DE10361287A1 - Verfahren zur Anpassung der Regenerationssteuerung eines NOx-Speicherkatalysators an dessen Alterungszustand - Google Patents

Verfahren zur Anpassung der Regenerationssteuerung eines NOx-Speicherkatalysators an dessen Alterungszustand Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein NO¶x¶-Speichersystem für Kraftfahrzeuge mit einem NO¶x¶-Speicher-Katalysator und einem mit Bezug zur Abgasströmung nach dem NO¶x¶-Speicher-Katalysator angeordneten NO¶x¶-Sensor. Der NO¶x¶-Sensor ist mit einer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmenden Lambda-Sonde und einer Motorsteuerung derart verbunden, dass der Beginn und der Verlauf einer Regenerationsphase des NO¶x¶-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit eines den Alterungszustand des NO¶x¶-Speicher-Katalysators darstellenden Alterungsfaktors AF bestimmt ist. Das Beenden der Regenerationsphase ist durch einen Abmagerungsgrad LA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und eine Abmagerungsdauer dt bestimmt. Der Wert des Abmagerungsgrads LA und damit die Abmagerungsdauer dt der Abmagerung sind vom Alterungsfaktor AF abhängig.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein NOX-Speichersystem für Kraftfahrzeuge mit einem NOX-Speicher-Katalysator und einem mit Bezug zur Abgasströmung nach dem NOX-Speicher-Katalysator angeordneten NOX-Sensor wobei der NOX-Sensor mit einer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmenden Lambda-Sonde und einer Motorsteuerung derart verbunden ist, dass der Beginn und die Dauer einer Regenerationsphase des NOX-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit eines den Alterungszustand des NOX-Speicher-Katalysators darstellenden Alterungsfaktors AF bestimmt ist.
  • Das Abgas von Verbrennungsmotoren, die mit überstöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda) betrieben werden, enthält Stickoxide, die von NOX-Speicher-Katalysatoren absorbiert werden können. Wird der Motor nach einer Mager-Betriebsphase mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben, werden die Stickoxide desorbiert und gleichzeitig reduziert. Die bedarfsgerechte Steuerung dieser Mager- und Fettzeiten, das bedarfs- und emissionsoptimale Anfordern, Durchführen und Beenden der Katalysatorregeneration ist die Kernaufgabe des NOX-Speichersystems. Eine Regeneration wird angefordert, wenn das Signal eines stromabwärts vom NOX-Speicher-Katalysator angeordneten NOX-Sensors eine NOX-Schwelle überschreitet oder durch ein in der Motorsteuerung integriertes NOX-Speichermodell eine Anforderung zur Regeneration gestellt wird. Die Regeneration wird durchgeführt, indem der Motor mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird. Eine Korrektur des Lambda-Soll werts für diese Regeneration kann durch Auswertung eines Signals eines stromabwärts vom NOX-Speicher-Katalysator angeordneten CO-Sensors erfolgen. Als CO-Sensor kann beispielsweise auch eine insbesondere binäre Lambdasonde oder ein NOX-Sensor dienen, deren Signale hinsichtlich des Lambdawerts ausgewertet werden können, woraus der CO-Gehalt des Abgases ermittelt werden kann, da dieser im direkten Zusammenhang mit dem Lambdawert steht. Die Regeneration wird beendet, wenn das Signal des stromabwärts vom NOX-Speicher-Katalysator angeordneten CO-Sensors eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Die verschiedenen von den Sensoren ermittelten Schwellwerte zum Anfordern, Durchführen und Beenden der Regeneration werden dabei in Motorkennfeldern MK abgelegt. NOX-Speicher-Katalysatoren verlieren während des Betriebs durch Alterung Teile ihrer Speichereigenschaft. Dieser Verlust kann sowohl durch Verschwefelung (reversibel) als auch durch thermische Belastung (irreversibel) bedingt sein. Durch die Verringerung der Speicherkapazität aufgrund der Alterung tritt eine Verschlechterung der Emissionsbilanz auf, die durch die Sensoren detektiert wird. Dadurch bedingt steigt die Regenerationsfrequenz und aufgrund dieser mangelnden Speicherkapazität bzw. Speicherpuffer-Kapazität die spezifische NOX- bzw. HC-Emission. Der integrale Wert der NOX-Emission, der bis zum Erreichen der Auslöseschwelle für die Regeneration ausgetreten ist, steigt bei einem gealterten NOX-Speicher-Katalysator. Ein neuer NOX-Speicher-Katalysator hingegen zeigt über große Teile der jeweiligen Magerphase deutlich geringere bzw. vernachlässigbare NOX-Emissionwerte. Der gealterte NOX-Speicher-Katalysator zeigt von Beginn der Magerphase an bis zum Erreichen der Auslöseschwelle für die Regeneration stetig steigende NOX-Emissionwerte. Dadurch kommt es auch bei theoretisch gleicher Regenerationsfrequenz bei einem gealterten NOX-Speicher-Katalysator zu einem höheren Integralwert der NOX-Emission.
  • Es ist bereits eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge aus der US 5,735,119 bekannt, die einen NOX-Speicher-Katalysator auf weist. Der NOX-Speicher-Katalysator nimmt dabei bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch NOX aus dem Abgas auf und gibt dieses bei Verbrennung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs zwecks Reaktion mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen wie HC und CO wieder ab. Die Abgabe von NOX stellt dabei die Regenerationsphase des NOX-Speicher-Katalysators dar. Daneben ist die Bestimmung des Alterungszustands des NOX-Speicher-Katalysators vorgesehen, so dass in Abhängigkeit des Alterungszustands die NOX-Speicherphase und/oder die Regenerationsphase verkürzt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein NOX-Speicher-System derart auszubilden und anzuordnen, dass eine optimale Ausnutzung der Speicherkapazität gewährleistet ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Verlauf des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in der Regenerationsphase durch einen Abmagerungsgrad LA des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses bestimmt ist und der Wert des Abmagerungsgrads LA vom Alterungsfaktor AF abhängig ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein sogenannter HC/CO-Durchbruch beim Beenden der Regeneration verhindert wird. Über den Verlauf des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in der Regenerationsphase bestimmt sich im wesentlichen die Dauer der Regenerationsphase bzw. die Dauer der Abmagerung während der Regenerationsphase (Abmagerungsdauer dt). Die Regeneration wird vorzugsweise mit dem Erreichen eines vorbestimmten Werts des ausgangseitig des NOX-Speicher-Katalysators gemessenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses beendet. Dieser sogenannte Lambdawert liegt vorzugsweise sehr nahe bei λ = 1.
  • Da die Regeneration über ein Signal eines mit Bezug zur Strömungsrichtung nach dem NOX-Speicher-Katalysator angeordneten CO-Sensors bzw. einer Lambdasonde beendet wird, werden auch nach dem Beenden der Regeneration durch Veränderung des Lambda-Sollwerts LS von einem Wert λ < 1, der einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch entspricht auf einen stöchiometri schen oder mageren Wert von etwa λ = 1 oder λ > 1 die HC/CO-Werte im Abgas gestoppt. Als CO-Sensor wird hier auch ein beispielsweise als binäre Lambdasonde oder NOX-Sensor ausgebildeter Abgassensor verstanden, dessen Signal hinsichtlich des Lambdawerts ausgewertet werden kann, woraus wiederum der CO-Gehalt des Abgases ermittelt werden kann, da dieser im direkten Zusammenhang mit dem Lambdawert steht.
  • Aufgrund der Abgassäule zwischen den Auslassventilen und dem Eintritt in den NOX-Speicher-Katalysator wird diesem für eine kurze Zeit nach dem Abregeln bzw. Abmagern des Gemischs im Motor noch Regenerationsmittel, also CO und HC zur Verfügung gestellt, so dass diese Abgassäule zum Zeitpunkt der Beendigung der Regeneration (λ > = 1), also des Abmagerns mit fettem Abgas gefüllt ist. Da mit der Alterung des NOX-Speicher-Katalysators die Speicherkapazität und die Speicherpuffer-Kapazität deutlich sinkt, kann es aufgrund dieses HC/CO-Nachlaufs zu einem sogenannten HC/CO-Durchbruch kommen, also eine HC/CO-Emission in die Umgebung erfolgen. Durch die Steuerung der Abmagerung in der Art einer kontinuierlichen Beendigung mittels des Abmagerungsgrads LA einerseits sowie die damit verbundene Steuerung der Abmagerungsdauer dt andererseits, kann diesem veränderlichen Speicher- bzw. Puffer-Verhalten des NOX-Speicher-Katalysators Rechnung getragen werden. Somit wird der Lambdaverlauf der Regenerationsphase an den Alterungszustand des NOX-Speicher-Katalysators angepasst. Die jeweilige Beendigung der Regenerationsphase wird mit zunehmendem Alter im allgemeinen frühzeitiger und mit erhöhtem Abmagerunsgrad LA eingeleitet, so dass ein deutlich geringerer HC/CO-Nachlauf zum Zeitpunkt der tatsächlichen Beendigung der Regenerationsphase, also zum Zeitpunkt der Einstellung von stöchiometrischem bzw. magerem Gemisch gegeben ist und ein dem Alterungszustand des NOX-Speicher-Katalysators angepasster HC/CO-Nachlauf gewährleistet ist. Ein neuwertiger NOX-Speicher-Katalysator stellt grundsätzlich in der Regenerationsphase kurzzeitig und abrupt das gespeicherte NOX, soweit vorhanden, zur Verfügung, wohingegen ein gealterter NOX-Speicher-Katalysator mit der Abnahme des gespeicherten NOX-Volumens einen deutlich geringeren NOX-Abgabegrad, also ein verschlechtertes Puffer-Verhalten, aufweist.
  • Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Abmagerungsgrad LA durch einen Lambda-Sollwert LS und einen Absteuerfaktor AB bestimmt ist, wobei der Absteuerfaktor AB aus dem Alterungsfaktor AF und einem von einem CO-Sensor- oder Lambdasonden-Signal CO abhängigen Basisabsteuerfaktor BA gebildet ist. Der Einfluss des Motorkennfelds MK, also des vorbekannten Abgasverhaltens des Motors in Verbindung mit dem Einfluss des tatsächlichen Abgaswerts, ausgedrückt durch das NOX-Sensor-Signal NS in Ergänzung mit dem Alterungsfaktor AF, gewährleistet eine optimale Ausbildung bzw. Bestimmung des erforderlichen Abmagerungsgrads LA zur Verhinderung eines CO/HC-Durchbruchs.
  • Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass der Abmagerungsgrad LA mit zunehmendem Alterungsfaktor AF steigt. Da das NOX-Speicher- bzw. Puffer-Verhalten mit dem Alter abnimmt, ist der erforderliche Abmagerungsgrad mit Rücksicht auf eine frühzeitige Einleitung der Beendigungsphase grundsätzlich zu steigern, d. h. vor der durch das Sensorsignal ausgelösten effektiven Beendigung der Regenerationsphase muss das in der Regenerationsphase zur Verfügung gestellte fette Abgas etwas stärker auf einen leicht unterstöchiometrischen Wert abgemagert werden, so dass ein HC/CO-Durchbruch verhindert wird. Der integrale Wert des Regenerationsmittels nimmt dabei entsprechend dem NOX-Speicherverhalten ab.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass der Lambda-Sollwert LS abhängig von einem Abgasmassestrom AM und einer Drehzahl DZ des Motors ist und diese Abhängigkeit in einem Motorkennfeld MK abgelegt ist. Die Motorlast bzw. die damit korrelierenden Größen Abgasmassestrom AM und Drehzahl DZ des Motors bestimmen grundsätzlich die Menge bzw. Konzentration der mengenmä ßig im Abgas vorhandenen Reduktionsmittel in der Regenerationsphase, so dass neben dem Alterungsfaktor AF und dem Sensorwert eine Berücksichtigung der Motorlast zu einer optimalen Regelung führt. Insbesondere ist es vorteilhaft, auch den die Regeneration auslösenden Schwellenwert des hinter dem NOX-Speicher-Katalysator angeordneten NOX-Sensors an den jeweiligen Abgasmassenstrom AM und die jeweilige Drehzahl DZ bzw. an die Motorlast anzupassen.
  • Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass der Alterungsfaktor AF durch das Verhältnis einer Alt-Speicherkapazität SA eines gealterten NOX-Speicher-Katalysators zu einer Neu-Speicherkapazität SN eines neuen NOX-Speicher-Katalysators gebildet ist. Die Messung bzw. Bestimmung dieses Alterungsfaktors AF kann dabei in einem vorbestimmten Kennfeldbereich des Motors erfolgen, so dass kontinuierlich in einer entsprechenden Frequenz der Alterungszustand des NOX-Speicher-Katalysators ermittelt und dieser wert AF entsprechend zur Bestimmung des Beginns und des Umfangs der Regenerationsphase zur Verfügung steht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass der Basisabsteuerfaktor BA durch ein NOX-Sensor-Signal NS während der Abmagerungsphase bestimmt ist. Hierbei soll erwähnt werden, dass übliche NOX-Sensoren bei unterstöchiometrischer, d. h. reduzierender Abgaszusammensetzung ein mit dem Lambdawert des Abgases korrelierendes Signal erzeugen, so dass in diesem Sinne als NOX-Sensor-Signal auch ein Lambdasignal verstanden werden kann. Der Basisabsteuerfaktor BA stellt dabei den dynamischsten aller Faktoren dar, da neben dem Regelungs- und Vorhalteverfahren der tatsächliche Emissionswert im Sinne des Lambdawertes kennzeichnend für das Regenerationsverhalten ist.
  • Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass der Beginn der Regenerationsphase des NOX-Speicher-Kata lysators durch einen Regenerationsschwellwert RS bestimmt ist, der aus dem Produkt eines Basisschwellwerts BS und dem Alterungsfaktor AF gebildet ist. Neben dem Umfang der Regenerationsphase wird durch die Bestimmung des Regenerationsschwellwerts RS und damit dem Startzeitpunkt der Regeneration ein optimaler Regenerationszyklus mit Rücksicht auf das Alterungsverhalten des NOX-Speicher-Katalysators gewährleistet.
  • Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass der Basisschwellwert BS abhängig von dem Abgasmassestrom AM und der Drehzahl DZ des Motors ist und diese Abhängigkeit in dem Motorkennfeld MK abgelegt ist.
    •
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipsskizze des NOX-Speichersystems zur Bestimmung des Abmagerungsgrads LA;
  • 2 eine Prinzipsskizze des NOX-Speichersystems zur Bestimmung des Regenerationsschwellwerts RS.
  • Über ein in 1 dargestelltes Motorkennfeld MK werden jeweilige Lambda-Sollwerte LS in Abhängigkeit des Betriebszustands des Motors mit Bezug auf einen jeweiligen Abgasmassestrom AM und eine jeweilige Drehzahl DZ abgelegt bzw. erfindungsgemäß abgerufen. Dieser Lambda-Sollwert LS wird mit einem Absteuerfaktor AB beaufschlagt, so dass aus den beiden Werten LS und AB der Abmagerungsgrad LA für die Definition der Regenerationsphase der Höhe nach sowie deren Abmagerungsdauer dt bestimmt wird.
  • Der Absteuerfaktor AB setzt sich dabei zusammen aus einem Alterungsfaktor AF und einem Basisabsteuerfaktor BA. Der Alterungsfaktor AF wird ermittelt über den Quotienten einer Altspeicherkapazität SA des insoweit gealterten NOX-Speicher-Katalysators zu einer ehemaligen Neu-Speicherkapazität SN des ehemals neuen NOX-Speicher-Katalysators. Der so ermittelte Quotient bildet den Alterungsfaktor AF. Zur Bestimmung der Speicherkapazität SA wird über das Motorkennfeld MK in einem vorbestimmten Betriebspunkt die Speicherkapazität des NOX-Speicher-Katalysators über das entsprechende NOX-Sensor-Signal NS ermittelt. Die Neu-Speicherkapazität SN wird vorzugsweise bei einem neuen NOX-Speicher-Katalysator vorab ermittelt und in einem Festwertspeicher gespeichert.
  • Der Basisabsteuerfaktor BA wird im Wesentlichen durch ein CO-Sensor-Signal oder Lambdasondensignal CO bestimmt, welches den CO-Gehalt des Abgases bzw. den Abgaslambdawert wiedergibt.
  • Gemäß 2 sind im Maschinenkennfeld MK verschiedene Basisschwellwerte BS für die Einleitung der Regenerationsphase hinterlegt. Der Basisschwellwert BS wird dabei mit dem Alterungsfaktor AF multipliziert, so dass dem Beginn der jeweiligen Regenerationsphase ein aus dem Produkt von BS und AF gebildeter Regenerationsschwellwert RS zugrunde liegt. Der Alterungsfaktor AF wird dabei ebenfalls über das Verhältnis von SA zu SN, gemessen in einem vorbestimmten Betriebspunkt, bestimmt.

Claims (8)

  1. NOX-Speichersystem für Kraftfahrzeuge mit einem NOX-Speicher-Katalysator und einem mit Bezug zur Abgasströmung nach dem NOX-Speicher-Katalysator angeordneten NOX-Sensor, wobei der NOX-Sensor mit einer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmenden Lambda-Sonde und einer Motorsteuerung derart verbunden ist, dass der Beginn und der Verlauf des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in einer Regenerationsphase des NOX-Speicher-Katalysators in Abhängigkeit eines den Alterungszustand des NOX-Speicher-Katalysators darstellenden Alterungsfaktors AF bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in der Regenerationsphase durch einen Abmagerungsgrad LA des Luft-/Kraftstoffverhältnisses bestimmt ist und der Wert des Abmagerungsgrads LA vom Alterungsfaktor AF abhängig ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abmagerungsgrad LA durch einen Lambda-Sollwert LS und einen Absteuerfaktor AB bestimmt ist, wobei der Absteuerfaktor AB aus dem Alterungsfaktor AF und einem von einem CO-Sensor-Signal CO abhängigen Basisabsteuerfaktor BA gebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abmagerungsgrad LA mit zunehmendem Alterungsfaktor AF steigt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Sollwert LS abhängig von einem Abgasmassestrom AM und einer Drehzahl DZ des Motors ist und diese Abhängigkeit in einem Motorkennfeld MK abgelegt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungsfaktor AF durch das Verhältnis einer Alt-Speicherkapazität SA eines gealterten NOX-Speicher-Katalysators zu einer Neu-Speicherkapazität SN eines neuen NOX-Speicher-Katalysators gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabsteuerfaktor BA durch ein NOX-Sensor-Signal NS während der Abmagerungsphase bestimmt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Regenerationsphase des NOX-Speicher-Katalysators durch einen Regenerationsschwellwert RS bestimmt ist, der aus dem Produkt eines Basisschwellwerts BS und dem Alterungsfaktor AF gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisschwellwert BS abhängig von dem Abgasmassenstrom AM und der Drehzahl DZ des Motors ist und diese Abhängigkeit in dem Motorkennfeld MK abgelegt ist.
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