DE102016204216B4 - Method and device for determining the loading condition of a NOx storage catalytic converter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustandes eines NOx-Speicherkatalysators (16) im Abgasstrang (12) eines Verbrennungsmotors (10) umfassend folgende Schritte:- Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis λE> 1 in einer Einspeicherungsphase des NOx-Speicherkatalysators (16),- Ermitteln der in den NOx-Speicherkatalysator (16) eingespeicherten NOx-Masse aus dem NOx-Massenstrom in der Einspeicherungsphase,- Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis λE< 1 in einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators (16),- Ermitteln der aus dem NOx-Speicherkatalysator (16) ausgespeicherten NOx-Masse aus dem NOx-Massenstrom in der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators (16),- Berechnen des aktuellen Beladungszustands des NOx-Speicherkatalysators (16),- Beenden der Einspeicherungsphase, wenn ein definierter, maximaler Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators (16) erreicht ist,- Beenden der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (16), wenn ein definierter, minimaler Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators (16) unterschritten wird, wobei- eine NOx-Konzentration im Abgasstrang (12) an einem ersten NOx-Sensor (18) stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators (16) und an einem zweiten NOx-Sensor (20) stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (16) gemessen wird, und wobei der eingespeicherte NOx-Massenstrom durch die an den NOx-Sensoren (18, 20) gemessenen NOx-Konzentrationen ermittelt und die im NOx-Speicherkatalysator (16) eingelagerte NOx-Masse errechnet wird, wobei- eine Adaption des Berechnungsmodells des ausgespeicherten NOx-Massenstroms erfolgt, wenn an dem zweiten NOx-Sensor (20) stromab des NOx-Speicherkatalysators (16) ein festgelegter Schwellenwert für einen NOx-Schlupf überschritten oder an einer Lambdasonde (22) oder dem NOx-Sensor (20) stromab des NOx-Speicherkatalysators (16) ein Reduktionsmitteldurchbruch gemessen wird.Method for determining the loading state of a NOx storage catalytic converter (16) in the exhaust line (12) of an internal combustion engine (10) comprising the following steps: - Operating the internal combustion engine (10) with a super-stoichiometric, lean combustion air ratio λE> 1 in a storage phase of the NOx storage catalytic converter ( 16), - determining the NOx mass stored in the NOx storage catalytic converter (16) from the NOx mass flow in the storage phase, - operating the internal combustion engine (10) with a sub-stoichiometric, rich combustion air ratio λE<1 in a regeneration phase of the NOx storage catalytic converter (16), - determining the NOx mass stored out of the NOx storage catalytic converter (16) from the NOx mass flow in the regeneration phase of the NOx storage catalytic converter (16), - calculating the current loading status of the NOx storage catalytic converter (16), - ending the storage phase when a defined, maximum degree of loading of the NOx storage catalytic converter (16) is reached, - ending the regeneration of the NOx storage catalyst (16) when a defined, minimum degree of loading of the NOx storage catalyst (16) is undershot, with - a NOx concentration in the exhaust system (12) at a first NOx Sensor (18) upstream of the NOx storage catalytic converter (16) and at a second NOx sensor (20) downstream of the NOx storage catalytic converter (16) is measured, and the stored NOx mass flow is measured by the NOx sensors (18, 20) measured NOx concentrations are determined and the NOx mass stored in the NOx storage catalytic converter (16) is calculated, with the calculation model of the stored NOx mass flow being adapted if the second NOx sensor (20) downstream of the NOx Storage catalytic converter (16) exceeds a specified threshold value for NOx slip or a reducing agent breakthrough is measured at a lambda probe (22) or the NOx sensor (20) downstream of the NOx storage catalytic converter (16).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustands eines NOx-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.The invention relates to a method for determining the loading condition of a NOx storage catalytic converter in an exhaust system of an internal combustion engine.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Weiterhin sind die Fahrzeug- und Motorenhersteller angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Eine Möglichkeit den Verbrauch eines Ottomotors zu reduzieren, ist ein Magerbrennverfahren, also ein Brennverfahren, bei dem der Verbrennungsmotor weitestgehend mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Da bei einem Magerbrennverfahren die NOx-Emissionen nicht mehr mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie NOx-Speicherkatalysatoren erforderlich. Dabei werden die NOx-Emissionen als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Diese NOx-Speicherkatalysatoren müssen periodisch mithilfe einer motorischen Fettphase regeneriert werden. Jede Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bedeutet einen Verbrauchsnachteil, da der Verbrennungsmotor zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit einem unterstöchiometrischen fetten Verbrennungsgemisch betrieben wird.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future place high demands on engine raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. Vehicle and engine manufacturers are also required to reduce the consumption of combustion engines and the associated CO2 emissions. Among other things, this means that consumption-optimized combustion processes are being developed for internal combustion engines. One way of reducing the consumption of a gasoline engine is a lean burn process, i.e. a combustion process in which the internal combustion engine is operated with a super-stoichiometric combustion air ratio as far as possible. Since the NOx emissions can no longer be converted from the exhaust gas with a conventional three-way catalytic converter in a lean-burn process, additional catalytic converters such as NOx storage catalytic converters are required. The NOx emissions are stored as nitrates in the NOx storage catalytic converter. These NOx storage catalytic converters have to be regenerated periodically with the help of an engine rich phase. Each regeneration of the NOx storage catalytic converter means a consumption disadvantage, since the internal combustion engine is operated with a rich, sub-stoichiometric combustion mixture to regenerate the NOx storage catalytic converter.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen der NOx-Speicherkatalysator mittels einer motorischen Fettphase regeneriert wird. Eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators wird dabei angenommen, wenn es stromab des NOx-Speicherkatalysators zu einem Fettdurchbruch des Abgases, also zu einem unterstöchiometrischen Abgas kommt. Dieser Fettdurchbruch kann beispielsweise durch eine stromab des NOx-Speicherkatalysators im Abgaskanal angeordnete Lambdasonde diagnostiziert werden. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass es beim Fettdurchbruch zu erhöhten Sekundäremissionen kommt. Methods are known from the prior art in which the NOx storage catalytic converter is regenerated by means of a rich phase in the engine. A complete regeneration of the NOx storage catalytic converter is assumed when the exhaust gas is rich, that is to say the exhaust gas is sub-stoichiometric, downstream of the NOx storage catalytic converter. This fat breakthrough can be diagnosed, for example, by a lambda probe arranged downstream of the NOx storage catalytic converter in the exhaust gas duct. The disadvantage of such a method, however, is that increased secondary emissions occur when fat breaks through.
Neben diesen Verfahren sind weitere Verfahren bekannt, bei denen der Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators mittels einer Modellbildung modelliert wird. So ist beispielsweise aus der
Aus der
Aus der
Die
Darüber hinaus ist aus der
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass sie in der Regel eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators vorschlagen. Dabei kommt es am Ende der Regeneration zu unerwünschten Sekundäremissionen. Die Modellierung wird dabei lediglich dazu genutzt, um eine obere Beladungsgrenze des NOx-Speichers zu erkennen.In addition, from the
A disadvantage of the known methods, however, is that they generally propose complete regeneration of the NOx storage catalytic converter. Undesirable secondary emissions occur at the end of the regeneration process. The modeling is only used to identify an upper load limit of the NOx storage.
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Regeneration des NOx-Speicherkatalysators zu ermöglichen und die bei den bekannten Verfahren entstehenden Sekundäremissionen zu vermeiden.The invention is now based on the object of enabling improved regeneration of the NOx storage catalytic converter and of avoiding the secondary emissions occurring in the known methods.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustandes eines NOx-Speicherkatalysators gelöst, welcher in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsgemisch in einer Einspeicherungsphase des NOx-Speicherkatalysators,
- - Ermitteln der in den NOx-Speicherkatalysator eingespeicherten NOx-Masse aus dem NOx-Massenstrom in der Einspeicherungsphase,
- - Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsgemisch in einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators,
- - Ermitteln der aus dem NOx-Speicherkatalysator ausgespeicherten NOx-Masse aus dem NOx-Massenstrom in der Regenerationsphase,
- - Berechnen des aktuellen Beladungszustands des NOx-Speicherkatalysators,
- - Beenden der Einspeicherungsphase, wenn ein definierter, maximaler Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators erreicht ist, und
- - Beenden der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, wenn ein definierter, minimaler Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators unterschritten wird.
- - Operation of the internal combustion engine with a hyper-stoichiometric, lean combustion mixture in a storage phase of the NOx storage catalyst,
- - Determining the NOx mass stored in the NOx storage catalytic converter from the NOx mass flow in the storage phase,
- - Operation of the internal combustion engine with a sub-stoichiometric, rich combustion mixture in a regeneration phase of the NOx storage catalytic converter,
- - Determining the NOx mass stored out of the NOx storage catalytic converter from the NOx mass flow in the regeneration phase,
- - Calculation of the current loading status of the NOx storage catalyst,
- - Ending the storage phase when a defined, maximum degree of loading of the NOx storage catalytic converter is reached, and
- - Termination of the regeneration of the NOx storage catalytic converter if the loading level of the NOx storage catalytic converter falls below a defined, minimum level.
Durch ein Beenden der Einspeicherungsphase bei Erreichen eines als maximal zulässigen Beladungsgrads des NOx-Speicherkatalysators unterhalb der Beladungsgrenze des NOx-Speicherkatalysators kann verhindert werden, dass es in der Einspeicherungsphase bei fast vollständig beladenem NOx-Speicherkatalysator zu einem erhöhten NOx-Schlupf kommt, indem die Beladungsphase rechtzeitig vor dem Auftreten eines solchen NOx-Schlupfes beendet wird. Durch das vorgeschlagene Verfahren ist es zusätzlich möglich, die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei der Regeneration prädiktiv zu steuern. Bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators verhindert ein rechtzeitiges Beenden der Regenerationsphase das Auftreten von Sekundäremissionen, welche bei einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators auftreten. Wird ein definierter Restbeladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators unterschritten, so kann bei im Wesentlichen regeneriertem NOx-Speicherkatalysator eine neue Beladungsphase starten, ohne dass es zu unerwünschten Sekundäremissionen kommt. Damit werden ein Fettdurchbruch bei der Regeneration und damit verbundene, erhöhte Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Ammoniak vermieden.By ending the storage phase when the maximum permissible degree of loading of the NOx storage catalytic converter is reached below the loading limit of the NOx storage catalytic converter, it can be prevented that an increased NOx slip occurs in the storage phase when the NOx storage catalytic converter is almost completely loaded by the loading phase is terminated in good time before such a NOx slip occurs. The proposed method also makes it possible to predictively control the regeneration of the NOx storage catalytic converter during regeneration. When regenerating the NOx storage catalytic converter, ending the regeneration phase in good time prevents the occurrence of secondary emissions, which occur when the NOx storage catalytic converter is completely regenerated. If the NOx storage catalytic converter falls below a defined residual loading level, a new loading phase can start when the NOx storage catalytic converter is essentially regenerated, without undesirable secondary emissions occurring. This avoids fat breakthrough during regeneration and the associated increased emissions of unburned hydrocarbons, carbon monoxide and ammonia.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine NOx-Konzentration im Abgasstrang an einem ersten NOx-Sensor stromauf des NOx-Speicherkatalysators und an einem zweiten NOx-Sensor stromab des NOx-Speicherkatalysators gemessen wird. Dadurch ist eine Messung der NOx-Massenströme im Abgaskanal möglich, wodurch das vorgeschlagene Verfahren durch Messwerte gestützt und das Bilanzierungsmodell beim Auftreten zwischen den durch das Bilanzierungsmodell errechneten NOx-Massenströmen und den tatsächlichen, gemessenen NOx-Massenströmen angepasst werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass der eingespeicherte NOx-Massenstrom und der ausgespeicherte NOx-Massenstrom durch die an den NOx-Sensoren gemessenen NOx-Konzentrationen ermittelt und die im NOx-Speicherkatalysator eingelagerte NOx-Masse errechnet wird.According to the invention, it is provided that a NOx concentration in the exhaust line is measured at a first NOx sensor upstream of the NOx storage catalytic converter and at a second NOx sensor downstream of the NOx storage catalytic converter. This makes it possible to measure the NOx mass flows in the exhaust gas duct, whereby the proposed method can be supported by measured values and the balancing model can be adjusted when it occurs between the NOx mass flows calculated by the balancing model and the actual, measured NOx mass flows. It is provided that the stored NOx mass flow and the stored NOx mass flow are determined by the NOx concentrations measured at the NOx sensors and the NOx mass stored in the NOx storage catalytic converter is calculated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Einspeicherungsphase in Abhängigkeit von dem aktuellen Zustand des NOx-Speicherkatalysators beendet wird, wenn ein Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysator einen Abstand von einem an diesem Betriebspunkt vorgesehenen maximalen Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators von 10%, insbesondere von 5%, unterschreitet. Durch einen Abstand der Beladung des NOx-Speicherkatalysators von 5 - 10% zu der an diesem Betriebspunkt maximal zulässigen Beladung kann die Einspeicherungsphase beendet werden, bevor es zu einem erhöhten NOx-Schlupf kommt, welcher beispielsweise durch einen NOx-Sensor stromab des NOx-Speicherkatalysators detektiert werden kann. Durch einen Abstand von 5 - 10% wird jedoch auch die Einspeicherungsphase nicht in unnötiger Weise verkürzt, sodass die Anzahl der Regenerationsphasen nicht wesentlich ansteigt.According to a preferred embodiment of the method, it is provided that the storage phase is terminated as a function of the current state of the NOx storage catalytic converter if a loading level of the NOx storage catalytic converter is a distance from a maximum loading level of the NOx storage catalytic converter of 10% provided at this operating point, in particular of 5% falls below. By keeping the loading of the NOx storage catalytic converter at a distance of 5 - 10% from the maximum permissible loading at this operating point, the storage phase can be ended before there is increased NOx slip, which can be detected, for example, by a NOx sensor downstream of the NOx storage catalytic converter can be detected. However, a gap of 5 - 10% does not unnecessarily shorten the storage phase, so that the number of regeneration phases does not increase significantly.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regenerationsphase in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen des NOx-Speicherkatalysators beendet wird, wenn ein Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators einen Abstand zu einem an diesem Betriebspunkt vorgesehenen minimalen Beladung von 10%, insbesondere von 5% unterschreitet. Dadurch kann ein hinreichend großer Abstand von einem Betriebspunkt des NOx-Speicherkatalysators eingehalten werden, an dem ungewünschte Sekundäremissionen auftreten. Insbesondere wird auf diese Weise ein Fettdurchbruch durch den NOx-Speicherkatalysator vermieden, der ansonsten zu einem Anstieg der Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Ammoniak (NH3) führt. Zudem kann durch eine rechtzeitige prädiktive Beendung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei einem Restbeladungsgrad von 5-10% ein Anstieg der Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) vermieden werden.According to a further preferred embodiment of the method, it is provided that the regeneration phase is terminated as a function of the ambient conditions of the NOx storage catalytic converter when a degree of loading of the NOx storage catalytic converter is at a distance from a minimum loading of 10%, in particular 5%, provided at this operating point. falls below As a result, a sufficiently large distance can be maintained from an operating point of the NOx storage catalytic converter at which undesirable secondary emissions occur. In particular, in this way a rich breakthrough through the NOx storage catalytic converter is avoided, which would otherwise lead to an increase in the emissions of unburned hydrocarbons (HC) and ammonia (NH 3 ). In addition, an increase in carbon monoxide emissions (CO) can be avoided by predictively ending the regeneration of the NOx storage catalytic converter in good time at a residual loading level of 5-10%.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Modellierung der ausgespeicherten NOx-Masse auf Grundlage eines chemischen Reaktionsmechanismus der NO2-Freisetzung und der NO2-Reduktion erfolgt. Da die bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators ablaufenden chemischen Reaktionen im Wesentlichen bekannt sind, eignen sich die chemischen Reaktionsmechanismen besonders gut zur Modellierung der NOx-Masse im NOx-Speicherkatalysator. Zusätzlich ist ein Abgleich über eine Differenzbildung der NOx-Konzentration an den beiden NOx-Sensoren stromauf und stromab des NOx-Speicherkatalysators möglich, sodass eine Stützung der Modellierung durch die Messwerte für die in den NOx-Speicherkatalysator eingetragenen NOx-Emissionen möglich ist.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the stored NOx mass is modeled on the basis of a chemical reaction mechanism of the NO 2 release and the NO 2 reduction. Since the chemical reactions that take place during the regeneration of the NOx storage catalytic converter are essentially known, the chemical reaction mechanisms are particularly suitable for modeling the NOx mass in the NOx storage catalytic converter. In addition, an adjustment is possible by calculating the difference in the NOx concentration at the two NOx sensors upstream and downstream of the NOx storage catalytic converter, so that the modeling can be supported by the measured values for the NOx emissions introduced into the NOx storage catalytic converter.
In einer weiteren, vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein für die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators notwendiger Reduktionsmittelmassenstrom anhand der in den Verbrennungsmotor eindosierten Kraftstoffmenge und des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors berechnet wird. Anhand des Verbrennungsluftverhältnisses lässt sich auf einfache Weise berechnen, wie viel Kraftstoff bei der Verbrennung vollständig umgesetzt wird und wieviel Reduktionsmittel im Abgaskanal aufgrund des unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses vorliegt. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise mit bereits vorhandenen Sensoren ein Reduktionsmittelmassenstrom berechnet werden.In another advantageous further development of the method, a reducing agent mass flow required for the regeneration of the NOx storage catalytic converter is calculated using the fuel quantity metered into the internal combustion engine and the combustion air ratio of the internal combustion engine. Using the combustion air ratio, it is easy to calculate how much fuel is completely converted during combustion and how much reducing agent is present in the exhaust gas duct due to the sub-stoichiometric combustion air ratio. A reducing agent mass flow can thus be calculated in a simple and cost-effective manner using existing sensors.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Adaption des Berechnungsmodells des ausgespeicherten NOx-Massenstroms erfolgt, wenn an dem zweiten NOx-Sensor stromab des NOx-Speicherkatalysators ein festgelegter Schwellenwert für einen NOx-Schlupf überschritten oder an einer Lambdasonde stromab des NOx-Speicherkatalysators ein Reduktionsmitteldurchbruch gemessen wird. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn ein Adaptionsfaktor anhand eines Abgleichs des beim Abbruch der Regeneration messtechnisch ermittelten Beladungszustands mit dem modellierten Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators erfolgt. Auf diese Weise ist ein einfacher Abgleich zwischen den messtechnisch ermittelten Ergebnissen und dem modellierten Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators möglich. Dabei wird bei einem Fettdurchbruch durch den NOx-Speicherkatalysator eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators angenommen, welche einer Restbeladung von 0% entspricht. Dieser Wert lässt sich einfach mit der modellierten Restbeladung abgleichen, wodurch auf einfache Art ein Adaptionsfaktor für das Berechnungsmodell ermittelt werden kann und das Modell bei einer festgestellten Abweichung angepasst werden kann.According to the invention, the calculation model for the stored NOx mass flow is adapted if a specified threshold value for NOx slip is exceeded at the second NOx sensor downstream of the NOx storage catalytic converter or if a reducing agent breakthrough is measured at a lambda probe downstream of the NOx storage catalytic converter . It is particularly preferred if an adaptation factor takes place based on a comparison of the loading state determined by measurement when the regeneration was aborted with the modeled loading level of the NOx storage catalytic converter. In this way, a simple comparison between the results determined by measurement and the modeled degree of loading of the NOx storage catalytic converter is possible. In the event of a rich breakthrough through the NOx storage catalytic converter, a complete regeneration of the NOx storage catalytic converter is assumed, which corresponds to a residual loading of 0%. This value can easily be modeled with the Comparing the remaining load, whereby an adaptation factor for the calculation model can be determined in a simple way and the model can be adapted if a deviation is found.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred configurations of the invention result from the remaining features mentioned in the dependent claims.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ablaufschema zum funktionalen Zusammenhang eines erfindungsgemäßen Speichermodells zur Ermittlung des Beladungszustands eines NOx-Speicherkatalysators, -
2 ein Ablaufschema zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, -
3 ein Ablaufschema zur Vorgehensweise des Speichermodells während einer Adaption, -
4 eine Darstellung einer prädiktiven Steuerung der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
5 einen vereinfachten Aufbau eines Verbrennungsmotors mit Abgasstrang, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
-
1 a flowchart for the functional relationship of a storage model according to the invention for determining the loading state of a NOx storage catalyst, -
2 a flow chart for the regeneration of a NOx storage catalyst in a method according to the invention, -
3 a flow chart for the procedure of the memory model during an adaptation, -
4 a representation of a predictive control of the regeneration of a NOx storage catalytic converter using the method according to the invention, and -
5 a simplified structure of an internal combustion engine with an exhaust line, in which a method according to the invention can be carried out.
Die Gesamtbeladung des NOx-Speicherkatalysators 16 errechnet sich nach folgender Formel:
Die Bilanzierung der Gesamtbeladung wird dabei unabhängig von den Betriebszuständen durchgeführt, sodass zu jedem Zeitpunkt die Beladung des NOx-Speicherkatalysators 16 ausgegeben werden kann.The balancing of the total loading is carried out independently of the operating states, so that the loading of the NOx storage
Die Einlagerung der Stickoxide (NOx) erfolgt während einer mageren Betriebsphase des Verbrennungsmotors 10. Im Abgasstrang 12 vorliegendes Stickstoffmonoxid (NO) wird am katalytischen Material des NOx-Speicherkatalysators 16 zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert. Als katalytisches Material wird vorzugsweise Platin verwendet. Lediglich NO2 wird in dem Speichermaterial des NOx-Speicherkatalysators 16, welches vorzugsweise Bariumoxid ist, durch eine Nitratbildung eingelagert. Das Verfahren bilanziert anhand der Signale von dem ersten NOx-Sensor 18 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 16 und dem zweiten NOx-Sensor 20 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 die eingelagerte NOx-Masse in das Speichermaterial. Alternativ oder zusätzlich kann die Beladung des NOx-Speicherkatalysators 16 durch ein im Steuergerät 24 des Verbrennungsmotors 10 abgelegtes Rohemissionsmodell abgebildet werden. Die Einlagerung erfolgt bis zum Erreichen eines definierten, in dem Steuergerät 24 abgelegten, maximalen Beladungsgrades des NOx-Speicherkatalysators 16.The nitrogen oxides (NOx) are stored during a lean operating phase of the
Die Freisetzung und chemische Umwandlung der Nitrate erfolgt bei einer fetten Abgaszusammensetzung, welche sich durch ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors 10 von beispielsweise λE = 0,92 einstellt. In der Regenerationsphase Y berechnet das Speichermodell den ausgespeicherten NOx-Massenstrom. In
In einem ersten Verfahrensschritt <200> wird der Reduktionsmittelmassenstrom berechnet. Dies erfolgt wie in dem vorhergehenden Abschnitt beschrieben beispielsweise aus der Einspritzmenge des Kraftstoffs und dem Verbrennungsluftverhältnis. Auf Basis des Reduktionsmittelmassenstroms wird in einem Verfahrensschritt <210> ein aus dem NOx-Speicherkatalysator 16 ausgespeicherter NOx-Massenstrom berechnet. In einem weiteren Verfahrensschritt <220> wird die errechnete Beladung des NOx-Speicherkatalysators 16 mit einer definierten, minimalen Beladung des NOx-Speicherkatalysators 16 verglichen und bei einem Erreichen oder Unterschreiten dieser definierten minimalen Beladung die Regeneration beendet <E>.In a first method step <200> the reducing agent mass flow is calculated. As described in the previous section, this is done, for example, from the injected fuel quantity and the combustion air ratio. On the basis of the reducing agent mass flow, a NOx mass flow stored out of the NOx storage
Die Modellierung erfolgt auf Grundlage des chemischen Reaktionsmechanismus
Eine Freisetzung des Stickstoffdioxids aus dem Bariumnitrat benötigt also ein Mol molekularen Wasserstoff.A release of the nitrogen dioxide from the barium nitrate thus requires one mole of molecular hydrogen.
Die Reduktion des Stickstoffdioxids erfolgt nach folgendem chemischen Reaktionsmechanismus
Somit verbraucht die Reduktion des Stickstoffdioxids zusätzlich zwei Mol molekularen Wasserstoff. Anhand dieser beiden Reaktionsgleichungen kann die benötigte Menge an molekularem Wasserstoff berechnet werden:
Die beiden Anteile für die NO2-Freisetzung sowie für die NO2-Reduktion werden dabei zusammengefasst. Um ein Mol NO2 zu molekularem Stickstoff umzusetzen, ergibt sich eine notwendige Menge von 2,5mol molekularem Wasserstoff.The two parts for the NO 2 release and for the NO 2 reduction are combined. Converting one mole of NO 2 to molecular nitrogen requires 2.5 moles of molecular hydrogen.
Über den Kraftstoffmassenstrom und das Verbrennungsluftverhältnis λE wird der zur Verfügung stehende Reduktionsmittelmassenstrom ermittelt. Die Berechnung wird mit der folgenden Formel verdeutlicht:
Dabei wird der Kraftstoffmassenstrom über das Luftverhältnis, dem stöchiometrischen Luftbedarf und dem Abgasmassenstrom berechnet. Mit dem verfügbaren Reduktionsmittelmassenstrom und den benötigten Reduktionsmitteln kann ein aus dem NOx-Speicherkatalysator 16 ausgespeicherter NOx-Massenstrom errechnet werden. Für die Berechnung wird der Reduktionsmittelmassenstrom in drei Komponenten, nämlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und molekularem Wasserstoff (H2) aufgeteilt.
Eine Adaption der Berechnung des ausgespeicherten NOx-Massenstroms gleicht Ungenauigkeiten der Nachbildung der chemischen Reaktionsmechanismen aus. Bei einer Überschreitung eines festgelegten NOx-Schlupfes stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 oder bei einem auftretendem Reduktionsmitteldurchbruch, welcher durch die Lambdasonde 22 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 messtechnisch feststellbar ist, erfolgt eine Adaption der Modellberechnung. Dadurch wird eine kontinuierliche Überwachung des Speichermodells sichergestellt. In
In einem ersten Verfahrensschritt <300> wird zum Zeitpunkt des Abbruchs der Regeneration, welcher durch einen Fettdurchbruch nach dem NOx-Speicherkatalysator 16 an der Lambdasonde 22 oder dem NOx-Sensor 20 erkannt wird, also bei einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16, die modellierte Restbeladung des NOx-Speicherkatalysators 16 ausgelesen. Anhand der Restbeladung und der maximalen Beladung des NOx-Speicherkatalysators 16 wird in einem darauf folgenden Verfahrensschritt <310> ein Adaptionsfaktor berechnet. Die Berechnung des Adaptionsfaktors wird anhand der nachfolgenden Formel verdeutlicht:
Der so ermittelte Adaptionsfaktor wird in einem Verfahrensschritt <320> in einer Matrix abgespeichert und in einem Verfahrensschritt <330> ausgegeben. Zusätzlich erfolgt eine automatische Adaption des Speichermodells durch eine Überwachung des Ein- und Ausganges. Das unterstöchiometrische, fette Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 wird so lange aufrechterhalten, bis das Speichermodell eine festgelegte Restbeladung erreicht hat. Die Vorgehensweise der prädiktiven Steuerung einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators 16 wird schematisch in
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Abgasstrangexhaust line
- 1414
- Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
- 1616
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- 1818
- erster NOx-Sensorfirst NOx sensor
- 2020
- zweiter NOx-Sensorsecond NOx sensor
- 2222
- Lambdasondelambda probe
- 2424
- Steuergerätcontrol unit
- 2626
- Signalleitungsignal line
- λEλE
- Verbrennungsluftverhältniscombustion air ratio
- COCO
- Kohlenmonoxidcarbon monoxide
- NH3NH3
- Ammoniakammonia
- NOxNOx
- Stickstoffoxidnitric oxide
- NSCNPC
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- TWCTWC
- Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
- mgmg
- Milligrammmilligram
- ss
- Sekundesecond
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102016204216A1 (en) | 2017-09-21 |
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