DE102014202495A1

DE102014202495A1 - Kraftfahrzeug sowie Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Mager-NOx-Falle

Info

Publication number: DE102014202495A1
Application number: DE102014202495.1A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors (1) durchströmten Mager-NOx-Falle (17) auf thermische Alterung zur Verfügung gestellt. In dem Verfahren erfolgt das Überprüfen innerhalb eines Spülzeitraums, in dem der Mager-NOx-Falle (17) ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird. Zudem erfolgt das Überprüfen, während die Mager-NOx-Falle (17) eine Temperatur im Bereich zwischen 300 °C und 350 °C aufweist. Für das Überprüfen wird der NH3-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas ermittelt. Der Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle (17) wird dann anhand des ermittelten NH3-Gehalts in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas bestimmt. Außerdem werden eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zur Verfügung gestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Mager-NOx-Falle, die einem Verbrennungsmotor nachgeschaltet ist und von dessen Verbrennungsabgasen durchströmt wird, auf thermische Alterung. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug, das mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist.
In Abgassystemen von Verbrennungsmotoren, die mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, also mit einem Gemisch mit einem Lambdawert >1 (Luftüberschuss), kann im Abgaskanal eine sogenannte Mager-NOx-Falle vorhanden sein, um Stickoxide (NOx) zu absorbieren und so die Emissionswerte des Motors zu verbessern. Die Mager-NOx-Falle weist typischerweise eine Vielzahl von Kanälen auf, durch die die Motorabgase geführt werden und an deren Oberfläche die Stickoxide beispielsweise unter Zuhilfenahme von Alkalimetallen wie etwa Barium oder Strontium chemisch gebunden werden. Im Falle von Barium werden die Stickoxide in Form Bariumnitrat gebunden.
Da die Speicherkapazität der Mager-NOx-Falle endlich ist, muss sie von Zeit zu Zeit regeneriert werden, wobei die gespeicherten Stickoxide, im obigen Beispiel also die Bariumnitrate, in Stickstoffdioxid (NO₂) umgewandelt werden, welches anschließend unter Zuhilfenahme von Edelmetallen in der Mager-NOx-Falle in harmlose Stickstoffmoleküle (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt wird. Diese Regeneration der Mager-NOx-Falle erfolgt mittels Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid, mit denen der Abscheider gespült wird. Die Kohlenwasserstoffe bzw. das Kohlenmonoxid werden bspw. dadurch bereitgestellt, dass der Verbrennungsmotor zeitweise mit einem fetten Verbrennungsluftverhältnis, also einem Verhältnis aus Luft zu Kraftstoff mit einem Lambdawert < 1, betrieben wird. Verfahren zum Spülen einer Mager-NOx-Falle sind beispielsweise in DE 102 49 017 A1 und DE 10 2008 019 943 A1 beschrieben. Die Frequenz, mit der die Mager-NOx-Falle regeneriert werden muss, wird einerseits durch die Menge an NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors und andererseits durch die Speicherkapazität der Mager-NOx-Falle, die wiederum von der Temperatur des Abgases abhängt, bestimmt.
Zudem speichert eine Mager-NOx-Falle nicht nur Stickoxide, sondern auch Sulfate, die ebenfalls im Abgas vorhanden sind. Das Speichern von Sulfaten führt jedoch zu einer Verschlechterung der NOx-Speicherkapazität der Mager-NOx-Falle. Um die in der Mager-NOx-Falle gespeicherten Sulfate wieder zu entfernen, muss die Mager-NOx-Falle auf hohe Temperaturen, die typischerweise zwischen 600°C und 700°C liegen, geheizt werden. Außerdem muss während des Heizens ein reduzierendes Gas zugeführt werden, was typischerweise erfolgt, indem der Verbrennungsmotor über eine bestimmte Zeitdauer mit einem fetten Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, stromaufwärts zu der Mager-NOx-Falle Brennstoff in den Abgastrakt einzuspritzen.
Das Entfernen der gespeicherten Sulfate verursacht jedoch aufgrund der Temperaturen im Bereich zwischen 600°C und 700°C Sinterprozesse, die zu Verlust an reaktiver Oberfläche führen, was wiederum zu einer verringerten Speicherkapazität sowie zu einem verringerten Vermögen, die Stickoxide zu Stickstoffmolekülen, Kohlendioxid und Wasser zu reduzieren, führt. Das Altern von Mager-NOx-Fallen ist beispielsweise von C. Schenk und C. Laroo "NOx Adsorber Aging on a Heavy-Duty On-Highway Diesel Engine – Part One" in SAE Technical Paper 2003-01-0042, 2003 beschrieben. In der Praxis ist es daher von Bedeutung, das thermische Altern einer Mager-NOx-Falle zu überwachen, um vermeiden zu können, dass die Emissionswerte des Verbrennungsmotors aufgrund einer überalterten Mager-NOx-Falle zu sehr ansteigen.
Im Stand der Technik werden zum Überwachen der Alterung der Mager-NOx-Falle hauptsächlich Messungen des Abgas-Lambda-Werts stromaufwärts und stromabwärts der Mager-NOx-Falle herangezogen. Während des Betriebs mit dem fetten Luft/Kraftstoff-Gemisch werden die Messsignale für die Lambda-Werte dazu verwendet, den Reduktorgehalt stromaufwärts und stromabwärts der Mager-NOx-Falle zu berechnen. Der Abfall im Gehalt an Reduktoren nach dem Austritt aus der Mager-NOx-Falle relativ zum Gehalt der der Mager-NOx-Falle zugeführten Reduktoren dient dann als Maß für die thermische Alterung der Mager-NOx-Falle. Diese Vorgehensweise kann dazu genutzt werden, hohe thermische Alterungen (die dazu führen, dass weniger als 15 bis 20 % der Stickoxide gespeichert und in Stickstoffmoleküle, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden) festzustellen. Strengere Anforderungen an die On-Board-Diagnose für das Überwachen der NOx-Emissionen, wie sie zum Beispiel in EURO 6, Phase 2 gefordert werden, machen jedoch ein akkurateres Überwachungskonzept für die NOx-Emissionen nötig, was wiederum ein akkurateres Konzept zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung erfordert.
Die US 2009/0199543 A1 beschreibt ein Überwachungssystem für einen NOx-Katalysator im Abgastrakt eines mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch betriebenen Verbrennungsmotors. Mit dem Überwachungssystem kann auf der Basis eines integrierten NOx-Signals eine Verschlechterung des Katalysators ermittelt werden. Das intergierte NOx-Signal wird dabei mittels der Integration eines NOx-Signals, das mit einem dem Katalysator nachgeschalteten NOx-Sensor erfasst wird, gewonnen. Die Integration beginnt mit dem Start einer vorübergehenden Regenerationsphase, in der dem Katalysator ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt wird und endet mit dem Start der darauffolgenden Regenerationsphase. Da der NOx-Sensor nicht nur auf NOx, sondern auch auf NH₃ reagiert, enthält das integrierte NOx-Signal sowohl einen Anteil, der auf aus dem Katalysator austretendes NOx zurückzuführen ist, als auch einen Anteil, der auf aus dem Katalysator austretendes NH₃ zurückzuführen ist. Wenn derjenige Anteil des NOx-Signals, der dem aus dem Katalysator austretenden NH₃ zugeschrieben wird, eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird der Katalysator als verschlechtert angesehen, andernfalls als nicht verschlechtert. Als Anteil des NOx-Signals, der dem NH₃ zuzuschreiben ist, wird dabei derjenige Anteil des integrierten NOx-Signals angesehen, der auf eine sich an den Abschluss der Regenerationsphase zeitlich anschließende Spitze in dem erfassten NOx-Signal zurückzuführen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Verfahren sowie eine vorteilhafte Vorrichtung zum Überwachen der thermischen Alterung einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Mager-NOx-Falle zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Mager-NOx-Falle, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, sowie durch eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 10 beansprucht ist, gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors durchströmten Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung erfolgt das Überprüfen innerhalb eines Spülzeitraums, in dem der Mager-NOx-Falle ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird. Das Erzeugen des reduzierenden Abgasgemisches kann dabei erfolgen, indem der Verbrennungsmotor während des Spülzeitraums mit einem fetten Luft/Kraftstoff-Gemisch, also einem Brennstoffgemisch mit einem Lambda-Wert < 1 (Luftmangel) betrieben wird. Alternativ kann das reduzierende Abgasgemisch erzeugt werden, indem während des Spülzeitraums in einem Bereich, der stromabwärts des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der Mager-NOx-Falle liegt, Brennstoff in das Verbrennungsabgas eingespritzt wird. Das Überprüfen erfolgt, während die Mager-NOx-Falle eine Temperatur im Bereich zwischen 300°C und 350°C aufweist. Zum Überprüfen wird der NH₃-Gehalt (Ammoniakgehalt) in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas ermittelt. Aus dem ermittelten NH₃-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas wird dann der Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle bestimmt.
Dabei zeigt im Temperaturbereich von 300 bis 350°C bereits das Vorhandensein von Ammoniak in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas an, dass eine thermische Alterung der Falle vorliegt. Aus der Menge an ermitteltem Ammoniak in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas kann dabei auf den Alterungsgrad der Mager-NOx-Falle geschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass während der Mager-NOx-Falle ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird, Ammoniak erzeugt werden kann. Die Menge an erzeugtem Ammoniak hängt dabei im Wesentlichen von den folgenden Faktoren ab: dem Gehalt an Reduktoren im Verbrennungsabgas, der Menge an gespeicherten Stickoxiden in der Mager-NOx-Falle, der Temperatur der Mager-NOx-Falle, dem Abgasmassenstrom (oder äquivalent dem Abgasvolumenstrom oder der Raumgeschwindigkeit des Abgases) in der Mager-NOx-Falle und dem Alterungsgrad der Mager-NOx-Falle. Typischerweise kann das Erzeugen von Ammoniak bei einer sogenannten "de-greened" Mager-NOx-Falle im Temperaturbereich bis 350°C vermieden werden. Der Begriff "de-greened" beschreibt dabei eine Mager-NOx-Falle, die zuvor in einem bestimmten Prozess so betrieben wurde, dass ihre Fähigkeit, Stickoxide zu speichern und in Stickstoffmoleküle, Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln, ein stabiles Niveau erreicht hat. Eine Mager-NOx-Falle nach dem de-greening wandelt beim Spülen typischerweise mindestens 60% des gespeicherten NOx in Stickstoffmoleküle, Kohlendioxid und Wasser um. Das Vermeiden der Ammoniakerzeugung in einer "de-greened" Mager-NOx-Falle kann typischerweise erreicht werden, indem der Durchbruch von Reduktoren durch die Mager-NOx-Falle mit Hilfe einer Lambda-Sonde überwacht wird. Wenn die Mager-NOx-Falle thermisch altert, nimmt ihre Speicherkapazität für Stickoxide sowie ihre Fähigkeit, gespeicherte Stickoxide in Stickstoffmoleküle, Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln, stark ab. Diese Abnahme führt zu einer unvermeidbaren Produktion von Ammoniak, wenn der Mager-NOx-Falle Verbrennungsabgas zugeführt wird, welches Reduktoren enthält. Das Ammoniak wird dabei aus Stickoxiden erzeugt, die aus der Mager-NOx-Falle freigelassen werden, sowie aus Stickoxiden, die der Mager-NOx-Falle mit dem Verbrennungsabgas zugeführt werden. Aus dem Auftreten von Ammoniak stromabwärts der Mager-NOx-Falle kann dabei darauf geschlossen werden, dass eine thermische Alterung der Mager-NOx-Falle stattgefunden hat. Aus dem Anteil des Ammoniaks an den Verbrennungsabgasen stromabwärts der Mager-NOx-Falle kann zudem auf den Alterungsgrad der Falle geschlossen werden.
Der Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsgas kann beispielsweise mit Hilfe einer direkten Messung ermittelt werden. Hierzu kann insbesondere ein Ammoniaksensor zum Einsatz kommen. Alternativ besteht die Möglichkeit, aus dem Signal eines der Mager-NOx-Falle nachgeschalteten NOx-Sensors ein Signal herauszufiltern, welches den Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas repräsentiert. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein NOx-Sensor eine Querempfindlichkeit auf NH₃ aufweist. Das Herausfiltern des den Ammoniakgehalt repräsentierenden Signals aus dem Signal eines NOx-Sensors kann insbesondere erfolgen, indem auf der Basis eines Modells für die Reaktionskinetik während der Spülphase eine Abschätzung für diejenige Masse an NOx, die zu N₂, CO₂ und H₂O konvertiert wurde, eine Abschätzung für die Masse an aus der Mager-NOx-Falle desorbiertem NOx und eine Abschätzung für die Masse an erzeugten NH₃ vorgenommen wird. Das Ergebnis der Abschätzungen wird dann mit dem Signal des NOx-Sensors verglichen, und auf der Basis des Vergleichs wird dann das den NH₃-Gehalt repräsentierende Signal aus dem Signal des NOx-Sensors generiert. Die abgeschätzte Masse an erzeugtem NH₃ kann dann bspw. als ein Referenzsignal für das mit dem NOx-Sensor erfasste Signal dienen.
In das Modell für die Reaktionskinetik während der Spülphase können dabei insbesondere Maximalwerte für die folgenden Parameter eingehen: Die Wandtemperatur des Substrats (also des die Kanäle bildenden Materials) in der Mager-NOx-Falle; den Abgasmassenstrom oder den Abgasvolumenstrom oder die Raumgeschwindigkeit, die das Verhältnis von Abgasvolumenstrom zu Katalysatorvolumen angibt; den Gehalt an Reduktoren stromaufwärts von der Mager-NOx-Falle, der beispielsweise aus einer Messung des Lambda-Wertes stromaufwärts von der Mager-NOx-Falle gewonnen werden kann; den Gehalt an Reduktoren stromabwärts von der Mager-NOx-Falle, der aus einer Messung des Lambda-Wertes stromabwärts der Mager-NOx-Falle gewonnen werden kann; und den minimalen Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle. Der minimale Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle kann auf der Basis eines Modells zum Abschätzen des NOx-Gehalts im zugeführten Gas und eines Modells für die Adsorption und die Desorption von NOx in der Mager-NOx-Falle während des Zuführens des reduzierenden Abgasgemisches berechnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors durchströmten Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Spülphase, in welcher der Mager-NOx-Falle ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird. Weiterhin ist die Detektionseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie bei Detektion einer Spülphase ein Detektionssignal ausgibt. Zudem umfasst die Vorrichtung eine Temperaturüberwachungseinrichtung zur Überwachung der Temperatur der Mager-NOx-Falle und zur Ausgabe eines die Temperatur der Mager-NOx-Falle repräsentierenden Temperatursignals. Eine Auslöseeinheit ist mit der Detektionseinrichtung zum Empfang des Detektionssignals sowie mit der Temperaturüberwachungseinrichtung zum Empfang des Temperatursignals verbunden. Die Auslöseeinheit ist derart ausgelegt, dass sie bei Empfang eines Detektionssignals ein Triggersignal ausgibt, wenn das Temperatursignal anzeigt, dass die Temperatur der Mager-NOx-Falle im Bereich zwischen 300°C und 350°C liegt. Mit der Auslöseeinheit ist zum Empfang des Triggersignals eine NH₃-Bestimmungseinheit verbunden, die den Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas bestimmt und ein den Ammoniakgehalt repräsentierendes NH₃-Signal ausgibt. Mit der NH₃-Bestimmungseinheit ist zum Empfang des NH₃-Signals eine Auswerteeinheit verbunden, die den Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle anhand des vom NH₃-Signal repräsentierten Ammoniakgehalts bestimmt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile ergeben sich somit auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die das NH₃-Signal ausgebende NH₃-Bestimmungseinheit insbesondere einen stromabwärts von der Mager-NOx-Falle angeordneten NH₃-Sensor umfassen. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht ein direktes Messen des Ammoniakgehalts in dem stromabwärts der Mager-NOx-Falle befindlichen Abgas. Alternativ kann die Überprüfungseinheit aber auch einen stromabwärts von der Mager-NOx-Falle angeordneten NOx-Sensor umfassen, welcher ein Sensorsignal ausgibt, sowie einen mit dem NOx-Sensor zum Empfang des Sensorsignals verbundenen Filter. Der Filter filtert dann aus dem Sensorsignal ein Signal heraus, welches den Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle austretenden Verbrennungsabgas repräsentiert. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Sensor verbaut werden muss, sondern ein typischerweise bereits im Abgastrakt stromabwärts von der Mager-NOx-Falle vorhandener NOx-Sensor Verwendung finden kann. Die Art und Weise, wie aus dem Signal des NOx-Sensors ein den Ammoniakgehalt repräsentierendes Signal herausgefiltert werden kann, wurde bereits mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein vorteilhaftes Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug ist mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sowie mit einer vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors durchströmten Mager-NOx-Falle und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung. Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann eine thermische Alterung der Mager-NOx-Falle frühzeitig erkannt werden, wodurch sich erhöhte Stickoxidemissionen zuverlässiger als bisher vermeiden lassen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einer nachgeschalteten Mager-NOx-Falle und einer Motorsteuervorrichtung in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt eine Vorrichtung zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung in einer schematischen Darstellung.
3 zeigt die Ammoniakproduktion in der Mager-NOx-Falle in Abhängigkeit von der Temperatur der Mager-NOx-Falle für eine Mager-NOx-Falle nach dem de-greening und für eine gealterte Mager-NOx-Falle.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 1 ein Verbrennungsmotor 1, der dem Verbrennungsmotor zugeordnete Ansaugtrakt 3, der dem Verbrennungsmotor zugeordnete Abgastrakt 11 mit einer Mager-NOx-Falle 17 sowie die Motorsteuerung 27 beschrieben. Außerdem ist in 1 schematisch eine Vorrichtung 35 zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle 17 auf thermische Alterung dargestellt.
Der Verbrennungsmotor 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel schematisch als 4-Zylinder-Dieselmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung dargestellt ist. Die Erfindung kann jedoch auch im Zusammenhang mit anderen Motoren, insbesondere Motoren, die eine andere Zylinderzahl aufweisen oder eine andere Art der Gemischaufbereitung aus Kraftstoff und Luft beinhalten, realisiert werden. Insbesondere ist die Erfindung auch unabhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffes, d. h. sie kann außer bei Dieselmotoren auch bei Ottomotoren zur Anwendung kommen.
Der Ansaugtrakt 3 umfasst eine Ansaugöffnung 4 und einen von der Ansaugöffnung 4 zu den einzelnen Zylindern 2 des Verbrennungsmotors 1 führenden Ansaugkrümmer 5. Im Bereich der Ansaugöffnung 4 ist ein Luftmassensensor 7 zum Erfassen des durch die Ansaugöffnung 4 eingesaugten Luftmassenstroms angeordnet. Im Bereich der Ansaugöffnung 4 ist außerdem eine Drosselklappe 9 angeordnet, um die Menge an eingesaugter Frischluft regulieren zu können.
Der Abgastrakt 11 umfasst einen Abgaskrümmer 13, der die einzelnen Zylinder 2 mit einem Flammrohr 15 verbindet. An das Flammrohr 15 schließt sich eine Mager-NOx-Falle 17 und an diese wiederum ein Rußfilter 19, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Dieselpartikelfilter ist. Ein Endrohr 21 führt schließlich vom Rußfilter 19 zum Auspuff 23.
Der Abgastrakt 11 schließt außerdem zwei universelle Breitbandsensoren für Sauerstoff (UEGO-Sensoren, UEGO: Universal Exhaust Gas Oxygen) 22, 24 ein, von denen der eine der Mager-NOx-Falle 17 strömungstechnisch vorgeschaltet ist (UEGO-Sensor 22) und den Sauerstoffgehalt in dem in die Mager-NOx-Falle 17 einströmenden Abgas misst, und der andere der Mager-NOx-Falle 17 strömungstechnisch nachgestaltet ist und den Sauerstoffgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle 17 ausströmenden Abgas misst (UEGO-Sensor 24). Dem Rußfilter 19 ist ein weiterer universeller Breitbandsensor für Sauerstoff (UEGO-Sensor) 25 nachgeschaltet. Weiterhin ist zwischen der Mager-NOx-Falle 17 und dem Rußfilter 19 ein NOx-Sensor 26 vorhanden.
Sehr häufig sind heutzutage Dieselmotoren mit einem Turbolader 44 ausgestattet. Dabei wird eine im Abgastrakt 11 angeordnete Turbine 44a von den austretenden heißen Auspuffgasen in Rotation versetzt. Die rotierende Turbine treibt über eine Welle einen Kompressor 44b im Ansaugtrakt 3 an, der die Ansaugluft verdichtet und sie in die Zylinder 2 presst.
Zur Senkung der NOx-Rohemissionen des Motors wird häufig eine Abgasrückführung 45 eingesetzt. In dieser wird dem Ansaugkrümmer 5 über eine Abgasrückführungsleitung 46 Abgas zugeführt und dort mit der angesaugten Verbrennungsluft vermischt.
Die Steuerung des Verbrennungsmotors 1 erfolgt mittels einer Motorsteuervorrichtung 27, die über einen Signaleingang 29 mit dem Luftmassensensor 7 verbunden ist, um ein für den angesaugten Luftmassenstrom repräsentierendes Luftmassensignal zu empfangen. Über einen Signalausgang 30 ist die Motorsteuervorrichtung 27 außerdem mit der Drosselklappe 9 verbunden, um den angesaugten Luftmassenstrom mittels eines an die Drosselklappe 9 ausgegebenen Stellsignals regeln zu können. Weiterhin ist ein Signaleingang 31 für den Empfang der Messsignale der UEGO-Sensoren 22, 24, 25 vorhanden. Über einen Signalausgang 33 ist die Motorsteuervorrichtung 27 zudem mit den Kraftstoff-Einspritzdüsen 28 der jeweiligen Zylinder 2 verbunden. Über den Signalausgang 33 werden die einzuspritzende Kraftstoffmenge repräsentierende Stellsignale an die Kraftstoff-Einspritzdüsen 28 ausgegeben. Von einem Steuersignalgenerator 36 werden auf der Basis einiger oder aller der genannten Eingangssignale Ausgangssignale zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches generiert.
In einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 1 wird dieser mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (Luftüberschuss, Lambda >1) betrieben. Das Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches erfolgt durch geeignetes Einstellen der Drosselklappe 9 und der Kraftstoffeinspritzmenge, die durch die Einspritzdüsen 28 in die einzelnen Zylinder 2 eingespritzt wird.
Die bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit dem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch entstehenden Stickoxide (NOx) werden in der Mager-NOx-Falle 17 absorbiert und gespeichert. Da die Mager-NOx-Falle 17 jedoch nur eine begrenzte Speicherkapazität aufweist, wird sie von Zeit zu Zeit regeneriert, was auch als Spülen der Mager-NOx-Falle 17 bezeichnet wird. Die freie Speicherkapazität der Mager-NOx-Falle 17 kann aus dem Signal des nachgeschalteten UEGO-Sensors 24 abgeschätzt werden. Falls dieses Signal anzeigt, dass die Speicherkapazität der Mager-NOx-Falle 17 ausgeschöpft oder nahezu ausgeschöpft ist, kann die Motorsteuervorrichtung 27 eine Regeneration der Mager-NOx-Falle 17 veranlassen.
Zum Regenerieren der Mager-NOx-Falle 17 verändert die Motorsteuervorrichtung 27 im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Luft/Kraftstoff-Gemisch, so dass statt eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches (Lambda > 1) ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch (Luftmangel, Lambda < 1) im Motor verbrannt wird. Aufgrund des fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches enthält das aus den Zylindern 2 austretende Abgas Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid. Sowohl die Kohlenwasserstoffe als auch das Kohlenmonoxid können bzw. kann zum Reduzieren der in der Mager-NOx-Falle 17 gespeicherten Stickoxide herangezogen werden. Bei diesem Reduzieren wird das gespeicherte NOx in unschädliche Stickstoffmoleküle (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt.
Um den thermischen Alterungsgrad der Mager-NOx-Falle überwachen zu können, ist eine Vorrichtung zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung vorhanden. Die Vorrichtung 35 zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle 17 auf thermische Alterung ist mit einem Temperatursensor 37 verbunden, der die Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 überwacht. Zudem ist die Vorrichtung 35 im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem NOx-Sensor 26 verbunden, sowie mit der Motorsteuerung 27, um ein Signal empfangen zu können, welches eine Spülphase für die Mager-NOx-Falle 17 auslöst. Anhand des Signals, das von dem der Magen-NOx-Falle 17 nachgeschalteten NOx-Sensor 26 ausgegeben wird, ermittelt die Vorrichtung 35 den Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle. Dabei wird aus dem Signal des NOx-Sensors 26 ein Signal herausgefiltert, das den Ammoniakgehalt in dem während eines Spülvorgangs aus der Mager-NOx-Falle 17 austretenden Abgases repräsentiert, wenn der Temperatursensor 37 anzeigt, dass die Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 im Bereich von 300 °C bis 350 °C liegt.
Der funktionelle Aufbau der Vorrichtung 35 ist in 2 gezeigt. Die Figur zeigt neben der Vorrichtung 35 zum Überprüfen der Mager-NOx-Falle auf thermische Alterung die Mager-NOx-Falle 17 selbst, den Temperatursensor 37, den NOx-Sensor 26 sowie die Motorsteuerung 27. Die Vorrichtung 35 weist eine Detektionseinrichtung 39 auf, die anhand des Empfangs eines von der Motorsteuerung 27 ausgegebenen, eine Spülphase auslösenden Signals eine Spülphase detektiert, in welcher der Mager-NOx-Falle 17 ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird. Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Spülphase anhand eines Signals der Motorsteuerung 27 detektiert wird, bestehen auch andere Möglichkeiten, eine Spülphase zu detektieren, beispielsweise durch Messen des Lambda-Wertes des Brennstoff/Luft-Gemisches, das der Mager-NOx-Falle 17 zugeführt wird. In diesem Fall wäre die Detektionseinheit statt mit der Motorsteuerung 27 mit dem UEGO-Sensor 22 oder einem anderen an dieser Stelle angeordneten Lambda-Sensor verbunden. Bei Detektion einer Spülphase durch die Detektionseinrichtung 39 gibt diese ein Detektionssignal aus.
Eine Auslöseeinheit 41 ist mit der Detektionseinrichtung 39 zum Empfang des Detektionssignals verbunden. Außerdem ist die Auslöseeinheit 41 zum Empfang eines die Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 repräsentierenden Temperatursignals mit einem Temperatursensor 37 verbunden. Wenn die Auslöseeinheit 41 von der Detektionseinrichtung 39 ein Detektionssignal empfängt und gleichzeitig das vom Temperatursensor 37 empfangene Temperatursignal anzeigt, dass die Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 im Bereich zwischen 300°C und 350°C liegt, gibt die Auslöseeinheit ein Triggersignal aus.
Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auslöseeinheit zum Empfang des Temperatursignals mit einem an der Mager-NOx-Falle 17 befindlichen Temperatursensor 37 verbunden ist, besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 anderweitig zu erfassen. Beispielsweise besteht grundsätzlich die Möglichkeit, aus der Temperatur des aus der Mager-NOx-Falle 17 austretenden Abgases auf die Temperatur in der Mager-NOx-Falle 17 zu schließen.
Eine NH₃-Bestimmungseinheit 43 ist mit der Auslöseeinheit 41 zum Empfang des Triggersignals verbunden. Zudem ist sie mit dem NOx-Sensor 26, der der Mager-NOx-Falle 17 im Abgastrakt nachgeschaltet ist, zum Empfang eines von diesem Sensor ausgegebenen Signals verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die NH₃-Bestimmungseinheit 43 einen Filter 47, der ein den Ammoniakgehalt im Abgas repräsentierendes Signal aus dem Signal des NOx-Sensors 26 herausfiltert. Dieser Filter 47 umfasst ein Modell für die Reaktionskinetik in der Mager-NOx-Falle 17 während der Spülphase. Auf der Basis dieses Modells erfolgt eine Abschätzung für die Masse an NOx, die zu N₂, CO₂ und H₂O konvertiert wurde, eine Abschätzung für die Masse des aus der Mager-NOx-Falle 17 desorbierten NOx sowie für die Masse an erzeugtem NH₃. Das Ergebnis dieser Abschätzung wird dann mit dem Signal des NOx-Sensors 26 verglichen, und auf der Basis dieses Vergleichs wird dann der NH₃-Gehalt aus dem Signal des NOx-Sensors ermittelt. Dabei kann die abgeschätzte Masse an erzeugtem NH₃ als ein Referenzsignal dienen, anhand dessen entschieden wird, ob das mit dem NOx-Sensor 26 erfasste Signal hauptsächlich auf NOx oder auf NH₃ zurückzuführen ist. Auf der Basis der oben beschriebenen Abschätzungen kann aber auch ermittelt werden, zu welchem Teil das konkrete vom NOx-Sensor 26 erfasste Signal auf NOx zurückzuführen ist und zu welchem Teil auf NH3. Diese Vorgehensweise ist möglich, weil ein NOx-Sensor eine Querempfindlichkeit auf NH₃ aufweist. In das Modell für die Reaktionskinetik während der Spülphase gehen Maximalwerte für die folgenden Parameter ein: Die Wandtemperatur des Substrats in der Mager-NOx-Falle 17; der Abgasmassenstrom oder der Abgasvolumenstrom oder die Raumgeschwindigkeit, also das Verhältnis aus Abgasvolumenstrom und Katalysatorvolumen; der Gehalt an Reduktoren stromaufwärts der Mager-NOx-Falle 17, der insbesondere basierend auf einer Lambda-Messung ermittelt werden kann; der Gehalt an Reduktoren stromabwärts von der Mager-NOx-Falle 17, der ebenfalls basierend auf einer Lambda-Messung gewonnen werden kann; und der minimalen Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle. Die erwähnten Lambda-Messungen können dabei mit Hilfe der UEGO-Sensoren 22 und 24 erfolgen. Der minimale Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle kann auf der Basis eines Modells zum Abschätzen des NOx-Gehalts im zugeführten Abgas und eines Modells für die Adsorption und die Desorption von NOx in der Mager-NOx-Falle während des Zuführens des reduzierenden Abgasgemisches berechnet werden. Die ermittelten Maximalwerte können dabei auf die Mittelwerte der einzelnen Signale sowie auf die Standardabweichungen, wie sie beispielsweise mit einem rekursiven Algorithmus ermittelt werden können, angewendet werden, um die Stabilität des Lambda-Wertes überwachen zu können.
Der von der NH₃-Berechnungseinheit 43 ermittelte NH₃-Gehalt im aus der Mager-NOx-Falle 17 austretenden Abgas wird in Form eines NH₃-Signals an eine Auswerteeinheit, die mit der NH₃-Bestimmungseinheit 43 verbunden ist, ausgegeben. Die Auswerteeinheit 45 ermittelt auf der Basis des NH₃-Signals den Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle 17.
Das Ermitteln des Grades an thermischer Alterung wird nachfolgend anhand von 3, die die Ammoniakproduktion in der Mager-NOx-Falle 17 während einer Spülphase in Abhängigkeit von der Temperatur der Mager-NOx-Falle 17 zeigt, erläutert. Dabei zeigen die durchgezogenen Linien die Ammoniakproduktion einer gealterten Mager-NOx-Falle 17 und die gestrichelten Linien die Ammoniakproduktion einer Mager-NOx-Falle 17 nach dem De-Greening-Prozess. Wie aus der Figur zu erkennen ist, wird bei niedrigen Temperaturen während des Spülens (im Bereich von 200 °C bis 250 °C) weder von der thermisch gealterten Mager-NOx-Falle 17, noch von der Mager-NOx-Falle 17 nach dem De-Greening Ammoniak generiert. Als thermisch gealterte Mager-NOx-Falle wird dabei eine Mager-NOx-Falle 17 mit weniger als 35 % Umwandlung von NOx in N₂, CO₂ und H₂O angesehen. Eine Mager-NOx-Falle nach dem De-Greening-Prozess wandelt dagegen während der Spülphase 60 % oder mehr der gespeicherten Stickoxide um.
Im Temperaturfenster von 300 °C bis 350 °C produziert die thermische gealterte Mager-NOx-Falle während der Spülphase hohe Ammoniakpegel bis zu 0,05 g. Eine Mager-NOx-Falle nach dem De-Greening-Prozess produziert dagegen kein Ammoniak.
Bei höheren Temperaturen (größer als 400°C) wird Ammoniak unabhängig vom Alterungszustand der Mager-NOx-Falle generiert, also auch von einer Mager-NOx-Falle nach dem De-Greening.
Ein Überwachen des Ammoniakgehalts im Abgas während einer Spülphase und während die Mager-NOx-Falle 17 eine Temperatur im Bereich von 300 °C bis 350 °C aufweist, erlaubt es daher festzustellen, ob eine thermische Alterung der Mager-NOx-Falle 17 vorliegt. Je größer die thermische Alterung ist, desto höher ist auch der Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle während der Spülphase austretenden Abgas.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele zu Illustrationszwecken erläutert. Sie soll jedoch nicht auf Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, da Abwandlungen der Ausführungsbeispiele möglich sind. Neben den bereits in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele erwähnten Abwandlungen besteht auch die Möglichkeit, statt eines NOx-Sensors 26 und eines Filters 47 in der NH₃-Bestimmungseinheit 43 zum Ermitteln des Ammoniakgehalts einen der Mager-NOx-Falle 17 nachgeschalteten Ammoniaksensor einzusetzen, der direkt den Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle 17 austretenden Abgas misst. In diesem Fall wäre der Ammoniaksensor mit der Auslöseeinheit 41 zum Empfang des Triggersignals verbunden, auf dessen Empfang hin der Ammoniaksensor den Ammoniakgehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle 17 austretenden Abgas messen würde. Der Ammoniaksensor wäre dann direkt mit der Auswerteeinheit verbunden, die das den Ammoniakgehalt repräsentierende Signal vom Ammoniaksensor empfängt.
Da wie gezeigt Abwandlungen von den konkreten Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen, soll die Erfindung nicht auf spezielle Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10249017 A1 [0003]
DE 102008019943 A1 [0003]
US 2009/0199543 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Schenk und C. Laroo "NOx Adsorber Aging on a Heavy-Duty On-Highway Diesel Engine – Part One" in SAE Technical Paper 2003-01-0042, 2003 [0005]

Claims

Verfahren zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors (1) durchströmten Mager-NOx-Falle (17) auf thermische Alterung, in dem – das Überprüfen innerhalb eines Spülzeitraums, in dem der Mager-NOx-Falle (17) ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird, erfolgt, – das Überprüfen erfolgt, während die Mager-NOx-Falle (17) eine Temperatur im Bereich zwischen 300 °C und 350 °C aufweist, – der NH₃-Gehalt in dem während der Überprüfung aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas ermittelt wird, und – der Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle (17) anhand des ermittelten NH₃-Gehalts in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das reduzierende Abgasgemisch erzeugt wird, indem der Verbrennungsmotor (1) während des Spülzeitraums mit einem fetten Brennstoffgemisch betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem das reduzierende Abgasgemisch erzeugt wird, indem während des Spülzeitraums in einem Bereich, der stromabwärts des Verbrennungsmotors (1) und stromaufwärts der Mager-NOx-Falle (17) liegt, Brennstoff in das Verbrennungsabgas eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem der NH₃-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas mittels einer direkten Messung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem aus dem Signal eines der Mager-NOx-Falle (17) nachgeschalteten NOx-Sensors (26) ein Signal herausgefiltert wird, welches den NH₃-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 5, in dem das Herausfiltern des den NH₃-Gehalt repräsentierenden Signals aus dem Signal eines NOx-Sensors (26) erfolgt, indem – auf der Basis eines Modells für die Reaktionskinetik während der Spülphase eine Abschätzung für die Masse an NOx, die zu N₂, CO₂ und H₂O konvertiert wurde, eine Abschätzung für die Masse des aus der Mager-NOx-Falle (17) desorbierten NOx, und eine Abschätzung für die Masse an erzeugtem NH₃ vorgenommen wird, – das Ergebnis Abschätzungen mit dem Signal des NOx-Sensors (26) verglichen wird, und – auf der Basis des Vergleichs das den NH₃-Gehalt repräsentierende Signal aus dem Signal des NOx-Sensors (26) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem die abgeschätzte Masse an erzeugtem NH₃ als ein Referenzsignal für das mit dem NOx-Sensor (26) erfasste Signal dient.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, in dem in das Modell für die Reaktionskinetik während der Spülphase Maximalwerte eingehen für: – die Wandtemperatur des Substrats in der Mager-NOx-Falle (17), – den Abgasmassenstrom oder den Abgasvolumenstrom oder die Raumgeschwindigkeit des Abgases in der Mager-NOx-Falle (17), – den Gehalt an Reduktoren stromaufwärts von der Mager-NOx-Falle (17), – den Gehalt an Reduktoren stromabwärts von der Mager-NOx-Falle (17), und – den minimalen Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle (17).
Verfahren nach Anspruch 8, in dem der minimale Gehalt an NOx in der Mager-NOx-Falle (17) auf der Basis eines Modells zum Abschätzen des NOx-Gehalts im zugeführten Abgas und eines Modells für die Adsorption und die Desorption von NOx in der Mager-NOx-Falle (17) während des Zuführens des reduzierenden Abgasgemisches berechnet wird.
Vorrichtung (35) zum Überprüfen einer einem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors (1) durchströmten Mager-NOx-Falle (17) auf thermische Alterung, mit – einer Detektionseinrichtung (39) zum Detektieren einer Spülphase, in welcher der Mager-NOx-Falle (17) ein reduzierendes Abgasgemisch zugeführt wird, und zum Ausgeben eines Detektionssignals bei Detektion einer Spülphase, – einer Temperaturüberwachungseinrichtung (37) zur Überwachung der Temperatur der Mager-NOx-Falle (17), welche ein die Temperatur der Mager-NOx-Falle (17) repräsentierendes Temperatursignal ausgibt, – einer mit der Detektionseinrichtung (39) zum Empfang des Detektionssignals sowie mit der Temperaturüberwachungseinrichtung (37) zum Empfang des Temperatursignals verbundenen Auslöseeinheit (41), welche bei Empfang eines Detektionssignals ein Triggersignal ausgibt, wenn das Temperatursignal anzeigt, dass die Temperatur der Mager-NOx-Falle (17) im Bereich zwischen 300 °C und 350 °C liegt, – einer mit der Auslöseeinheit (41) zum Empfang des Triggersignals verbundenen NH₃-Bestimmungseinheit (43), die den NH₃-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas bestimmt und ein den NH₃-Gehalt repräsentierendes NH₃-Signal ausgibt, und – eine mit der NH₃-Bestimmungseinheit (43) zum Empfang des NH₃-Signals verbundene Auswerteeinheit (45), die den Grad an thermischer Alterung der Mager-NOx-Falle anhand des vom NH₃-Signal repräsentierten NH₃-Gehalts bestimmt.
Vorrichtung (35) nach Anspruch 10 in dem die Überprüfungseinheit einen stromabwärts von der Mager-NOx-Falle angeordneten NH₃-Sensor umfasst.
Vorrichtung (35) nach Anspruch 10, in dem die NH₃-Bestimmungseinheit (43) umfasst: – einen stromabwärts von der Mager-NOx-Falle (17) angeordneten NOx-Sensor (26), welcher ein Sensorsignal ausgibt, und – einen mit dem NOx-Sensor (26) zum Empfang des Sensorsignals verbundenen Filter (47), welcher aus dem Sensorsignal ein Signal herausfiltert, welches den NH₃-Gehalt in dem aus der Mager-NOx-Falle (17) austretenden Verbrennungsabgas repräsentiert.
Kraftfahrzeug mit einer einem Verbrennungsmotor (1), einer dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten und vom Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors (1) durchströmten Mager-NOx-Falle (17) sowie einer Vorrichtung (35) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.