DE102018202458A1 - Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators - Google Patents

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Cornelia Nagel
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, bei dem eine Reduktion von Stickoxiden mittels eines Reduktionsmittels erfolgt. Während einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators werden folgende Schritte durchgeführt: Es wird eine Messung (10) durchgeführt, aus der eine Schlupfrate (Qmess) des im Stickoxid-Speicherkatalysator nicht aufgenommenen Reduktionsmittels ermittelt wird. Daneben wird zumindest ein Erwartungswert (EWPA, EBPU) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels aus zumindest einem Modell (20, 30) ermittelt. Im Anschluss erfolgt eine Berechnung (100) einer Überwachungsgröße (Qnom) mittels der aus der Messung (10) ermittelten Schlupfrate (Qmess) des Reduktionsmittels und dem zumindest einen Erwartungswert (EWPA, EBPU) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels. Schließlich wird eine Diagnose (110) der Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators anhand der Überwachungsgröße (Qnom) durchgeführt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Heutzutage finden Stickoxid-Speicherkatalysatoren (Nitrogen Oxide Storage Catalyst - NSC) in Verbrennungsmotoren Verwendung, um die Emission von Stickoxiden (NOx) zu verringern. Um Kraftstoff zu sparen, werden Verbrennungsmotoren heutzutage vor allem in einem Magerbetrieb betrieben, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis λ (Luft-/Kraftstoffverhältnis) größer als 1 ist, das heißt es wird mehr Sauerstoff in den Verbrennungsmotor eingetragen als für eine vollständige Verbrennung benötigt wird. Als Resultat liegt bei einem mager betriebenen Verbrennungsmotor eine erhöhte Konzentration von Stickoxiden im Abgas vor. Der Stickoxid-Speicherkatalysator ist in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet und nimmt Stickoxide aus dem vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas auf und speichert diese.
  • Von Zeit zu Zeit muss der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert werden, d. h. das eingespeicherte Stickoxid muss aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator entfernt werden. Hierzu wird der Verbrennungsmotor fett mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ kleiner als 1 betrieben, daher wird weniger Sauerstoff in den Verbrennungsmotor eingetragen als für eine vollständige Verbrennung benötigt wird. Als Resultat wird das gespeicherte Stickoxid zu Stickstoff reduziert, welches dann über den Abgasstrang abgeführt wird.
  • Als wichtige Komponente bei der Schadstoffreduktion wird der Stickoxid-Speicherkatalysator hinsichtlich seiner Speicherfähigkeit und seiner schadstoffverringernden Wirkung mittels einer On-Board-Diagnose (OBD) überwacht, auch um gesetzlichen Bestimmungen zu entsprechen. Bei der Überwachung wird ein sogenanntes WPA-Muster (worst part acceptable) und ein sogenanntes BPU-Muster (best part unacceptable) zur Bewertung der Funktionsfähigkeit verwendet. Erreicht oder überschreitet der Stickoxid-Speicherkatalysator im WPA-Muster vorgesehene Beurteilungswerte, so kann er als völlig intakt bewertet werden. Unterschreitet der Stickoxid-Speicherkatalysator im BPU-Muster vorgesehene Beurteilungswerte, so ist er als definitiv defekt zu beurteilen. Liegen die Beurteilungswerte zwischen dem WPA-Muster und dem BPU-Muster, so deutet das eine Schädigung des Speicherkatalysators an, wobei die Schädigungen noch in einem akzeptablen Bereich liegen, in dem nicht zwingend Servicemaßnahmen durchgeführt werden müssen.
  • Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Überwachung auf einer Schlupfrate eines Reduktionsmittels während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators basiert. Die Schlupfrate gibt das Verhältnis einer Konzentration, eines Massestroms oder einer Masse zwischen dem schlupfenden Reduktionsmittel, d.h. dem Reduktionsmittel, welches die Abgasnachbehandlung passiert, ohne Stickoxide zu reduzieren, und dem zugeführten Reduktionsmittel wieder. Solche Reduktionsmittel sind beispielsweise reduzierende Abgaskomponenten, wie Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H2). Diese reduzierenden Abgaskomponenten treten bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsluftverhältnis kleiner 1 betrieben wird, vermehrt auf. Eine Schädigung des Stickoxid-Speicherkatalysators bewirkt unter anderem eine Verminderung der Reduktionsfähigkeit der katalytischen Beschichtung, was zu einer Erhöhung der Schlupfrate führt. Die Schlupfrate des Reduktionsmittels kann typischerweise mit Hilfe einer stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten Lambda-Sonde ermittelt werden.
  • Die Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators soll einerseits nur unter bestimmten Überwachungsbedingungen stattfinden, bei denen eine möglichst hohe Genauigkeit der Diagnose möglich ist, d. h. die Streuung der Diagnoseergebnisse möglichst gering ist. Andererseits soll die Diagnose so oft wie möglich durchgeführt werden. Der Quotient von Zyklen, in denen die Überwachung durchgeführt wurde und der Gesamtzahl von Zyklen, in denen die Überwachung hätte ablaufen können wird als IUMPR (In Use Monitoring Performance Ratio) bezeichnet und soll gemäß Gesetzgebung einen Minimalwert von 0,33 (in wenigstens jedem dritten Zyklus eine erfolgreiche Überwachung) nicht unterschreiten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Der Stickoxid-Speicherkatalysator nimmt Stickoxide, die sich im vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas befinden auf, und speichert diese. Bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators erfolgt die Reduktion der Stickoxide mittels eines Reduktionsmittels zu Stickstoff, der dann über den Abgasstrang aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator entfernt wird. Zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators kann der Verbrennungsmotor in einem Fettbetrieb, bei dem ein Verbrennungsluftverhältnis (Luft-/Kraftstoffverhältnis) kleiner als 1 ist, betrieben werden. Als Reduktionsmittel dienen reduzierende Abgaskomponenten, wie Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H2), welche mit den Stickoxiden reagieren und diese reduzieren. Diese reduzierenden Abgaskomponenten treten bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators, wenn der Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsluftverhältnis kleiner 1 betrieben wird, vermehrt auf.
  • Das Verfahren basiert auf einer Schlupfrate des im Stickoxid-Speicherkatalysator nicht aufgenommenen Reduktionsmittels. Die Schlupfrate gibt das Verhältnis einer Konzentration, eines Massestroms oder einer Masse zwischen Reduktionsmittel, welches den Stickoxid-Speicherkatalysator passiert, ohne Stickoxide zu reduzieren, d. h. schlupfendes Reduktionsmittel und dem zugeführten Reduktionsmittel wieder. Die Schlupfrate ist daher ein Maß für die Aktivität der katalytischen Beschichtung des Speicherkatalysators, welche die Reduktionsreaktion befördert.
  • Bei dem Verfahren ist vorgesehen während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators die im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen:
  • Zum einen wird eine Messung durchgeführt, aus der die Schlupfrate des im Stickoxid-Speicherkatalysator nicht aufgenommenen Reduktionsmittels ermittelt wird. Vorzugsweise wird die Messung, aus der die Schlupfrate des Reduktionsmittels ermittelt wird, folgendermaßen durchgeführt: Ein Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und ein Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators werden gemessen, wobei die Messung des jeweiligen Verbrennungsluftverhältnis bevorzugt durch einen an der jeweiligen Stelle angeordneten Lambda-Sensor erfolgt. Zudem wird ein Abgasmassestrom ermittelt. Aus dem Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und dem Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators wird schließlich die momentane gemessene Schlupfrate des Reduktionsmittels ermittelt.
  • Zum anderen wird zumindest ein Erwartungswert für die Schlupfrate des Reduktionsmittels aus zumindest einem Modell ermittelt. Als Parameter für das Modell kann zumindest einer der folgenden Parameter verwendet werden:
    • - Das Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators;
    • - ein Sollwert des Verbrennungsluftverhältnisses stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators
    • - ein Abweichung zwischen dem Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und dem vorstehend genannten Sollwert;
    • - der Abgasmassestrom;
    • - die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators;
    • - der laufende Verbrauch des Reduktionsmittels, beispielsweise der reduzierenden Abgaskomponenten seit Regenerationsstart als Maß für den Regenerationsfortschritt;
    • - eine Stickoxid-Beladung des Stickoxid-Speicherkatalysators, d. h. die im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherte Masse von Stickoxid; und/oder
    • - eine Schwefel-Beladung des Abgases, d. h. die im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherte Masse von Schwefel.
  • Der laufende Verbrauch des Reduktionsmittels kann als Integral des Produkts aus der Differenz der reziproken Verbrennungsluftverhältnisse stromaufwärts und stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und dem Abgasmassenstrom berechnet werden.
  • Vorzugsweise fließen diese Parameter in Form von Kennfeldern oder Kennlinien in das Modell ein. Bevorzugt fließen das Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und die Abweichung zwischen diesem Verbrennungsluftverhältnis und dem Sollwert als zweidimensionales Kennfeld und die weiteren Parameter als eindimensionale Kennlinie in das Modell ein. Die Messung, aus der die Schlupfrate des im Stickoxid-Speicherkatalysator nicht aufgenommenen Reduktionsmittels ermittelt wird, und die Ermittlung des zumindest einen Erwartungswerts können in beliebiger Reihenfolge und insbesondere auch zeitgleich zueinander durchgeführt werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird einer der Erwartungswerte aus einem Modell für ein WPA-Muster (worst part acceptable), das einen intakten Stickoxid-Speicherkatalysator repräsentiert, ermittelt. Mit anderen Worten werden die Parameter dieses Modells so gewählt, dass diese gemäß dem WPA-Muster einen intakten Stickoxid-Speicherkatalysator modellieren. Gemäß einem weiteren Aspekt wird einer der Erwartungswerte aus einem Modell für ein BPU-Muster (best part unacceptable), das einen defekten Stickoxid-Speicherkatalysator repräsentiert, ermittelt. Mit anderen Worten werden die Parameter dieses Modells so gewählt, dass diese gemäß dem BPU-Muster einen defekten Stickoxid-Speicherkatalysator modellieren. Da sich das WPA-Muster und das BPU-Muster unterscheiden, werden die Parameter auf das jeweilige Modell angepasst ausgewählt.
  • Mittels der aus der Messung ermittelten Schlupfrate des Reduktionsmittels und dem zumindest einen Erwartungswert der Schlupfrate des Reduktionsmittels wird eine Überwachungsgröße, insbesondere eine normierte Schlupfrate, berechnet. Vorteilhafterweise werden alle ermittelten Erwartungswerte bei der Berechnung der Überwachungsgröße einbezogen. Schließlich wird eine Diagnose der Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators anhand der Überwachungsgröße durchgeführt. Die Überwachungsgröße, die aus einem gemessenen Wert und mindestens einem modellierten Wert für die Schlupfrate des Reduktionsmittels berechnet wurde, gibt den Unterschied zwischen der gemessenen Schlupfrate und dem Erwartungswert bzw. den Erwartungswerten der Schlupfrate des Reduktionsmittels an und dient als Größe für die Diagnose der Funktionsfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators. Demnach kann die Überwachungsgröße zur Unterscheidung zwischen einem intakten Stickoxid-Speicherkatalysator und einem defekten Stickoxid-Speicherkatalysator verwendet werden. Die Überwachungsgröße bietet zudem den Vorteil, dass bei der Diagnose auch eine quantitative Bewertung erfolgt. Die quantitative Diagnose ist für die nachfolgende dargestellte Kombination von bereits beschriebenen Merkmalen besonders einfach und aussagekräftig.
  • Werden die vorstehend erwähnten Erwartungswerte für die Schlupfrate gemäß dem WPA-Muster und gemäß dem BPU-Muster, bei denen sich die Parameter des Modells gemäß dem WPA-Muster von den Parametern des Modells gemäß dem BPU-Muster unterscheiden, bei der Berechnung der Überwachungsgröße verwendet, können deren Werte in zumindest drei Wertebereiche eingeteilt werden: Ein erster Bereich der Überwachungsgröße repräsentiert einen Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators, der besser als der Zustand gemäß dem WPA-Muster diagnostiziert wird, d. h. bei dem der Stickoxid-Speicherkatalysator als (vollständig) intakt diagnostiziert wird. Ein zweiter Bereich der Überwachungsgröße repräsentiert einen Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators, der schlechter als der Zustand gemäß dem WPA-Muster aber besser als der Zustand gemäß dem BPU-Muster diagnostiziert wird. Demgemäß sind Schädigungen des Stickoxid-Speicherkatalysators vorhanden, allerdings liegen diese noch unter dem für das BPU-Muster relevanten Level, und der Stickoxid-Speicherkatalysator wird als (ausreichend) intakt diagnostiziert. Ein dritter Bereich repräsentiert einen Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators, der schlechter als der Zustand gemäß dem BPU-Muster diagnostiziert wird, d. h. bei dem der Stickoxid-Speicherkatalysators als defekt diagnostiziert wird.
  • Die Überwachungsgröße lässt sich in besonders einfacher Weise und aussagekräftig berechnen, indem die Differenz zwischen der gemessenen Schlupfrate und dem Erwartungswert der Schlupfrate gemäß dem WPA-Muster durch die Differenz zwischen dem Erwartungswert der Schlupfrate gemäß dem BPU-Muster und dem Erwartungswert der Schlupfrate gemäß dem WPA-Muster geteilt wird, wobei sich die Größen jeweils auf die gleiche Zeit beziehen. In diesem Fall können die Wertebereiche besonders einfach gewählt werden. Negative Werte der Überwachungsgröße bilden den ersten Bereich, bei dem der Stickoxid-Speicherkatalysator als (vollständig) intakt diagnostiziert wird. Werte zwischen Null und Eins entsprechen einem Zustand im zweiten Bereich zwischen dem Zustand gemäß dem WPA-Muster und dem Zustand gemäß dem BPU-Muster. Werte größer als 1 bilden den dritten Bereich, bei dem der Stickoxid-Speicherkatalysator als defekt diagnostiziert wird.
  • Alternativ kann für den Messwert und jeden der Erwartungswerte der Schlupfrate des Reduktionsmittels jeweils ein eigener Mittelwert berechnet werden. Dazu wird die aus dem jeweiligen Modell bzw. Messung ermittelte Schlupfrate für das Reduktionsmittel mit einem angebotenen Reduktionsmittelmassestrom, der während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Fettbetrieb des Verbrennungsmotors aus dem Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators und dem Abgasmassestrom berechnet werden kann und demnach den tatsächlichen Reduktionsmittelstrom stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators repräsentiert, gewichtet d.h. multipliziert und dieser Wert anschließend über die Zeit integriert. Die Integrationszeit entspricht bevorzugt der Messzeit der Messung, aus der die Schlupfrate des Reduktionsmittels ermittelt wird. Dadurch ergibt sich jeweils die integrale Reduktionsmittel-Schlupfmasse innerhalb der Messzeit. Dieser Wert wird dann durch den integrierten angebotenen Reduktionsmittelmassestrom geteilt, um den zugehörigen Mittelwert zu erhalten. Wie bereits erwähnt können die Mittelwerte statt der Momentanwerte der Schlupfrate bei der Berechnung der Überwachungsgröße verwendet werden. Das heißt, die Überwachungsgröße wird aus dem zumindest einen Modell-Mittelwert und der aus der Messung gemittelten Schlupfrate des Reduktionsmittels berechnet. Die vorstehend beschriebenen Wertebereiche für die Überwachungsgröße können in gleicher Weise gewählt werden.
  • Optional kann aus zwei der Erwartungswerte für unterschiedliche Modelle, insbesondere aus dem Erwartungswert für das Modell gemäß dem WPA-Muster und aus dem Erwartungswert für das Modell gemäß dem BPU-Muster, ein Trennschärfe-Erwartungswert ermittelt werden. Der Trennschärfe-Erwartungswert entspricht dem Wert, um den sich die beiden Erwartungswerte für die beiden Modelle mit den jeweiligen Parametern unterscheiden und ist somit ein Maß für die Sensitivität in der aktuellen Überwachungsphase. Der Trennschärfe-Erwartungswert kann mit einem Schwellwert für die Trennschärfe verglichen werden. Liegt der Trennschärfe-Erwartungswert oberhalb des Schwellwerts für die Trennschärfe, wird die Diagnose als gültig eingestuft, da die beiden Modelle sich für eine Differenzierung weit genug unterscheiden. Liegt der Trennschärfe-Erwartungswert unterhalb des Schwellwerts für die Trennschärfe, wird die Diagnose als ungültig eingestuft und verworfen, da die Unterscheidbarkeit zwischen den beiden Modellen für eine gültige Diagnose nicht ausreichend ist.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
  • Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, eine Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators durchzuführen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stickoxid-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, der mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden kann.
    • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung von Modellen, wie sie in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in 2 verwendet werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, einen Abgasstrang 2 und eine Abgasnachbehandlung mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator 3, der mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden kann. Ein Abgasmassestrom QA vom Verbrennungsmotor 1 wird über den Abgasstrang 2 zu der Abgasnachbehandlung geführt. Die Abgasnachbehandlung kann neben dem Stickoxid-Speicherkatalysator 3 noch weitere Komponenten zur Reduzierung von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, umfassen.
  • Ein elektronisches Steuergerät 6 steuert den Verbrennungsmotor 1, insbesondere dessen Kraftstoffeinspritzung (nicht gesondert dargestellt). Zur Kraftstoffeinsparung wird der Verbrennungsmotor 1 vorwiegend in einem Magerbetrieb betrieben, bei dem im Verbrennungsmotor 1 mehr Sauerstoff vorhanden ist als für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs benötigt wird, sodass eine erhöhte Konzentration von Stickoxiden vom Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird. Die in diesem Betrieb vermehrt im Abgas vorhandenen Stickoxide werden vom Stickoxid-Speicherkatalysator 3 aufgenommen und in diesem zwischengespeichert. Zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wird der Verbrennungsmotor 1 in einem Fettbetrieb betrieben, bei dem im Verbrennungsmotor 1 weniger Sauerstoff vorhanden ist als für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs benötigt wird, sodass vermehrt Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) ausgestoßen wird. Diese reduzierenden Abgaskomponenten dienen als Reduktionsmittel für die Stickoxide im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und reduzieren diese zu Stickstoff, der anschließend den Abgasstrang 2 verlässt. Darüber hinaus ist ein erster Lambda-Sensor 4 stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 angeordnet, der das Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 misst und an das elektronisches Steuergerät 6 weiterleitet. Des Weiteren ist ein zweiter Lambda-Sensor 5 stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 angeordnet, der das Verbrennungsluftverhältnis λn stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 misst und auch an das elektronisches Steuergerät 6 weiterleitet.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wird eine Messung 10 des Verbrennungsluftverhältnisses λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und des Verbrennungsluftverhältnisses λn stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 durchgeführt und daraus gemäß Formel 1 eine gemessene Schlupfrate Qmess ermittelt. Q m e s s = ( 1 − 1 λ n ) ( 1 − 1 λ v )
    Figure DE102018202458A1_0001
  • Daneben ist ein Modell 20 für die Schlupfrate gemäß einem WPA-Muster (im Folgenden kurz WPA-Modell 20 genannt) und ein Modell 30 für die Schlupfrate gemäß einem BPU-Muster (im Folgenden kurz BPU-Modell 30 genannt) vorgesehen. Für eine detaillierte Beschreibung der beiden Modelle 20, 30 wird auf die Ausführungsform zu der 3 verwiesen. In beide Modelle 20, 30 fließen jeweils folgende Parameter ein, wobei sich die Parameter für das WPA-Modell 20 und das BPU-Modell 30 unterscheiden:
    • - Das Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3;
    • - ein Sollwert λs des Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators;
    • - eine Abweichung Δλvs zwischen dem Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und dem Sollwert λs;
    • - der Abgasmassestrom QA ;
    • - die Temperatur Tkat des Stickoxid-Speicherkatalysators 3;
    • - der laufende Verbrauch mv des Reduktionsmittels seit Regenerationsstart als Maß für den Regenerationsfortschritt;
    • - die im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 gespeicherte Masse mkatNOx der Stickoxide; und/oder
    • - die im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 gespeicherte Masse mkatS von Schwefel.
  • Der laufende Verbrauch mv des Reduktionsmittels wird als Integral des Produkts aus der Differenz zwischen dem reziproken Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und dem reziproken Verbrennungsluftverhältnis λn stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und dem Abgasmassenstrom QA gemäß Formel 2 berechnet. Der Integrationsstart entspricht dabei dem Zeitpunkt t0 ab dem das Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 kleiner als 1 ist. m v = ∫ t 0 t ( 1 λ v − 1 λ n ) ⋅ Q A
    Figure DE102018202458A1_0002
  • Aus dem WPA-Modell 20 wird eine modellierte Schlupfrate QWPA gemäß dem WPA-Muster ermittelt und aus dem BPU-Modell 30 wird eine modellierte Schlupfrate QBPU gemäß dem BPU-Muster ermittelt. Des Weiteren wird ein angebotener Reduktionsmittelmassestrom QRa aus dem Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und dem Abgasmassestrom QA ermittelt 40. Die Ermittlung der modellierten Schlupfrate QWPA gemäß dem WPA-Muster und die Ermittlung der modellierten Schlupfrate QBPU gemäß BPU-Muster sowie die Ermittlung 40 des Reduktionsmittelmassestroms QRa können zeitgleich zueinander und/oder zu der Messung 10 der gemessenen Schlupfrate Qmess durchgeführt werden oder in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
  • Ein Erwartungswert EWPA für die integrale Reduktionsmittel-Schlupfmasse des WPA-Modells 20 wird ermittelt, indem eine Multiplikation 51 der modellierten Schlupfrate QWPA gemäß dem WPA-Muster mit dem angebotenen Reduktionsmittelmassestrom QRa erfolgt und im Anschluss eine Integration 61 des Produkts über die Messzeit t der Messung 10 durchgeführt wird. Analog wird ein Erwartungswert EBPU für das BPU-Modell 30 ermittelt, indem eine Multiplikation 52 der modellierten Schlupfrate QBPU gemäß dem BPU-Muster mit dem angebotenen Reduktionsmittelmassestrom QRa erfolgt und im Anschluss eine Integration 62 des Produkts über die Messzeit der Messung 10 durchgeführt wird. Außerdem wird der angebotene Reduktionsmittelmassestrom QRa ebenfalls über die Messzeit t der Messung 10 integriert 60. Mittels einer Division 71 des Erwartungswerts EWPA für die integrale Reduktionsmittel-Schlupfmasse des WPA-Modells 20 durch den integrierten angebotenen Reduktionsmittelmassestrom ∫ QRa wird ein Mittelwert Q WPA der modellierten Schlupfrate QWPA gemäß dem WPA-Modell 20 (im Folgenden „Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell“ genannt) erhalten. Analog wird mittels der Division 72 des Erwartungswerts EBPU für das BPU-Modell 20 durch den integrierten angebotenen Reduktionsmittelmassestrom ∫QRa ein Mittelwert Q BPU der modellierten Schlupfrate QBPU gemäß dem BPU-Modell 20 (im Folgenden „Mittelwert Q BPU für das BPU-Modell“ genannt) erhalten. In gleicher Weise wird ein Mittelwert Q mess der gemessenen Schlupfrate Qmess erhalten, indem die gemessene Schlupfrate Qmess mit dem angebotenen Reduktionsmassestrom QRa multipliziert 53 wird, anschließend über die Messzeit t der Messung 10 integriert 63 wird und schließlich durch den integrierten angebotenen Reduktionsmittelmassestrom ∫QRa dividiert 73 wird. Die Integrationen 60 - 63 erfolgen zeitgleich, können aber auch in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
  • Nun wird einerseits die Differenz 80 zwischen dem Mittelwert Q mess der gemessenen Schlupfrate und dem Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell 20 gebildet und andererseits die Differenz 90 zwischen dem Mittelwert Q BPU für das BPU-Modell und dem Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell gebildet, wobei die Differenz 90 zwischen dem Mittelwert Q BPU für das BPU-Modell und dem Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell einen Trennschärfe-Erwartungswert ETS darstellt, dessen Funktion später erläutert wird. Um schließlich eine Überwachungsgröße, in dieser Ausführungsform eine normierte Schlupfrate Qnorm , zu erhalten, welche den Schädigungsgrad des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wiedergibt, erfolgt eine Division 100 der Differenz 80 zwischen dem Mittelwert Q mess der gemessenen Schlupfrate und dem Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell 20 durch die Differenz 90 zwischen dem Mittelwert Q BPU für das BPU-Modell und dem Mittelwert Q WPA für das WPA-Modell gemäß nachfolgender Formel 3: Q n o r m = Q ¯ m e s s − Q ¯ W P A Q ¯ B P U − Q ¯ W P A
    Figure DE102018202458A1_0003
  • Schließlich wird anhand der normierten Schlupfrate Qnorm eine Diagnose 110 durchgeführt. Hierbei wird geprüft, in welchem Wertebereich die normierten Schlupfrate Qnorm liegt. Liegt die normierte Schlupfrate Qnorm in einem ersten Bereich unterhalb von Null, d. h. nimmt die normierte Schlupfrate Qnorm negative Werte an, so wird der Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 als besser als ein Zustand gemäß dem WPA-Muster diagnostiziert, d. h. der Stickoxid-Speicherkatalysator wird als vollständig intakt diagnostiziert 111. Liegt die normierte Schlupfrate Qnorm in einem zweiten Bereich zwischen Null und Eins, so wird der Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 als schlechter als der Zustand gemäß dem WPA-Muster aber besser als der Zustand gemäß dem BPU-Muster diagnostiziert. Es liegen demnach Schädigungen des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vor, allerdings liegen diese noch unter dem für das BPU-Muster relevanten Level, und der Stickoxid-Speicherkatalysator wird als ausreichend intakt diagnostiziert 112. Liegt die normierte Schlupfrate Qnorm in einem dritten Bereich oberhalb von Eins, so wird der Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 als schlechter als der Zustand gemäß dem BPU-Muster diagnostiziert, d. h. der Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wird als defekt diagnostiziert 113.
  • Daneben wird der Trennschärfe-Erwartungswert ETS , der ein Maß für die Sensitivität in der aktuellen Überwachungsphase ist, mit einem Schwellwert STS für die Trennschärfe verglichen. Liegt der Trennschärfe-Erwartungswert ETS oberhalb des Schwellwerts STS für die Trennschärfe, so wird die Diagnose 110 als gültig eingestuft. Liegt der Trennschärfe-Erwartungswert ETS allerdings unterhalb des Schwellwerts STS für die Trennschärfe, so wird die Diagnose 110 als ungültig eingestuft 121 und das oben beschriebene Ergebnis verworfen.
  • Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung der Modelle 20, 30 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die nachfolgend beschriebene Ermittlung kann für das Modell 20 gemäß dem WPA-Muster und für das Modell 30 gemäß dem BPU-Muster gleichermaßen angewendet werden, lediglich die nachfolgend beschriebenen Parameter werden bei den beiden Mustern unterschiedlich gewählt und/oder gewichtet. Es werden Kennfelder bzw. Kennlinien 210 - 215 verwendet, um die Parameter in die modellierte Schlupfrate QWPA oder QBPU zu überführen. Die Kennlinien 210 - 215 werden unterschiedlich bedatet, wodurch die Parameter unterschiedlich gewichtet werden. Zu Beginn wird eine Abweichung Δλvs zwischen dem Verbrennungsluftverhältnisses λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und dem Sollwert λs für das Verbrennungsluftverhältnis λv stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 ermittelt, indem eine Differenz 200 zwischen den beiden Größen gebildet wird. Ein zweidimensionales Kennfeld 210 gibt einen Modell-Basiswert für die Schlupfrate in Abhängigkeit des Sollwerts λs für das Verbrennungsluftverhältnis und der Abweichung Δλvs zwischen dem Verbrennungsluftverhältnisses λv und dem Sollwert λs an. Auf den Abgasmassestrom QA , die Temperatur Tkat des Stickoxid-Speicherkatalysators 3, den aktuellen Verbrauch mv des Reduktionsmittels, die Masse mkatNOx der Stickoxide und die Masse mkatS von Schwefel, die im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeichert sind, werden jeweils separate eindimensionale Kennlinien 211 - 215 angewendet und die erhaltenen Werte dann in Form von Korrekturfaktoren mit dem Modell-Basiswert für die Schlupfrate multipliziert 220, um die modellierte Schlupfrate QWPA bzw. QBPU für das jeweilige Muster zu erhalten.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (3 in einem Abgasstrang (2) eines Verbrennungsmotors (1), bei dem eine Reduktion von Stickoxiden mittels eines Reduktionsmittels erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) folgende Schritte durchgeführt werden: - Durchführen einer Messung (10), aus der eine Schlupfrate (Qmess) des im Stickoxid-Speicherkatalysator (3) nicht aufgenommenen Reduktionsmittels ermittelt wird; - Ermitteln (61, 62) zumindest eines Erwartungswerts (EWPA, EBPU) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels aus zumindest einem Modell (20, 30); - Berechnen (100) einer Überwachungsgröße (Qnom) mittels der aus der Messung (10) ermittelten Schlupfrate (Qmess) des Reduktionsmittels und dem zumindest einen Erwartungswert (EWPA, EBPU) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels; und - Durchführen einer Diagnose (110) der Speicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) anhand der Überwachungsgröße (Qnom) .
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Erwartungswerte (QWPA) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels aus einem Modell (20) für ein WPA-Muster, das einen intakten Stickoxid-Speicherkatalysator (3) repräsentiert, ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Erwartungswerte (EBPU) für die Schlupfrate des Reduktionsmittels aus einem Modell (30) für ein BPU-Muster, das einen defekten Stickoxid-Speicherkatalysator (3)
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Erwartungswert für die integrale Reduktionsmittelmasse (EWPA, EBPU) mittels einer Multiplikation (51, 52) einer aus dem zumindest einen Modell (20, 30) ermittelten Schlupfrate (QWPA, QBPU) für das Reduktionsmittel mit einem angebotenen Reduktionsmittelstrom (QRa) und anschließender Integration (61, 62) über die Zeit ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der zumindest einen Erwartungswerte für die integrale Reduktionsmittelmasse (EWPA, EBPU) ein Mittelwert für die Schlupfrate des Reduktionsmittels (Q WPA, Q BPU) mittels einer Division (71, 72) durch einen angebotenen Reduktionsmittelmassestrom (QRa) ermittelt wird und die Überwachungsgröße (Qnom) mittels dem zumindest einen Mittelwert (Q WPA, Q BPU) und einer aus der Messung ermittelten mittleren Schlupfrate (Q mess) des Reduktionsmittels berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Modell (20, 30) zumindest einer der folgenden Parameter verwendet wird: - Ein Verbrennungsluftverhältnis (λv) stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (3); - ein Sollwert (λs) des Verbrennungsluftverhältnisses (λv) stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (3); - ein Abweichung (Δλs) zwischen dem Verbrennungsluftverhältnis (λv) stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und dem Sollwert (λs); - der Abgasmassestrom (QA); - die Temperatur (Tkat) des Stickoxid-Speicherkatalysators (3); - der laufende Verbrauch (mV) des Reduktionsmittels seit Regenerationsstart als Maß für den Regenerationsfortschritt; - eine Stickoxid-Beladung (mkatS) des Stickoxid-Speicherkatalysators (3); und/oder - eine Schwefel-Beladung (mkatNOx) des Stickoxid-Speicherkatalysators (3).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter als Kennfelder (210) oder Kennlinien (211 - 215) in das Modell (20, 30) einfließen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung (10), aus der die Schlupfrate des Reduktionsmittels ermittelt wird, über ein Verbrennungsluftverhältnis (λv) stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) und ein Verbrennungsluftverhältnis (λn) stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest zwei der Erwartungswerte (EWPA, EBPU) für unterschiedliche Modelle (20, 30) ein Trennschärfe-Erwartungswert (ETS) ermittelt (90) wird und dieser Trennschärfe-Erwartungswert (ETS) mit einem Schwellwert (STS) für die Trennschärfe verglichen (120) wird, wobei wenn der Trennschärfe-Erwartungswert (ETS) oberhalb des Schwellwerts (STS) für die Trennschärfe liegt, die Diagnose (110) als gültig eingestuft wird und wenn der Trennschärfe-Erwartungswert (ETS) unterhalb des Schwellwerts (STS) für die Trennschärfe liegt, die Diagnose (110) als ungültig (121) eingestuft wird und verworfen wird.
  10. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
  11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
  12. Elektronisches Rechengerät (6), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eine Überwachung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (3) durchzuführen.
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