DE102015201629B4

DE102015201629B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Ammoniakerzeugung in einem NOx-Speicherkatalysator

Info

Publication number: DE102015201629B4
Application number: DE102015201629.3A
Authority: DE
Inventors: Frederik De Smet; Christian Winge Vigild; Daniel Roettger
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-01-31
Also published as: DE102015201629A1

Abstract

Verfahren zum Nachweis von Ammoniak, das während des Spülens eines NOx-Speicherkatalysators (3) für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Spülens des NOx-Speicherkatalysators (3) die Pumpströme einer ersten, stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators (3) angeordneten Breitbandlambdasonde (1) und einer zweiten, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (3) angeordneten Breitbandlambdasonde (2) miteinander verglichen werden und dass es als Nachweis für im NOx-Speicherkatalysator erzeugtes Ammoniak angesehen wird, wenn der Pumpstrom der ersten Breitbandlambdasonde (1) während des Spülens größer als der Pumpstrom der zweiten Breitbandlambdasonde (2) wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Ammoniak, das während des Spülens eines NOx-Speicherkatalysators für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor erzeugt wird, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte für Schadstoffemissionen benötigen moderne Magermix-Ottomotoren und Dieselmotoren sog. NOx-Speicherkatalysatoren (engl. Lean NOx Trap, LNT), die eine Speicherung von Stickoxiden ermöglichen. In dem mageren, d. h. sauerstoffreichen Abgas werden die Stickoxide, hauptsächlich NO, NO₂ und N₂O, unter der Wirkung eines Edelmetallkatalysators aufoxidiert und in einem NOx-Speichermaterial absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Ist die Aufnahmefähigkeit für Stickoxide erschöpft, was durch einen NOx-Sensor überwacht wird, wird ein Reinigungs- oder Spülzyklus durchgeführt, indem kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt wird. Beim Spülen werden die zwischengespeicherten Stickoxide wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch das in der fetten Atmosphäre vorhandene Kohlenmonoxid (CO) sowie unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu N₂ reduziert (z. B. 2CO + 2NO -> 2CO₂ + N₂).
Es hat sich gezeigt, dass ein NOx-Speicherkatalysator gegen Ende eines Spülvorgangs tendenziell Ammoniak (NH₃) erzeugt, ein schädliches Gas, das nach Möglichkeit ebenfalls nicht emittiert werden sollte. Dies lässt sich aber nicht sicher vermeiden, weshalb das Vorhandensein von Ammoniak im Abgas während des Motorbetriebs nachgewiesen werden sollte, um nötigenfalls Gegenmaßnahmen wie z. B. eine Verkürzung von Spülzyklen treffen zu können. Ein zusätzlicher NH₃-Sensor im Kraftfahrzeug würde aber einen erheblichen Mehraufwand bedeuten.
Aus der DE 10 2008 043 706 A1 ist eine Abgasbehandlungsanordnung mit einem NOx-Speicherkatalysator (LNT) und nachgeschaltetem SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion) bekannt, wobei die Ammoniakerzeugung für den SCR-Katalysator zumindest teilweise bei Fettbetrieb über den LNT-Katalysator erfolgen soll. Die vom LNT-Katalysator erzeugte Ammoniakmenge kann dabei über eine zwischen den beiden Katalysatoren befindliche Breitbandlambdasonde bestimmt werden, wobei zur Verbesserung der Abschätzung auch stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator eine Breitbandlambdasonde vorgesehen sein kann, indem die Pumpströme der beiden Breitbandlambdasonden verglichen werden.
Aus der DE 10 2013 211 521 A1 ist eine Abgasanlage mit einem ersten Dreiwegekatalysator und einem nachfolgenden SCR-Katalysator bekannt, wobei der erste Katalysator zur Erzeugung von Ammoniak während einer Spülphase mit fettem Abgas dient. Stromaufwärts und stromabwärts des ersten Katalysators sind Breitbandlambdasonden vorgesehen. Die Pumpströme der beiden Breitbandlambdasonden werden zwecks Erkennung unerwünschter Wasserstoffentwicklung während der Spülphase verglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Ammoniak, das in einem gerade gespülten NOx-Speicherkatalysator erzeugt wird, ohne zusätzliche Sensorik nachweisen zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung macht sich den Umstand zu Nutzen, dass NOx-Speicherkatalysatoren für moderne Magermix-Ottomotoren und Dieselmotoren im Allgemeinen ohnehin zwei Breitbandlambdasonden (engl. Universal Exhaust Gas Oxygen (UEGO)) benötigen, von denen eine stromaufwärts und eine stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnet ist. Damit kann das Motorsteuergerät die Abgaswerte vor und nach dem Katalysator vergleichen und ihn somit optimaler arbeiten lassen.
Gemäß der Erfindung werden während des Spülens eines NOx-Speicherkatalysators die Pumpströme einer ersten, stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Breitbandlambdasonde und einer zweiten, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Breitbandlambdasonde miteinander verglichen. Es wird als Nachweis für im NOx-Speicherkatalysator erzeugtes Ammoniak angesehen, wenn der Pumpstrom der ersten Breitbandlambdasonde während des Spülens größer als der Pumpstrom der zweiten Breitbandlambdasonde wird.
Dabei bezieht sich der Begriff "größer als" nicht auf die Beträge, sondern auf die Absolutwerte der Pumpströme, welche sowohl negativ als auch positiv sein können und normalerweise beide negativ sind, während der Katalysator Ammoniak erzeugt.
Es hat sich gezeigt, dass gegen Ende oder in einer Verlängerungsphase eines Spülvorgangs des NOx-Speicherkatalysators der von der stromabwärtigen Breitbandlambdasonde gemessene Lambdawert oder genauer dessen aktueller Pumpstrom im Absolutwert kleiner wird als der Pumpstrom der stromaufwärtigen Breitbandlambdasonde, und zwar in dem Augenblick, in dem der NOx-Speicherkatalysator Ammoniak zu erzeugen beginnt. Als Ursache wurde herausgefunden, dass das durch den NOx-Speicherkatalysator erzeugte Ammoniak im Messspalt der Breitbandlambdasonde mit dem Messgas reagiert, nämlich oxidiert. Diese Oxidation findet zusätzlich zu der Oxidation von überschüssigem Kohlenmonoxid und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen durch das Messgas statt, dessen Lambdawert durch den Pumpstrom konstant auf 1 gehalten wird. Hingegen muss die stromaufwärtige Breitbandlambdasonde nur Sauerstoff zum Oxidieren des überschüssigem Kohlenmonoxids und der unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen pumpen. Somit zeigen die beiden Breitbandlambdasonde entsprechend unterschiedliche Pumpströme, sobald Ammoniak erzeugt wird, womit sich zukünftige Ammoniakemissionsraten vorhersagen lassen.
In der Praxis wird man die Pumpstromdifferenzen bzw. Ammoniakerzeugungsereignisse, die während vieler Spülvorgänge des NOx-Speicherkatalysators im Laufe des Motorbetriebs festgestellt worden sind, zusammen mit den entsprechenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors in einem Speicher der Motorsteuerung speichern, um sie für eine Abschätzung der vergangenen und/oder gegenwärtigen und/oder in der Zukunft zu erwartenden Ammoniakemissionspegel zu verwenden.
Alternativ, z. B. wenn keine Ammoniakemissionen nachgewiesen werden, können von Zeit zu Zeit einzelne Spülvorgänge verlängert werden, um zu überprüfen, ab wann Ammoniak erzeugt wird, und somit sicherzustellen, dass dieser Zeitpunkt von normalen Spülvorgängen nicht überschritten wird.
Falls die gespeicherten Werte darauf hindeuten, dass tolerable Ammoniakemissionspegel gegenwärtig oder voraussichtlich demnächst überschritten werden, kann der Fahrer mit einer Warnmeldung über eine mögliche Fehlfunktion des Katalysators informiert und ggf. zu einem Werkstattbesuch aufgefordert werden. In der Werkstatt, auch bei routinemäßigen Wartungen, ermöglichen die gespeicherten Werte eine bessere Diagnose des Verbrennungsmotors und des Katalysators.
Falls Ammoniakemissionen nur unter ganz bestimmten Betriebsbedingungen auftreten, besteht auch die Möglichkeit, die Spülzyklen automatisch etwas zu verkürzen, während derartige Bedingungen herrschen.
Außerdem können die gespeicherten Werte für eine Korrektur der Messwerte eines NOx-Sensors des NOx-Speicherkatalysators im laufenden Betrieb verwendet werden.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines NOx-Speicherkatalysators mit zwei Breitbandlambdasonden;
2 die Pumpströme der zwei Breitbandlambdasonden von 1 während eines Spülvorgangs;
3 den Pumpströmen in 3 entsprechende Lambdawerte in einem Zeitabschnitt gegen Ende des Spülvorgangs; und
4 einen Graphen zur Veranschaulichung einer Signalkorrektur für einen NOx-Sensor des Katalysators.
In 1 befindet sich eine erste Breitbandlambdasonde 1 stromaufwärts und eine zweite Breitbandlambdasonde 2 stromabwärts eines NOx-Speicherkatalysators 3 für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit einem Pfeil eingezeichnet.
Die aktuellen Pumpströme der Breitbandlambdasonden 1 und 2, die den aktuellen Lambdawert des Abgases an den entsprechenden Stellen repräsentieren, sind in 2 mit UEGO 1 und UEGO 2 bezeichnet, und 2 zeigt die zeitlichen Verläufe der Pumpströme UEGO 1 und UEGO 2 vor, während und nach einem Spülen des NOx-Speicherkatalysators 3.
Zuerst, während der NOx-Speicherkatalysator 3 Stickoxide speichert, sind die Pumpströme UEGO 1 und UEGO 2 beide positiv, entsprechend einem mageren Luftverhältnis im Abgas.
Der Spülvorgang beginnt in einem Zeitpunkt T1, indem der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass sich ein fettes Luftverhältnis im Abgas einstellt. Dadurch werden die Pumpströme UEGO 1 und UEGO 2 beide kleiner, und wegen der jetzt stattfindenden Reduktion von freigegebenen Stickoxiden ist UEGO 1 kleiner als UEGO 2 und sogar negativ.
In einem Zeitpunkt T2 beginnt der NOx-Speicherkatalysator 3, Ammoniak zu produzieren, welches im Messspalt der Breitbandlambdasonde 2 oxidiert, so dass der Pumpstrom UEGO 2 kleiner als der Pumpstrom UEGO 1 wird, wobei beide Pumpströme negativ sind.
In einem Zeitpunkt T3 wird der Spülvorgang beendet, indem der Verbrennungsmotor wieder so betrieben wird, dass sich ein mageres Luftverhältnis im Abgas einstellt, womit die Pumpströme UEGO 1 und UEGO 2 wieder auf ihre Normalwerte zurückkehren.
Die Differenz zwischen den Pumpströmen UEGO 1 und UEGO 2 im Zeitintervall T2–T3 ist ein Maß für die Intensität der Ammoniakproduktion in diesem Zeitintervall, und die Fläche zwischen den Pumpströmen ist ein Maß für die Menge des in diesem Zeitintervall produzierten Ammoniaks.
3 zeigt ein typisches experimentelles Beispiel für Lambdawerte, die den Pumpströmen UEGO 1 und UEGO 2 entsprechen, in einem Zeitintervall, das von einem Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt T2 in 2 bis zu einem Zeitpunkt kurz nach dem Zeitpunkt T3 in 2 reicht, in willkürlichen Zeiteinheiten.
In 3 zeigt die Messkurve L1 den Abgaslambdawert stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 3, und die Messkurve L2 zeigt den Abgaslambdawert stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 3. Die Intensität der Ammoniakproduktion in einem bestimmten Zeitpunkt entspricht der Länge eines zur Veranschaulichung der Differenz zwischen L1 und L2 eingezeichneten Pfeils.
Entsprechende Experimente wurden für eine Vielzahl von üblichen Betriebsbedingungen durchgeführt und haben bestätigt, dass ein Verhalten ähnlich dem in 3 in weiteren Bereichen von Betriebsbedingungen zu beobachten ist, wobei jeweils Ammoniak erzeugt wurde, wenn UEGO 1 kleiner als UEGO 2 war.
Die Ammoniakproduktion kann auch die Messwerte eines NOx-Sensors beeinflussen, der für den Betrieb des NOx-Speicherkatalysators 3 benötigt wird. 4 zeigt ein experimentelles Beispiel für eine Messkurve L3 eines NOx-Sensors des NOx-Speicherkatalysators 3 in einem Zeitabschnitt, der den in 3 gezeigten Zeitabschnitt umfasst und etwas länger ist. Wie zu sehen, reagieren die NOx-Sensoren sehr stark auf die Anwesenheit von NH3. Die Messkurve L4 zeigt Werte für den NOx-Gehalt des Abgases unter Verwendung eines NOx-Analysegeräts.

Claims

Verfahren zum Nachweis von Ammoniak, das während des Spülens eines NOx-Speicherkatalysators (3) für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Spülens des NOx-Speicherkatalysators (3) die Pumpströme einer ersten, stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators (3) angeordneten Breitbandlambdasonde (1) und einer zweiten, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (3) angeordneten Breitbandlambdasonde (2) miteinander verglichen werden und dass es als Nachweis für im NOx-Speicherkatalysator erzeugtes Ammoniak angesehen wird, wenn der Pumpstrom der ersten Breitbandlambdasonde (1) während des Spülens größer als der Pumpstrom der zweiten Breitbandlambdasonde (2) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während Spülvorgängen des NOx-Speicherkatalysators (3) festgestellte Ammoniakerzeugungsereignisse zusammen mit den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, unter denen die Ammoniakerzeugung festgestellt wird, in einem Speicher gespeichert und für eine Abschätzung der vergangenen und/oder gegenwärtigen und/oder in der Zukunft zu erwartenden Ammoniakemissionspegel verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während Spülvorgängen des NOx-Speicherkatalysators (3) festgestellte Ammoniakerzeugungsereignisse zur Korrektur der während dieser Ereignisse gelieferten Messwerte eines NOx-Sensors des NOx-Speicherkatalysators (3) verwendet werden.
Vorrichtung zum Nachweis von Ammoniak, das während des Spülens eines NOx-Speicherkatalysators (3) für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.