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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungsgrades eines Lean-NOx-Trap-Katalysators (LNT-Katalysator), ein Verfahren zum Betreiben eines LNT-Katalysators, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem LNT-Katalysator und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung.
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Die Abgase von Brennkraftmaschinen werden einer Abgasnachbehandlung unterzogen, um die Emission von Schadstoffen zu reduzieren. Eine Gruppe solcher Schadstoffe stellen die Stickoxide dar, die beispielsweise mit einer Mager-NOx-Falle (Lean-NOx-Trap, LNT-Katalysator) in unschädliche Gase umgewandelt werden können. Solche LNT-Katalysatoren lagern Stickoxide an ihrer Oberfläche an und entziehen sie so dem Abgas. In einem sogenannten Regenerationszyklus wird die Zusammensetzung des Abgases gezielt so geändert, dass die im LNT-Katalysator gespeicherten Stickoxide mit bestimmten Inhaltsstoffen des Abgases, den Reduktionsmitteln, reagieren und dabei in unschädliche Stoffe umgewandelt werden. Für einen Regenerationszyklus wird die Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoffgemisch betrieben, das heißt, das Kraftstoffgemisch enthält mehr Kraftstoff als mit dem im Kraftstoffgemisch enthaltenen Sauerstoff verbrannt werden kann. Weil das Kraftstoffgemisch also nur unvollständig verbrannt wird, enthält das dabei entstehende Abgas Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Diese Stoffe reagieren schließlich mit den im LNT-Katalysator gespeicherten Stickoxiden und wandeln diese in unschädliche Abgase um.
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Das Ende eines Regenerationszyklusses wird dabei üblicherweise anhand einer Messung des Sauerstoffgehaltes stromabwärts des LNT-Katalysators mit einem Lambda-Sensor bestimmt. Sinkt der Lambdawert unter 1, wird der Regenerationszyklus beendet. Aus den Verhältnissen der Lambdawerte und der mit dem Abgas des fetten Kraftstoffgemischs bereitgestellten Reduktionsmitteln kann dann ein Alterungsgrad des LNT-Katalysators abgelesen werden. Die Genauigkeit der Bestimmung des Alterungsgrades des LNT-Katalysators ist bei diesem Verfahren jedoch gering.
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Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine genauere Bestimmung des Alterungsgrades eines LNT-Katalysators einzuführen.
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Die Erfindung führt daher ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungsgrades eines LNT-Katalysators, der ausgebildet ist, einen Stickoxidgehalt in einem Abgasstrom durch den LNT-Katalysator hindurch zu reduzieren, ein. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:
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Einleiten eines Regenerationszyklusses für den LNT-Katalysator durch Erzeugen eines fetten Kraftstoffgemischs;
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Messen einer Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators während des Regenerationszyklusses; und
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Bestimmen des Alterungsgrades des LNT-Katalysators in Abhängigkeit von einer Anstiegsgeschwindigkeit der gemessenen Wasserstoffkonzentration.
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Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese ein, dass eine Bestimmung des Alterungsgrades eines LNT-Katalysators präzise anhand der Messung der Konzentration von bei der Regeneration des LNT-Katalysators entstehendem Wasserstoffgas möglich ist. Der Wasserstoff entsteht in einer Reaktion von Wasser mit in dem Abgas enthaltenem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasserstoff: CO + H2O → CO2 + H2
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Der Wasserstoff nimmt anschließend an der Umwandlung der im LNT-Katalysator gespeicherten Stickoxide teil. Am Beispiel eines Barium-haltigen LNT-Katalysators kann die Reaktion mit der folgenden Summenformel beschrieben werden: 8H2 + Ba(NO3)2 → 5H2O + BaO + 2NH3
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Der hierbei entstehende Ammoniak wird anschließend oxidiert oder reagiert ebenfalls mit dem im LNT-Katalysator gespeicherten Stickoxid zu Wasser und Stickstoff.
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Speichert der LNT-Katalysator aufgrund einer fortgeschrittenen Alterung nur wenig Stickoxide, entsteht ein Wasserstoffüberschuss, der mit einem Wasserstoffsensor gemessen werden kann. Aus diesem Grund kann der Alterungsgrad des LNT-Katalysators zuverlässig durch die Messung der Wasserstoffkonzentration abgelesen werden. Die Bestimmung des Alterungsgrades des LNT-Katalysators anhand der Anstiegsgeschwindigkeit der Wasserstoffkonzentration besitzt den Vorteil, robust gegen Messfehler zu sein, die durch einzelne verfälschte Messwerte verursacht werden können.
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Der bestimmte Alterungsgrad kann im Rahmen des Betriebs des LNT-Katalysators beispielsweise für eine bessere Steuerung der Abgasnachbehandlung verwendet werden. Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft daher ein Verfahren zum Betreiben eines LNT-Katalysators. Dabei wird ein Alterungsgrad des LNT-Katalysators mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt und der LNT-Katalysator in Abhängigkeit von dem bestimmten Alterungsgrad betrieben.
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Besonders bevorzugt wird dabei ein Warnsignal erzeugt, wenn der bestimmte Alterungsgrad größer als ein Schwellalterungsgrad ist. Das Warnsignal weist darauf hin, dass eine hinreichende Reduktion von Stickoxiden im Abgas nicht mehr gewährleistet werden kann und der LNT-Katalysator gegebenenfalls ersetzt werden muss.
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Auch ist es möglich, einen Regenerationszyklus des LNT-Katalysators zu beenden, wenn die gemessene Wasserstoffkonzentration über eine Schwellkonzentration steigt. Für die Regeneration wird ein fettes Kraftstoffgemisch bereitgestellt, was einen kurzzeitig erhöhten Kraftstoffverbrauch bedingt. Wird der Regenerationszyklus beendet, sobald die Regeneration tatsächlich durchgeführt ist, kann daher der Kraftstoffverbrauch für die Regeneration minimiert werden.
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Besonders bevorzugt wird ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regenerationszyklen für den LNT-Katalysator in Abhängigkeit des bestimmten Alterungsgrades gewählt. Ein wenig gealterter LNT-Katalysator kann eine größere Menge Stickoxide speichern als ein gealterter, so dass ein wenig gealterter LNT-Katalysator bei gleicher Belastung der Brennkraftmaschine seltener regeneriert werden muss. Die Erfindung ermöglicht es, eine Regeneration des LNT-Katalysators erst dann durchzuführen, wenn sie tatsächlich notwendig ist, was wiederum den zusätzlichen Kraftstoffverbrauch für die Regeneration reduziert. Dementsprechend kann auch eine Dauer eines Regenerationszyklusses für den LNT-Katalysator in Abhängigkeit des bestimmten Alterungsgrades gewählt werden.
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Ebenso ist es denkbar, für einen Regenerationszyklus für den LNT-Katalysator ein Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einem Kraftstoffgemisch in Abhängigkeit von dem bestimmten Alterungsgrad des LNT-Katalysators zu wählen. So könnte beispielsweise für einen jungen LNT-Katalysator ein fetteres Kraftstoffgemisch und damit ein höherer Gehalt an Reduktionsmitteln in dem Abgas erzeugt werden als für einen bereits gealterten LNT-Katalysator. Der höhere Gehalt trägt der größeren, in dem LNT-Katalysator gespeicherten Menge an Stickoxiden Rechnung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung führt eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem LNT-Katalysator, einem stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Wasserstoffsensor und einer mit dem Wasserstoffsensor verbundenen Steuereinheit ein. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Abgastrakt. Der Abgastrakt umfasst dabei eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm;
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2 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 zwei Transientendiagramme einer Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm. Ein Kraftfahrzeug 1 verfügt über einen Verbrennungsmotor 2 für den Antrieb des Kraftfahrzeugs 1. Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einem Ansaugkrümmer 3 versehen, der dem Verbrennungsmotor 2 über ein Ansaugrohr 4 und einen Luftfilter 5 Umgebungsluft als Verbrennungsluft zuführt. Der Luftfilter 5 ist dabei vorgesehen, um störende Partikel und dergleichen aus der Verbrennungsluft herauszufiltern, die den Verbrennungsprozess im Inneren des Verbrennungsmotors 2 stören könnten.
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Abgasseitig ist der Verbrennungsmotor 2 mit einem Abgaskrümmer 7 ausgestattet, über den das bei der Verbrennung des Kraftstoffgemischs im Verbrennungsmotor 2 entstehende Abgas aus dem Verbrennungsmotor 2 austreten kann. Das Abgas gelangt als Abgasstrom zu einer Vorrichtung 8 zur Abgasnachbehandlung, die in dem Abgas enthaltene Schadstoffe reduziert. Nach Passieren der Vorrichtung 8 zur Abgasnachbehandlung kann das Abgas beispielsweise über einen Schalldämpfer 9 (optional) und einen Auspuff 10 an die Umgebung abgegeben werden. Es können auch weitere Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung vorgesehen sein, beispielsweise Partikelfilter oder weitere Katalysatoren. Auch können Abgaskühler oder eine Abgasrückführung vorgesehen sein, bei der Abgas der Verbrennungsluft für den Verbrennungsmotor 2 beigemischt wird, was eine Reduktion der Erzeugung von Stickoxiden beim Verbrennungsprozess bewirkt. Im Interesse der Übersichtlichkeit wurden derartige weitere optionale Elemente im Abgastrakt 6 in 1 nicht dargestellt.
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Die Vorrichtung 8 zur Abgasnachbehandlung der Erfindung weist einen Lean-NOx-Trap-Katalysator 11 (Mager-NOx-Falle, LNT) auf, der im Rahmen der Erfindung als „LNT-Katalysator“ bezeichnet wird. Ein LNT-Katalysator lagert in dem Abgasstrom enthaltene Stickoxide an seiner aktiven Oberfläche an und kann die Stickoxide in einem Regenerationszyklus zersetzen. Um einen gewünscht niedrigen Ausstoß an Stickoxiden zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, den Alterungsgrad des LNT-Katalysators 11 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 beziehungsweise des LNT-Katalysators 11 derart angepasst werden, dass der mit zunehmender Alterung sinkenden Effizienz des LNT-Katalysators 11 Rechnung getragen wird. Beispielsweise kann die Häufigkeit und Dauer von Regenerationszyklen für den LNT-Katalysator 11 angepasst werden. Gegebenenfalls kann ein Warnsignal erzeugt werden, das auf die Notwendigkeit eines Austauschs des LNT-Katalysators 11 hinweist.
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Erfindungsgemäß ist daher stromabwärts des LNT-Katalysators 11 ein Wasserstoffsensor 12 vorgesehen, der ausgebildet ist, eine Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom zu messen. Die gemessene Wasserstoffkonzentration wird über ein Messsignal an eine Steuereinheit 13 übermittelt, die anhand der Anstiegsgeschwindigkeit der gemessenen Wasserstoffkonzentration den Alterungsgrad des LNT-Katalysators 11 zuverlässig und präzise bestimmen kann. Die Steuereinheit 13 muss dabei nicht eigens für den Zweck der Bestimmung des Alterungsgrades des LNT-Katalysators 11 vorgesehen sein, sondern kann in eine vorhandene Steuereinheit des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise in ein Motorsteuergerät, integriert sein.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird ein Regenerationszyklus für den LNT-Katalysator 11 durch Erzeugen eines fetten Kraftstoffgemischs für den Verbrennungsmotor 2 eingeleitet. Dies kann beispielsweise durch Späteinspritzung von Kraftstoff (Late Post Injection) geschehen. Das fette Kraftstoffgemisch führt zu einem vergleichsweise hohen Gehalt an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgasstrom. Diese Stoffe reagieren beim Durchströmen des LNT-Katalysators 11 mit den in dem LNT-Katalysator 11 angelagerten Stickoxiden zu ungiftigen Abgasen wie Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff und spülen diesen so.
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In einem Schritt S2, der gleichzeitig mit dem Schritt S1 ausgeführt werden kann, wird eine Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators 11 gemessen. Anschließend wird der Alterungsgrad des LNT-Katalysators 11 in einem Schritt S3 in Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit der gemessenen Wasserstoffkonzentration bestimmt.
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3 zeigt zwei Transientendiagramme einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens während eines „New European Drive Cycles“, eines standardisierten Modells für eine typische Motorbelastung des Verbrennungsmotors 2 eines Kraftfahrzeugs 1. In 3A ist die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 als Kurve A über der Zeit t aufgetragen. Die Drehzahl wird dabei in Umdrehungen pro Minute (1/min) angegeben, die Zeit in Sekunden. In 3A sind außerdem zwei Regenerationszyklen B und C eingetragen, in denen der LNT-Katalysator gespült wird, um ihn von den bei der vorrangegangenen Belastung entstandenen Stickoxiden zu reinigen.
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In 3B ist die Wasserstoffkonzentration stromabwärts des LNT-Katalysators 11 für den zweiten Regenerationszyklus C über der Zeit aufgetragen, wobei jeweils eine Kurve für einen wenig gealterten LNT-Katalysator 11 (Kurve D) und einen gealterten LNT-Katalysator 11 (Kurve E) gezeigt werden.
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3B zeigt, dass sich der Alterungsgrad des LNT-Katalysators zuverlässig und präzise anhand der Wasserstoffkonzentration während eines Regenerationszyklusses ablesen lässt. Während die Wasserstoffkonzentration bei dem wenig gealterten LNT-Katalysator 11 nur langsam ansteigt und Maximalwerte von lediglich ca. 0,6·10^4 ppm erreicht, steigt sie für den gealterten LNT-Katalysator 11 nach einer kurzen Verzögerung bei einem Zeitpunkt von 1131 Sekunden schnell an und erreicht Werte von über 2*10^4 ppm. Der Alterungsgrad des LNT-Katalysators 11 wird daher anhand der Anstiegsgeschwindigkeit des Verlaufs der Wasserstoffkonzentration bestimmt. Die Erfindung führt in Kenntnis dieses Zusammenhangs ein neuartiges Verfahren zum Bestimmen eines Alterungsgrades eines Lean-NOx-Trap-Katalysators (LNT-Katalysator), ein Verfahren zum Betreiben eines LNT-Katalysators, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem LNT-Katalysator und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ein.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Ansaugkrümmer
- 4
- Ansaugrohr
- 5
- Luftfilter
- 6
- Abgastrakt
- 7
- Abgaskrümmer
- 8
- Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung
- 9
- Schalldämpfer
- 10
- Auspuff
- 11
- LNT-Katalysator
- 12
- Wasserstoffsensor
- 13
- Steuereinheit
