DE10355037B4 - Verfahren zum Optimieren der Abgaswerte einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Optimieren der Abgaswerte einer Brennkraftmaschine (1) mit einem in einem Abgastrakt (10) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (11) und diesem nachgeschaltetem NOx-Sensor (14), bei dem ein eine NOx-Desorptionsphase (33) und eine NH3-Freisetzphase (34) aufzeigendes NOx-Sensorsignal (30) in einer Motorsteuerung (20) zum Erkennen eines Regenerationsendes ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen des Regenerationsendes ein mit mindestens einem charakteristischen Formmerkmal des Verlaufs der Desorptionsphase (33) zusammenhängender Zeitpunkt (te) herangezogen wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Optimieren der Abgaswerte einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Abgastrakt angeordneten NOx-Speicherkatalysator und diesem nachgeschaltetem NOx-Sensor, bei dem ein eine NOx-Desorptionsphase und eine NH3-Freisetzphase aufzeigendes NOx-Sensorsignal in einer Motorsteuerung zum Erkennen eines Regenerationsendes ausgewertet wird.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren ist in der DE 198 23 923 C2 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird bei einer Brennkraftmaschine, in deren Abgastrakt ein NOx-Speicherkatalysator und ein diesem nachgeordneter NOx-Sensor angeordnet sind, zur Stickoxidreduzierung im Abgas das Ende einer Regenerationsphase an einem Signal des NOx-Sensors erkannt, das eine abnehmende Emission von Ammoniak (NH3) aus dem NOx-Speicherkatalysator anzeigt. Hierbei wird ausgenutzt, dass der NOx-Sensor eine Querempfindlichkeit zu NH3 aufweist, so dass das NOx-Sensorsignal einen hohen Peak aufweist, ohne dass in diesem Fall NOx die gemessene Komponente ist. Ist im NOx-Speicherkatalysator kein NOx mehr vorhanden, kann auch kein Ammoniak mehr gebildet werden und das NOx-Sensorsignal fällt wieder ab. Die fallende Flanke des NOx-Sensorsignals kann somit als Triggerung für den Abbruch der Regenerierungsphase herangezogen werden. Alternativ kann auch das Maximum des NOx-Sensorsignals als Kriterium für das Beenden der Regenerationsphase genutzt werden.
  • In der EP 1 060 003 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Beginns und des Endes eines Regenerationsintervalls eines NOx-Speicherkatalysators offenbart, bei dem der Beginn der Regenerationsphase durch einen NOx-Sensor detektiert wird und auch das Ende der Regenerationsphase des NOx-Speichers des Katalysators durch den NOx-Sensor festgestellt wird, der eine Querempfindlichkeit auf mindestens ein Abgasprodukt aufweist, das reduzierender Bestandteil des Abgases ist, dessen Austritt aus dem Katalysator zur Bestimmung des Endes der Regenerationsphase des Katalysators verwendet wird.
  • In der Offenlegungsschrift DE 100 36 453 A1 sind ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines NOx-Speicherkatalysators beschrieben, wobei die von einer Brennkraftmaschine emittierte NOx-Roh-Emissionen in einer ersten Betriebsphase in den NOx-Speicherkatalysator eingespeichert und in einer zweiten Betriebsphase wieder ausgelagert werden. Der Beginn der zweiten Betriebsphase wird anhand eines berechneten NOx-Füllstands im NOx-Speicherkatalysator ermittelt. Um den Anfang und das Ende der zweiten Betriebsphase möglichst genau und zuverlässig ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass ein erster Wert des NOx-Massenstroms stromabwärts nach den NOx-Speicherkatalysator gemessen und das NOx-Füllstandsmodell in Abhängigkeit von dem gemessenen NOx-Massenstrom korrigiert wird.
  • In der Offenlegungsschrift DE 100 35 525 A1 sind ebenfalls ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines Speicherkatalysators beschrieben, wobei der Speicherkatalysator die von einer Brennkraftmaschine emittierten NOx-Roh-Emissionen speichert. Das NOx wird in einer ersten Betriebsphase der Brennkraftmaschine in den Speicherkatalysator eingespeichert und in einer zweiten Betriebsphase wieder ausgelagert. In der zweiten Betriebsphase, in welcher die Regeneration des Speicherkatalysators stattfindet, wird in den Abgaskanal stromaufwärts vor den Speicherkatalysator ein Reagenzmittel eingebracht, welches das eingelagerte NOx reduziert. Das Ende der zweiten Betriebsphase wird anhand des von einer stromabwärts nach dem Speicherkatalysator angeordneten Abgassonde bereitgestellten Messsignals ermittelt. Erfasst und bewertet wird hierzu der Gradienten des Messsignals.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Optimieren der Abgaswerte einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass zum Erkennen des Regenerationsendes ein mit mindestens einem charakteristischen Formmerkmal des Verlaufs der Desorptionsphase zusammenhängender Zeitpunkt herangezogen wird.
  • Aus Untersuchungen der Erfinder hat sich ergeben, dass sich die Abgaswerte dadurch verbessern lassen, dass das Ende der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators durch Auswerten der Desorptionsphase bestimmt wird, wobei noch kein Ammoniak freigesetzt ist, das sich auf das Sensorsignal auswirken könnte. Durch diese Vorgehensweise kann ein schädliches Ansteigen insbesondere von CO und HC im Abgas effektiv vermieden werden. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass die Querempfindlichkeit auf Ammoniak im Wesentlichen nur dann auftritt, wenn im Abgastrakt stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators bereits Reduktionsmittel (CO, HC, H2) auftritt. Dadurch dass der Desorptions-Peak zum Bestimmen des Endes der Regenerationsphase herangezogen wird, wird das Durchtreten des Reduktionsmittels durch den Katalysator wirkungsvoll vermeidbar.
  • Vorteilhaft ist für die Bestimmung des Endes der Regenerationsphase vorgesehen, dass der Zeitpunkt zum Erkennen des Regenerationsendes vor Beginn der NH3-Freisetzphase liegt.
  • Verschiedene vorteilhafte Vorgehensweisen, das Ende der Regenerationsphase zu bestimmen, bestehen darin, dass als Formmerkmal das Maximum, eine charakteristische Steigungsänderung, ein Wendepunkt und/oder ein Einbruch des Desorptionsverlaufs herangezogen wird.
  • Dabei kann die Auswertung in der Motorsteuerung durch entsprechende Programmierung auch in der Weise ausgelegt sein, dass entsprechend der Form des Desorptionsverlaufs die charakteristischen Merkmale je nach ihrer Ausprägung geeignet gewählt oder kombiniert werden können.
  • Zum Optimieren der Abgaswerte sind weiterhin die Maßnahmen günstig, dass der Zeitpunkt durch Bestimmen eines vorgegebenen oder in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine vorgebbaren Zeitabstandes von dem Auftreten des mindestens einen Formmerkmals festgelegt wird.
  • Ausführungsbeispiel
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem angeschlossenen NOx-Speicherkatalysator und einem nachgeschalteten NOx-Sensor,
  • 2 eine schematische Darstellung eines NOx-Sensorsignals, insbesondere in einer Regenerationsphase über der Zeit,
  • 3 verschiedene Sensorsignale von Abgassensoren und Abgaswerte über der Zeit bei einer ersten Zeitskala und
  • 4 verschiedene Sensorsignale und Abgaswerte über einer anderen Zeitskala, insbesondere in einer Regenerationsphase.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit einem in deren Abgastrakt 10 angeordneten NOx-Speicherkatalysator 11 und mehreren Sensoren, nämlich einer vor dem Katalysator 11 angeordneten Lambdasonde 12, einer nach dem Katalysator 11 angeordneten Lambdasonde 13 und einem NOx-Sensor 14, und eine Motorsteuerung 20, mit der der Motorbetrieb steuerbar ist und der u. a. die Signale der Lambdasonden 12, 13 und des NOx-Sensors 14 zugeführt werden. Mit den Lambdasonden 12, 13 werden die Abgaswerte in dem Abgastrakt 10 vor bzw. nach dem Katalysator 11 in an sich bekannter Weise erfasst und zur Steuerung des Motors und des Katalysators 11 in der Motorsteuerung 20 ausgewertet. Der NOx-Sensor 14 bietet die Möglichkeit, die NOx-Abgaswerte hinter dem Katalysator 11 zu erfassen und auch die Funktion des Katalysators 11 zu diagnostizieren und im Fahrzeug anzuzeigen. Der NOx-Speicherkatalysator 11 ist geeignet, schädliche NOx-Bestandteile im Abgas herauszufiltern und zu speichern, wenn die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss, d. h. bei Lambdawerten grösser als 1 (z. B. zwischen 1,5 und 3) betrieben wird und dabei der NOx-Anteil nicht mehr durch die übrigen im Abgas vorhandenen Reduktionsmittel (insbesondere CO, HC, H2) abgebaut werden kann. Derartige NOx-Speicherkatalysatoren werden sowohl bei Dieselmotoren als auch teilweise bei Ottomotoren verwendet. Ihre Funktions- und Betriebsweise wird als bekannt angenommen, wozu insbesondere auch auf die eingangs genannten Druckschriften zu verweisen ist.
  • Insbesondere ist es beispielsweise aus den eingangs genannten Druckschriften auch bekannt, einen durch den Betrieb mit einem Luft-/Kraftstoff-Gemisch > 1 mit NOx angereicherten Katalysator 11 durch eine Umsteuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine mit fettem Kraftstoff-/Luft-Gemisch, d. h. mit Lambdawerten < 1 in einer Regenerationsphase zu betreiben, um den NOx-Speicher zu entleeren. Wird die Regenerationsphase, d. h. der fette Betrieb, zu lange aufrecht erhalten, kommt es zu einem raschen Anstieg der Reduktionsmittel, insbesondere auch von schädlichem CO, HC und es ist daher wichtig, wie in den eingangs genannten Druckschriften ausgeführt, das Ende der Regenerationsphase möglichst so festzulegen, dass es nicht zu einem schädlichen Durchbruch von Reduktionsmitteln kommt, wozu in der genannten DE 198 23 923 C2 vorgeschlagen ist, das Ende der Regenerationsphase an dem Signal des NOx-Sensors zu erkennen, das eine abnehmende Emission von Ammoniak (NH3) aus dem NOx-Speicherkatalysator anzeigt.
  • In 2 sind verschiedene Abschnitte des NOx-Sensorsignals SNOx über der Zeit gezeigt, und zwar insbesondere während einer Regenerationsphase 32. Vor Beginn der Regenerationsphase 32 zu einem Zeitpunkt t1 hat sich der NOx-Speicher des Speicherkatalysators 11 durch den Betrieb bei Lambdawerten > 1 mit NOx in einer Speicherphase 31 aufgeladen. Das Signal des NOx-Sensors zeigt den beim Regenerationsbeginn t1 typischen (kleinen) Einbruch, worauf die Desorptionsphase 33 mit einem Desorptionsmaximum bei t2 folgt. An die Desorptionsphase 33 schließt sich eine weitere Phase 34 an, in der Ammoniak freigesetzt wird (NH3-Freisetzphase), die durch die Querempfindlichkeit des NOx-Sensors für im Abgas vorhandene Reduktionsmittel zustande kommt, insbesondere auch für Ammoniak NH3. Die Erfinder haben erkannt, dass die Querempfindlichkeit für Ammoniak nur dann auftritt, wenn stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 11 bereits Reduktionsmittel (CO, HC, H2, NH3) auftritt, d. h. reduzierende Bedingungen oder [Lambda] < 1 herrschen. Hingegen hat sich in Messungen der Erfinder gezeigt, dass in der NOx-Desorptionsphase 33 kein NH3 auftritt. Wie in 2 weiter gezeigt, beginnt nach dem Ende der NH3-Freisetzphase 34 zu einem Zeitpunkt t3 die Einspeicherung von NOx in den NOx-Speicher erneut. Die Speicherphase dauert beispielsweise einige 10 Sekunden, während die Regenerationsphase beispielsweise bis zu 10 Sekunden dauert. Hierbei ist anzumerken, dass die NH3-Phase im eigentlichen Sinne keine Freisetzung, sondern eine (stationäre) Umsetzung von NOx aus dem (fetten) Abgas mit Reduktionsmittel (H2, HC) am NOx-Speicherkatalysator darstellt. Das Abnehmen des Signals beruht auf dem Abbruch der Regeneration.
  • Aufgrund der vorstehend genannten Erkenntnisse wird erfindungsgemäß zum Bestimmen des Endes der Regenerationsphase 32 die Desorptionsphase 33 in der Motorsteuerung 20 ausgewertet, um das Ende der Regenerationsphase 32 zu bestimmen. Hierzu wird der Verlauf des Desorptionssignals 33 hinsichtlich einer oder mehrerer charakteristischer Merkmale ausgewertet, wobei es auch denkbar ist, diese Merkmale in Kombination miteinander auszuwerten, um nähere Aussagen zum Bestimmen des Endes der Regenerationsphase 32 zu erhalten. Der Zeitpunkte, auf den das Regenerationsende bestimmt wird, kann nun in einem vorgegebenen oder vorgebbaren Abstand ab dem charakteristischen Merkmal festgelegt werden, wobei dieser Abstand auch von anderen in der Motorsteuerung 20 bekannten Betriebsparametern abhängig gemacht werden kann und beispielsweise auch 0 betragen kann. Als charakteristisches Merkmal kann z. B. das Maximum des Desorptionssignals 33 zugrunde gelegt werden oder bestimmte Steigungen in der ansteigenden oder abfallenden Flanke, ein Einbruch oder ein Wendepunkt. Durch diese Bestimmung des Regenerationsendes zum Zeitpunkte kann ein schädlicher Durchbruch von Reduktionsmittel effizient verhindert werden.
  • 3 zeigt verschiedene aufeinanderfolgende Regenerationen des NOx-Speicherkatalysators 11 mit abnehmenden Regenerationsdauern. Dargestellt sind das Signal einer kontinuierlich messenden Lambdasonde 13, des NOx-Sensors 14 sowie die Signale einer prüfstandsseitigen Abgasmesstechnik für die Abgasbestandteile HC, CO und NOx jeweils über der Zeit.
  • 4 zeigt gegenüber der 3 eine Vergrößerung der Regenerationsphase 32, wobei die Regenerationsdauer bzw. das Regenerationsende so gewählt ist, dass lediglich ein kleiner CO-Durchbruch stattfindet. Das NOx-Sensorsignal 30 zeigt den typischen kleinen Einbruch beim Beginn der Regeneration. Die Breite des darauffolgenden Desorptions-Peaks 33 stimmt mit der benötigten Regenerationsdauer überein. Der Fettgas- bzw. Reduktionsmittel-Durchbruch nach dem Regenerationsende lässt das NOx-Sensorsignal 30 wieder ansteigen. Durch Detektieren der fallenden Flanke des Desorptions-Peaks 33 in der Regenerationsphase 32 kann somit das Regenerationsende exakt bestimmt werden. Das Regenerationsende aus der NOx-Messung korreliert mit dem Regenerationsende aus dem Lambdasignal. Mit dem NOx-Sensorsignal 30 kann das Regenerationsende früher bzw. schneller als mit der Lambdasonde erkannt werden, da das NOx-Sensorsignal, d. h. insbesondere auch die hier herangezogene Desorptionsphase 33, wesentlich stärker ausgeprägte Gradienten hat. Damit ist es möglich, vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte zuverlässig einzuhalten.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Optimieren der Abgaswerte einer Brennkraftmaschine (1) mit einem in einem Abgastrakt (10) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (11) und diesem nachgeschaltetem NOx-Sensor (14), bei dem ein eine NOx-Desorptionsphase (33) und eine NH3-Freisetzphase (34) aufzeigendes NOx-Sensorsignal (30) in einer Motorsteuerung (20) zum Erkennen eines Regenerationsendes ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen des Regenerationsendes ein mit mindestens einem charakteristischen Formmerkmal des Verlaufs der Desorptionsphase (33) zusammenhängender Zeitpunkt (te) herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt (te) zum Erkennen des Regenerationsendes vor Beginn der NH3-Freisetzphase (34) liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Formmerkmal das Maximum, eine charakteristische Steigungsänderung, ein Wendepunkt und/oder ein Einbruch des Desorptionsverlaufs herangezogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt (te) durch Bestimmen eines vorgegebenen oder in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) vorgebbaren Zeitabstandes von dem Auftreten des mindestens einen Formmerkmals festgelegt wird.
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