittelten Mittelwert, bestimmt wird oder dass das Maß aus einer Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum bestimmt wird oder dass das Maß aus einer Fläche der Überschwingung im Bereich des Maximums und einer Fläche der Unterschwingung im Bereich des Minimums, jeweils bestimmt zwischen dem Sauerstoffsignal und dem aus dem Maximum und dem Minimum ermittelten Mittelwert, bestimmt wird. Die Bestimmung des Maßes aus den Amplituden ist einfach umsetzbar und kann gegebenenfalls auf die Auswertung des Maximums oder des Minimums begrenzt werden. Die Bestimmung des Maßes aus der Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum bietet den Vorteil, dass sie sich auf keinen zusätzlich zu bestimmenden Mittelwert bezieht. Die Bestimmung des Maßes aus den Flächeninhalten des Verlaufs des Sauerstoffsignals bietet den Vorteil einer hohen Messsicherheit, da bei einer Einzelmessung möglicherweise auftretende Fehler, beispielsweise bei der Bestimmung des Maximums oder des Minimums, ausgemittelt werden.
  • Eine Bewertung der Alterung des Stickoxid-Speicher-Katalysators kann dadurch erfolgen, dass für das Maß der Welligkeit des Sauerstoffsignals ein Grenzwert festgelegt wird und dass bei Überschreitung des Grenzwertes auf einen defekten Stickoxid-Speicher-Katalysator oder auf einen stark gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator geschlossen wird.
  • Neben dem Alterungszustand beeinflussen weitere Kenngrößen das Speicher- und Konvertierungsverhalten des Stickoxid-Speicher-Katalysators und somit den nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator vorliegenden Gradienten der Sauerstoff-Konzentrationsänderung. Um dies zu berücksichtigen kann es vorgesehen sein, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom durch den Stickoxid-Speicher-Katalysator oder von einer Temperatur des Stickoxid-Speicher-Katalysators oder von einem Sollwert für einen Lambdasprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator oder von einem Gradienten des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator beim sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas jeweils für sich betrachten oder in Kombination der Kenngrößen festgelegt wird.
  • Die Welligkeit des Sauerstoffsignals kann abhängig von der Elektrodenbeschaffenheit und dem Sensorlayout des verwendeten Abgassensors unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Um dies zu berücksichtigen kann es vorgesehen sein, dass bei der Festlegung des Grenzwertes die Neigung des Abgassensors zur Ausbildung der Welligkeit des Sauerstoffsignals berücksichtigt wird.
  • Unter ungünstigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine oder der Abgasanlage kann die Messgenauigkeit des Verfahrens eingeschränkt sein. Um eine Fehlerhafte Bewertung des Stickoxid-Speicher-Katalysators zu vermeiden kann es vorgesehen sein, dass die Funktion zur Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom durch den Stickoxid-Speicher-Katalysator oder von einer Temperatur des Stickoxid-Speicher-Katalysators oder von einem Sollwert für einen Lambdasprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator oder von einem Gradienten des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator beim sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas jeweils für sich betrachten oder in Kombination der Kenngrößen freigegeben wird. Zur Freigabe der Überwachungsfunktion müssen die betrachteten Kenngrößen jeweils in einem vorgegebenen Bereich liegen.
  • Zur Durchführung des Verfahrens ist eine sprunghafte Änderung der Zusammensetzung des Abgases vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator von mager nach fett erforderlich. Daher kann es vorgesehen sein, dass die Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators bei einem sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas zur Regeneration des Stickoxid-Speicher-Katalysators durchgeführt wird oder dass zur Durchführung der Überwachung ein gesonderter sprunghafter Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas durchgeführt wird. Wird die Überwachung bei einem ohnehin vorgesehenen Wechsel der Abgaszusammensetzung zur Regeneration des Stickoxid-Speicher-Katalysators durchgeführt, ist kein zusätzlicher fetter Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem damit verbundenen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Durchführung der Diagnose erforderlich. Eine gezielte Überwachung bei einem gesondert durchgeführte Wechsel der Abgaszusammensetzung hat hingegen den Vorteil, dass der Lambdasprung auf die Anforderungen der Überwachung angepasst und die Überwachung in geeigneten Zeiträumen durchgeführt werden kann.
  • Entsprechend einer Erfindungsvariante kann es vorgesehen sein, dass der Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators bestimmt und bei der Einstellung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoff-Gemischs berücksichtigt wird. Durch einen geeigneten Betrieb der Brennkraftmaschine kann die Abgaszusammensetzung und die Abgastemperatur derart beeinflusst werden, dass auch mit einem gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator Grenzwerte für die erlaubte Schadstoffemission eingehalten werden können.
  • Das Verfahren erfordert die Verwendung eines Abgassensors mit einer Welligkeit eines ausgegebenen Sauerstoffsignals bei einem Lambdasprung von mager nach fett. Daher kann es vorgesehen sein, dass als Abgassensor eine Breitband-Lambdasonde oder ein Stickoxid-Sensor verwendet wird.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass als Abgassensor ein Abgassensor mit einer Welligkeit des Sauerstoffsignals mit einem Maximum und einem nachfolgenden Minimum beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator angeordnet ist, dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines Maßes für die Welligkeit des Sauerstoffsignals aus dem Verlauf des Sauerstoffsignals hinterlegt ist und dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines Alterungszustands des Stickoxid-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit von der Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals hinterlegt ist. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Abgassystem mit einem Stickoxid-Speicher-Katalysator,
  • 2 ein erstes Signal-Verlaufsdiagramm für einen nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator,
  • 3 ein zweites Signal-Verlaufsdiagramm für einen gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator.
  • 1 zeig ein Abgassystem 10 mit einem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11. In einem Abgaskanal 14 wird Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine entlang einer durch einen Pfeil markierten Strömungsrichtung 16 geleitet. Die Brennkraftmaschine ist dabei als mager betriebener Dieselmotor ausgeführt. Entlang des Strömungsweges des Abgases sind eine erste Lambda-Sonde 17, in einem gemeinsamen Gehäuse 13 der Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 und ein Partikelfilter 12, eine zweite Lambda-Sonde 18, ein Stickoxid-Sensor 19 und ein SCR-Katalysator 15 angeordnet.
  • Der Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 speichert im regulären Magerbetrieb der Brennkraftmaschine das in dem Abgas geführte NOx. Eine Regeneration des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 erfolgt durch ein intermittierendes Angebot von Reduktionsmittel im Abgas, zum Beispiel durch einen Fettbetrieb der Brennkraftmaschine bei einem Lambda < 1. Nach einer durchgeführten Regeneration ist der Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 wieder für NOx aufnahmefähig.
  • Der Partikelfilter 12 filtert in dem Abgas geführte Rußpartikel aus. Diese werden in einem regelmäßig durchgeführten Regenerationszyklus durch Erhöhen der Abgastemperatur verbrannt.
  • Der abschließende SCR-Katalysator 15 (SCR: Selective Catalytic Reduction) vermindert die Stickoxidemission der Brennkraftmaschine sowie gleichzeitig die Emission von Distickstoffmonoxid. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Hierzu kann beispielhaft Ammoniak verwendet werden, welches direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird.
  • Die aktuell gültigen Bestimmungen zur On-Board-Diagnose (OBD) in Europa und in den USA fordern eine Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 hinsichtlich seiner emissionsmindernten Wirkung auf Stickoxide (NOx). Dies erfordert eine Überwachungsfunktion, die einen intakten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 von einem defekten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 unterscheiden kann. Dabei ist die Überwachungsfunktion derart auszulegen, dass ein im Sinne der Gesetzgebung gerade noch akzeptabler Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 (WPA: worst part acceptable) von einem gerade nicht mehr akzeptablen Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 (BPU: best part unacceptable) unterschieden werden kann.
  • Eine Schädigung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 bewirkt eine Verminderung des Reduktionsmittelverbrauchs sowie eine Erhöhung des Reduktionsmittelschlupfes während einer Regeneration des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11. Diese Größen sind mittels zweier Lambda-Sonden (17, 18), die vor und nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 verbaut sind, zugänglich und können für die Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 verwendet werden. Die Sensitivität des Verfahrens reicht jedoch in der Regel nicht aus, eine geringe Schädigung eines Grenzmusters (BPU) nachzuweisen.
  • Die Erfüllung zukünftiger Abgasnormen erfordert häufig die Anordnung eines SCR-Katalysators 15 hinter einem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11. Für die Steuerung und Überwachung des SCR-Katalysators 15 und der dazu notwendigen HWL-Dosierung ist vor dem SCR-Katalysator 15 der Stickoxid-Sensor 19 verbaut. Der Stickoxid-Sensor 19 gibt neben dem NOx-Signal ein Sauerstoffsignal (Lambdawert) aus. Um Kosten einzusparen ist es wünschenswert, die zweite Lambda-Sonde 18 einzusparen und deren Funktion durch den Stickoxid-Sensor 19 zu übernehmen. Insbesondere die geringe Dynamik des Sauerstoffsignals des Stickoxid-Sensors 19 bei Fettsprüngen lässt jedoch die Durchführung der bekannten Überwachungsverfahren zur sicheren Unterscheidung eines WPA von einem BPU für Stickoxid-Speicher-Katalysatoren 11 nicht zu.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beruht die Funktion des Stickoxid-Sensors 19 auf dem amperometrischen Doppelkammerprinzip. Neben dem NOx-Signal liefert der Stickoxid-Sensor 19 ein lineares Lambda-Signal (24, 34), wie diese in den 2 und 3 dargestellt ist. Das Lambda-Signal (24, 34) des Stickoxid-Sensors 19 zeigt eine starke Lambda = 1-Welligkeit, wie sie näher zu 2 beschrieben ist.
  • 2 zeigt ein erstes Signal-Verlaufsdiagramm 20 für einen nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 bei einem Sprung der Abgaszusammensetzung von mager nach fett. Dabei sind die zeitlichen Verläufe eines ersten Lambda-Signals 23 der vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 angeordneten ersten Lambda-Sonde 17 und des zweiten Lambda-Signals 24 des nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 angeordneten Stickoxid-Sensors 19 gegenüber einer ersten Zeitachse 21 und einer ersten Lambda-Achse 22 dargestellt.
  • Der Verlauf des zweiten Lambda-Signals 24 zeigt beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas bei Lambda = 1 eine als Lambdawelligkeit oder Lambda = 1-Welligkeit bekannte Welligkeit mit einem ersten Maximum 25 und einem ersten Minimum 26 in dem Signalverlauf. Bei einem Übergang von einer mageren (Lambda > 1) zu einer fetten (Lambda > 1) Abgaszusammensetzung ändert sich die Pumpstromrichtung an der Sauerstoffmesszelle des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 schlagartig. Dabei kann es auf Grund von Umladungseffekten an den Platin-Elektroden (Polarisation) zu der gezeigten Lambda = 1-Welligkeit (L1W) kommen. Diese Welligkeit kann abhängig von der Elektrodenbeschaffenheit und dem Sensorlayout unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Zeigt der Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 eine ausgeprägte Lambda = 1-Welligkeit, ist die Amplitude der Signaländerung beim Lambdawechsel von mager nach fett vor allem von der Differenz und dem Gradienten der Sauerstoff-Konzentrationsänderung und dem dadurch bewirkten starken Gradienten des Sauerstoff-Pumpstroms abhängig.
  • 3 zeigt ein zweites Signal-Verlaufsdiagramm 30 für einen gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 bei einem Sprung der Abgaszusammensetzung von mager nach fett. Eine zweite Zeitachse 31 und eine zweite Lambda-Achse 32 entsprechen dabei in ihren Einteilungen den in 2 gezeigten Diagramm-Achsen 21, 22. Ein drittes Lambda-Signal 33 zeigt das Ausgangssignal der vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 angeordneten ersten Lambda-Sonde 17. Ein viertes Lambda-Signal 34 stellt den Verlauf des Sauerstoffsignals des nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 angeordneten Stickoxid-Sensors 19 dar. Das vierte Lambda-Signal 34 weist im Bereich von Lambda = 1 eine stark ausgeprägte Welligkeit mit einem zweiten Maximum 35 und einem zweiten Minimum 36 auf.
  • Die Ausprägung des Über- beziehungsweise Unterschwingens des mit dem Stickoxid-Sensor 19 gemessenen Lambda-Signals 24, 34 beim Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas hängt von dem Gradienten der Sauerstoff-Konzentrationsänderung und des daraus resultierenden Lambda-Signals 24, 34 ab. Bei gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysatoren 11 ist der Lambdagradient hinter dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 bei gleichem Lambda-Sprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 größer als bei nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysatoren 11. Entsprechend ist die Welligkeit des Lambda-Signals 24, 34 (Sauerstoffsignal) bei einem gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 stärker ausgeprägt als bei einem nicht gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11, wie dies im Vergleich des in 2 dargestellten ersten Maximums 25 und des ersten Minimums 26 mit dem in 3 dargestellten zweiten Maximum 35 und dem zweiten Minimum 36 gezeigt ist. Die Ausprägung der Lambdawelligkeit kann daher erfindungsgemäß als indirektes Kriterium für den Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht eine robuste Diagnose des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11. Insbesondere bei Abgassystemen 10, bei denen hinter dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 keine zweite Lambda-Sonde 18 vorgesehen ist, kann mit Hilfe dieses Verfahrens auf Basis des Sauerstoffsignals des Stickoxid-Sensors 19 die gesetzlich vorgeschriebene Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 erfolgen.
  • Die Bestimmung der Welligkeit und darüber der Alterung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 kann auf verschiedene Weise erfolgen. So können zum Beispiel die Flächen der Über- und Unterschwinger bewertet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Auswertung der Amplituden oder der Differenz zwischen dem Maximum 25, 35 und dem Minimum 26, 36 des Lambda-Signals 24, 34. Aus den so gewonnen Werten kann ein Maß für die Welligkeit gebildet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden. Überschreitet die Welligkeit den Grenzwert, kann auf einen defekten oder gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 geschlossen werden.
  • Die Freigabe zur Durchführung der Diagnose sowie die Bestimmung des Grenzwertes für die Welligkeit sind auf Grund der Abhängigkeit der chemischen Prozesse vorzugsweise als Funktion des Abgasmassenstroms, der Temperatur des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 sowie eines Sollwertes für den Lambdasprung zu wählen. Die Welligkeit kann weiterhin von dem Gradienten des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 beim Lambdasprung von mager nach fett abhängen. Daher kann auch der Gradient des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysator 11 als Überwachungsparameter zur Freigabe zur Durchführung der Diagnose oder zur Festlegung des Grenzwertes berücksichtigt werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist das Sauerstoffsignal eines Stickoxid-Sensors 19 für die Auswertung verwendet. Das Verfahren kann jedoch mit allen Abgassonden, die ein Sauerstoffsignal mit einer Lambdawelligkeit bei Lambda = 1 ausgeben, durchgeführt werden.
  • Neben der Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 kann die Information über den Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators 11 bei der Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1831509 B1 [0007]
    • DE 102008027575 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei eine Sprungantwort eines Sauerstoffsignals eines in Strömungsrichtung (16) des Abgases nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) angeordneten Abgassensors auf einen sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) zugeführten Abgas ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgassensor mit einer Welligkeit des Sauerstoffsignals mit einem Maximum (25, 35) und einem nachfolgenden Minimum (26, 36) beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas verwendet wird und dass ein Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) in Abhängigkeit von der Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gering ausgeprägten Welligkeit des bestimmten Sauerstoffsignals auf einen nicht oder nur gering gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) und bei einer stark ausgeprägten Welligkeit auf einen stark gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) geschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für die Welligkeit des Sauerstoffsignals aus einer Amplitude des Maximums (25, 35) und/oder des Minimums (26, 36), jeweils bezogen auf einen aus dem Maximum (25, 35) und dem Minimum (26, 36) ermittelten Mittelwert, bestimmt wird oder dass das Maß aus einer Differenz zwischen dem Maximum (25, 35) und dem Minimum (26, 36) bestimmt wird oder dass das Maß aus einer Fläche der Überschwingung im Bereich des Maximums (25, 35) und einer Fläche der Unterschwingung im Bereich des Minimums (26, 36), jeweils bestimmt zwischen dem Sauerstoffsignal und dem aus dem Maximum (25, 35) und dem Minimum (26, 36) ermittelten Mittelwert, bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Maß der Welligkeit des Sauerstoffsignals ein Grenzwert festgelegt wird und dass bei Überschreitung des Grenzwertes auf einen defekten Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder auf einen stark gealterten Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) geschlossen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom durch den Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einer Temperatur des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einem Sollwert für einen Lambdasprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einem Gradienten des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) beim sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas jeweils für sich betrachten oder in Kombination der Kenngrößen festgelegt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Festlegung des Grenzwertes die Neigung des Abgassensors zur Ausbildung der Welligkeit des Sauerstoffsignals berücksichtigt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion zur Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom durch den Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einer Temperatur des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einem Sollwert für einen Lambdasprung vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) oder von einem Gradienten des Lambdawertes vor dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) beim sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas jeweils für sich betrachten oder in Kombination der Kenngrößen freigegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) bei einem sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas zur Regeneration des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) durchgeführt wird oder dass zur Durchführung der Überwachung ein gesonderter sprunghafter Wechsel von einem mageren zu einem fetten Abgas durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) bestimmt und bei der Einstellung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoff-Gemischs berücksichtigt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassensor eine Breitband-Lambdasonde oder ein Stickoxid-Sensor (19) verwendet wird.
  11. Vorrichtung zur Überwachung eines Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei eine Sprungantwort eines Sauerstoffsignals eines in Strömungsrichtung (16) des Abgases nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) angeordneten Abgassensors auf einen sprunghaften Wechsel von einem mageren zu einem fetten dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) zugeführten Abgas ausgewertet wird und wobei das Sauerstoffsignal einer Steuereinheit zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassensor ein Abgassensor mit einer Welligkeit des Sauerstoffsignals mit einem Maximum (25, 35) und einem nachfolgenden Minimum (26, 36) beim Übergang von einem mageren zu einem fetten Abgas nach dem Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) angeordnet ist, dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines Maßes für die Welligkeit des Sauerstoffsignals aus dem Verlauf des Sauerstoffsignals hinterlegt ist und dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines Alterungszustands des Stickoxid-Speicher-Katalysators (11) in Abhängigkeit von der Ausprägung der Welligkeit des Sauerstoffsignals hinterlegt ist.
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