DE19714715A1

DE19714715A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines NOx-Speichers

Info

Publication number: DE19714715A1
Application number: DE19714715A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brueck; Wolfgang Maus
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-15

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers in einem Abgasstrang, durch den ein NOx-haltiges Gas strömt. Die Erfindung ist insbesondere bei der Überwachung von Abgas einer Verbrennungskraftma schine einsetzbar, insbesondere Diesel- und Magermotoren.

Das zunehmende Umweltbewußtsein und die damit einhergehende immer strenger werdende Abgasgesetzgebung macht es erforderlich, daß als schäd lich eingestufte Abgaskomponenten weitestgehend reduziert werden. Der heute in Kraftfahrzeugen übliche Dreiwege-Katalysator ist in der Lage, Kohlenmon oxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide (NOx) umzusetzen. Eine Überwachung und Steuerung des Katalysators erfolgt z. B. mittels einer Sauerstoff-Sonde. Diese nimmt den Restsauerstoffgehalt im Abgas auf, woraus das Luft-Brennstoff-Verhältnis des dem Motor zuzuführenden Gemi sches eingestellt wird. Durch entsprechende Regelung des Restsauerstoff gehaltes wird sichergestellt, daß der Katalysator die Abgase in ausreichender Weise umsetzt. Weiterhin ist es ebenfalls bekannt, das Temperaturprofil am Katalysator zu ermitteln und dieses als Warn- oder Steuergröße zu ver wenden. Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens gestattet es, die bei der katalytischen Reaktion freiwerdende Wärmemenge zu ermitteln und mittels einer, dem Katalysator nachgeschalteten Lambda-Sonde über eine Entropie betrachtung auf das Abgasverhalten des Motors zurückzuschließen. Die soeben beschriebenen drei verschiedenen Möglichkeiten, einen Dreiwege-Kata lysator zu überwachen, werden in der EP 0 298 240 B1 beschrieben.

Insbesondere während der Kaltstartphase fällt bei einer Verbrennungskraftma schine ein erhöhter Schadstoffausstoß an. Um diesen zu reduzieren, werden beheizte Katalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angesetzt. Der Betrieb eines derartigen Katalysators geht zum Beispiel aus der WO 93/17228 bzw. der dazu äquivalenten EP 0 628 134 B1 hervor. Die Verwendung von Adsorbern zur Speicherung von während der Startphase anfallenden unverbrannten Kohlenwasserstoffen und deren Freigabe bei betriebsheißem Katalysator gehört ebenfalls zum Stand der Technik. Beides wird beispielsweise in der EP 0 485 179 beschrieben. Gerade für die katalytische Umsetzung von Stickstoffoxiden haben sich Zeolithe und andere Werkstoffe als geeignet erwiesen, die auch als Kohlenwasserstoff-Speicher einsetzbar sind. Geeignete Katalysatoren werden beispielsweise in der EP 0 459 396 und der EP 0 286 967 offenbart.

Die Betriebsfähigkeit eines Katalysators wird also, wie oben beschrieben, dadurch überwacht, daß seine katalytische Wirkung während des Betriebes überprüft wird. Verschiedene Verfahren dazu werden in der WO 92/03643 bzw. der dazu äquivalenten EP 0 545 976 B1, der WO 94/21902, der WO 91/14855 bzw. der dazu äquivalenten EP 0 521 052 B1, der WO 92/03642 bzw. der dazu äquivalenten EP 0 545 974 B1 und der DE 26 43 739 beschrieben. Letztere offenbart beispielsweise, wie über eine Temperaturver gleichsmessung mit Hilfe zweier Temperaturfühler die am Katalysator ablau fende Reaktion gemessen wird. Die so ermittelte Temperaturdifferenz gibt einen Hinweis darauf, ob der Katalysator noch funktionsfähig ist oder nicht.

Diese Art der Temperaturüberwachung ist nicht nur bei einem Hauptkatalysa tor, sondern auch bei einem Vorkatalysator anwendbar.

Ein Temperaturmeßfühler zur Überwachung ist beispielsweise bei aus teilwei se strukturierten B lechlagen aufgebauten Wabenkörpern zwischen diesen anbringbar. Dieses ist in der EP 0 603 221 B1 beschrieben.

Die Betriebsweise von Katalysatoren hängt von der Betriebsweise der Ver brennungskraftmaschine ab. Bei stationären Verbrennungskraftmaschinen ist in Deutschland die TA-Luft die einzuhaltende Verordnung. Da die Stick oxidbegrenzung von der Brennstoffwärmeleistung der Verbrennungskraftanlage und von der Motorenart abhängt, führte der Gesetzgeber eine sogenannte Dynamisierungsklausel für Selbstzündungsmotoren ein: Entsprechend dem Stand der Technik sind motorische und andere Maßnahmen zur Verminde rung von Emissionen auszuschöpfen. Hintergrund der Dynamisierungsklausel war der 1985 nicht hinreichende Reifegrad von Entstickungsanlagen. Für stationär betriebene Verbrennungskraftanlagen wird zur Entstickung Harnstoff verwendet.

Bei Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge scheitert die Verwendung von Harnstoff u. a. an dem dafür mitzuführenden Tank und dessen Gewicht. Ausgehend von den drei hinsichtlich ihrer Bildung unterscheidbaren Stick stoffoxiden, nämlich Brennstoff-, promptes und thermisches Stickstoffoxid, werden andere Wege gesucht, die Stickoxidbildung insbesondere des thermi schen Stickoxides niedrig zu halten. Bei Nutzfahrzeugen ist es bekannt geworden, eine Abgasrückführung mit rückgekühlten Abgasen durchzuführen. Auch ist es bekannt, daß durch Wassereinspritzung die NOx-Emissionen reduziert werden können. Jedoch besteht bezüglich dieser Möglichkeit das Problem der Frostsicherheit und Mitführung des Betriebsmittels Wasser. Ein anderer Weg, die Stickoxid-Emissionen zu verringern, besteht darin, diese zwischenzuspeichern. Dieses ist beispielsweise möglich mittels eines Spei chers, der Barium oder Platin enthält.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein NOx-Speicher zumindest auf seine Funktionsfähigkeit überprüft werden kann. Weiterhin wird eine Anordnung geschaffen, die eine derartige Überprüfung des NOx-Speichers zuläßt sowie eine Vorrichtung, die besonders raumsparend in einem Abgasstrang einsetzbar ist.

Die vorliegende Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, bezüglich einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 17 und bezüglich einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers in einem Abgasstrang, durch den NOx-haltiges Gas strömt, sieht eine Durchführung einer Temperaturmessung im Abgasstrang vor, aus der auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicher kapazität des NOx-Speichers geschlossen wird. Als Abgasstrang sind all diejenigen Leitungen zu verstehen, die das von einer NOx erzeugenden Quelle, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, stammende Abgas wegführen. Die Betriebsfähigkeit sagt aus, ob der NOx-Speicher überhaupt noch in der Lage ist, Stickoxide zu speichern. Mittels der Überwachung der Betriebsfähigkeit ist durch Vorgabe von einem Grenzwert oder einer Band breite bzgl. der gemessenen Temperatur auf eine, den Abgasvorschriften entsprechende Betriebsfähigkeit des NOx-Speichers abzielende Überprüfung möglich. Der Betriebszustand gibt eine zumindest für den Zeitpunkt der Temperaturmessung geltende Aussage bezüglich einer Wertung des Verhaltens des Speichers in bezug auf beispielsweise vorgegebene Abgasgrenzwerte, Temperaturen, Alterungszustand o. ä. und ist eine qualitative Aussage. Die Speicherkapazität des NOx-Speichers dagegen ist eine quantitative Aussage, die absolut ist oder auf einen Normzustand bezogen wird.

Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht die Durchführung der Temperatur messung zu einem definierten Zeitpunkt vor, was vorteilhafterweise durch eine Steuerung oder sogar Regelung für den NOx-Speicher oder in Ver bindung mit weiteren, zusätzlich im Abgasstrang angeordneten Vorrichtungs steuerungen durchführbar ist. Der definierte Zeitpunkt ist in einer Ausfüh rung des Verfahrens entsprechend der Betriebsweise des NOx-Speichers einstellbar. Ist der Speicher einer Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltet und wird diese in etwa unter konstanter Last gefahren, wird der Zeitpunkt der Temperaturmessung so eingestellt, daß bei einer bekannten möglichen Speichermenge von NOx des Speichers dieser Grenzwert mit Sicherheit nicht überschritten wird. Bei der Berücksichtigung eines derartigen Grenzwertes können neben Parametern wie Aufbau, Material und Betriebsweise des NOx-Speichers auch zeitbedingte Faktoren wie Alterung eingehen. Die Überwa chung erfolgt in einer Ausführung des Verfahrens durch eine kontinuierliche Temperaturmessung, in einer anderen Ausführung durch voneinander be abstandete, einzelne Temperaturmessungen. Weiterhin sind zwei oder mehr aufeinanderfolgende Temperaturmessungen miteinander verknüpfbar. Bei aufeinanderfolgenden Temperaturmessungen wird in einer Weiterentwicklung des Verfahrens der Abstand zwischen diesen verkürzt, wenn der NOx-Spei cher eine signifikante Reduzierung seiner Fähigkeiten aufweist. Dadurch ist sichergestellt, daß sein nicht mehr tolerierbarer Speicherbetrieb frühzeitig registriert wird und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.

Die Temperaturmessung im Abgasstrang erfolgt entweder als direkte Tempe raturmessung von zumindest einem Teil des NOx-Speichers oder als eine mittelbare Temperaturmessung mittels des den NOx-Speicher durchströmenden Gasstromes. Die direkte Temperaturmessung erfolgt im Material des Spei chers selbst. Ein Temperatursensor ist dazu beispielsweise auf der Ober fläche, in einer Oberschicht oder direkt im Material des NOx-Speichers angeordnet. Die Art des Stromsensors genauso wie der Ort seiner Anbrin gung hängt davon ab, wie der NOx-Speicher aufgebaut ist. Der NOx-Spei cher kann aus Keramik, gesintert oder extrudiert, aber genauso aus Blechen, die beispielsweise zumindest teilweise strukturiert geschichtet sind, aufgebaut sein. Auch die Sinterung bzw. Extrudierung von Metall mit Keramikpulver erweist sich als vorteilhaft, um die verschiedenen Eigenschaften der Materia lien miteinander verknüpfen zu können. Der NOx-Speicher ist als Wabenkör per monolithisch ausgestaltbar. Andere Formgebungen sind ebenfalls möglich. Das NOx-speichernde Material ist in einer vorteilhaften Ausführung im Wandmaterial verteilt, insbesondere so, daß die Speicherkapazität vollständig ausgenutzt werden kann. Eine andere günstige Ausgestaltung sieht eine Beschichtung beispielsweise eines aus Blechen aufgebauten NOx-Speichers vor. Weist das Material des NOx-Speichers eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, ist der Temperatursensor nahe zu einer durch das von NOx-haltigem Gas überströmten Oberfläche anzubringen. Bei Speichern mit guter Wärme leitfähigkeit, beispielsweise metallenen Speichern, ist ein Temperatursensor einsetzbar, wie er aus der im Stand der Technik schon genannten EP 0 603 222 B1 offenbart ist und deren Merkmale zum Inhalt dieser Beschreibung gehören. Dazu muß sichergestellt sein, daß es durch die Beschichtung eines derartigen Körpers nicht zu Verfälschungen der Temperaturmessung kommt.

Die mittelbare Temperaturmessung mittels des durch den NOx-Speicher durchströmenden Gasstromes wird in einer weiteren Ausführung des Ver fahrens durch ein in der Gasströmung sitzenden Temperatursensor durch geführt. Dazu sind alle im Stand der Technik bekannten und geeigneten Temperatursensoren wie Thermo-Elemente oder ähnliches verwendbar. Der Temperatursensor wird innerhalb des Speichers in einem der Kanäle angeord net. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sitzt der Temperatursensor in der Gasströmung hinter dem NOx-Speicher, insbesondere vor einem eventuell nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator. An dieser Anord nung läßt sich nun auch am einfachsten der Begriff der mittelbaren Tempe raturmessung erklären. Es wird dabei nämlich vom Gasstrom auf den NOx-Speicher zurückgeschlossen.

Die Temperaturmessung erfolgt vor, während und/oder nach einer Regenera tionsphase des NOx-Speichers. Bei diesen definierten Zeitpunkten haben sich die folgenden Kombinationen als besonders vorteilhaft erwiesen:

- Eine Temperaturmessung während, vor oder nach der Regenerations phase: Über eine Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder auch über einen Zeitraum ist eine Aussage zum NOx-Speicher möglich,
- eine Temperaturmessung unmittelbar vor der Regenerationsphase und während dieser: Aus der Temperaturdifferenz kann auf den NOx-Spei cher zurückgeschlossen werden,
- während und nach der Regenerationsphase: Auch dieses läßt beispiels weise aus einer Temperaturdifferenz einen Schluß auf den Speicher und insbesondere auch auf die Qualität der Regeneration zu,
- unmittelbar vor und unmittelbar nach der Regenerationsphase: Die Temperaturdifferenz beider Messungen ergibt ebenfalls eine Aussage bezüglich der Qualität der Regeneration, wobei daraus wieder auf den NOx-Speicher zurückgeschlossen werden kann; für eine Aussage in die Zukunft hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest zwei Tempera turmessungen nach der Regenerationsphase miteinander zu verknüpfen. Die dabei auftretende Temperaturverschiebung in Beziehung zum zeitli chen Abstand der beiden Messungen läßt eine zeitliche Aussage be züglich des Verhaltens des NOx-Speichers zu,
- Kombinationen von obigen Temperaturmessungen: Diese ergeben eine besonders genaue Aussagekraft bezüglich des Verhaltens des NOx-Spei chers.

Die Temperatur wird so gemessen, daß sie direkt einen Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Speichers zuläßt. Darunter ist zu verstehen, daß bei einem derartigen Vorgehen ohne weitere Umrechnungsschritte von der gemessenen Temperatur ausgehend auf den Speicher zurückgeschlossen wird.

Für eine besonders signifikante Aussage der Temperaturmessung ist es vorteilhaft, wenn die Regenerationsphase innerhalb von Sekunden, insbesonde re innerhalb einer Sekunde oder weniger abgeschlossen wird. Die Regenera tion, welche eine exotherme Reaktion verursacht, ist durch einen Tempera turanstieg feststellbar. Diese Änderung der Temperatur und ihre Art der Änderung ist zum einen am Speichermaterial selbst, zum anderen an dem durch den Speicher strömenden Gas feststellbar. Je kürzer die Regenerations phase zur Freisetzung der gespeicherten Stickoxide ist, umso deutlicher fällt der Temperaturanstieg aus. Angestrebt wird daher eine besonders schlagartig über den gesamten Querschnitt des NOx-Speichers entstehender Temperatur anstieg. Dieser ist dann innerhalb oder auch stromabwärts vom Speicher auf nehmbar. Dieser Temperaturanstieg kann weiterhin dadurch verstärkt werden, daß im NOx-Speicher ebenfalls eine Oxidation ausgelöst wird. Diese kann ausgelöst werden aufgrund der exothermen Reaktion oder durch andere Mittel, beispielsweise durch eine katalytische Beschichtung bzw. entsprechen de Zugabe eines Gases in den NOx-haltigen Gasstrom, der den Speicher durchströmt.

Die Regenerationsphase selbst wird in einer Ausführung des Verfahrens durch Hinzufügen eines die Regeneration auslösenden Mittels in den NOx-haltigen Gasstrom verursacht, wobei das Mittel in der Lage ist, die gespei cherten Stickoxide zu lösen. Insbesondere ist das Mittel in der Lage, mit den Stickoxiden selbst an einer Reaktion teilzunehmen. In einer Weiterbil dung dieses Verfahrens erfolgt die Zugabe des die Regeneration aus lösenden Mittels in der das NOx erzeugenden Quelle selbst. Insbesondere bei diesem Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die im Speicher stattfindenden Reaktionen katalytisch durchgeführt werden. Dazu weist der NOx-Speicher beispielsweise neben dem Speichermaterial auch eine katalytische Beschichtung auf.

Für die Temperaturmessung genauso wie für ihre Auswertung ist es wichtig, daß sie selbst und/oder die Regeneration gesteuert erfolgt. Bei einer Regene rationsphase, die innerhalb von Zehntelsekunden abläuft, treten ansonsten zeitliche Ungenauigkeiten auf, die das oder die Meßergebnisse so verfälschen würden, daß eine Aussage bezüglich des Verhaltens des NOx-Speichers aus der Temperatur nicht möglich ist. Bei Verwendung einer gemeinsamen Elektronik für die Steuerung der Regeneration und der Temperaturmessung ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Auswahl für einen definierten Zeit punkt der Messung bzw. der Regeneration im Zusammenhang getroffen werden kann, beispielsweise abhängig von übergeordneten Gesichtspunkten wie der Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine.

Für eine Aussage über die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder die Speicherkapazität des NOx-Speichers ist es auch vorteilhaft, die Tempe raturmessung so durchzuführen, daß dadurch die Beobachtung des zeitlichen Verhaltens der Temperatur möglich ist. Bei Katalysatoren werden verschie denste Temperaturmeßtechniken und Auswertemethoden verwandt, um die Aktivität des Katalysators und sein Verhalten beispielsweise für die Zukunft feststellen zu können. Insbesondere für ein Verfahren, bei dem die Tempera tur im Zusammenhang mit einer Regenerationsphase des NOx-Speichers gemessen wird, sind derartige Meßverfahren ebenfalls anwendbar. Hierbei wird jedoch im Unterschied zu einem Katalysator bei einem NOx-Speicher von einer Phase, in der der NOx-Speicher nicht im Speicherbetrieb arbeitet, auf seine Fähigkeit zur Speicherung geschlossen. Aus den schon im Stand der Technik genannten Schriften sind verschiedene Temperaturauswertever fahren, Meßstellen und Meßfühler bekannt, die auch hier mit entsprechender Anpassung an den NOx-Speicher anwendbar sind. Dabei handelt es sich bei den Schriften insbesondere um die WO 94/21902, die EP 0 521 052 B1, die EP 0 545 974 B1, die EP 0 603 222 B1, die EP 0 545 976 und die DE 26 43 739, deren entsprechenden Merkmale zum Inhalt dieser Beschrei bung gehören.

Bei einem weiteren Verfahren entsprechend der Erfindung wird zum Rück schluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder die Speicher kapazität des NOx-Speichers ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Temperatur, einer Charakteristik des NOx-Speichers und/oder eines Gasbe standteiles des NOx-haltigen Gases genutzt. Dazu können Erfahrungswerte über das Langzeitverhalten des NOx-Speichers ebenso wie Zusammenhänge, die sich aus der Verarbeitung verschiedener Materialien für den NOx-Spei cher ergeben, genutzt werden. Bezüglich eines oder mehrerer Gasbestand teiles sind deren Entropien oder Enthalpien geeignet, den NOx-Speicher zu überwachen. Dieses ist beispielsweise durch Abwandlung des aus der EP 0 298 240 B1 bekannten Verfahrens zum Überwachen des Schadstoffgehaltes von Abgasen bei Brennkraftmaschinen möglich, was ebenfalls mit seinen entsprechenden Merkmalen zum Inhalt dieser Beschreibung gehört.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Überwachung des NOx-Speichers sieht die folgenden Schritte vor: Daß

- das im NOx-Speicher gespeicherte NOx in Abhängigkeit vom NOx-haltigen Gasstrom berechnet wird,
- bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes für das NOx eine Regenerierung ausgelöst wird,
- wobei aus der dabei gemessenen Temperatur durch Vergleich mit einem vorgebbaren Temperaturwert und/oder einer vorgebbaren Temperatur brandbreite der Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Speichers erfolgt.

In einer Steuerung oder auch Regelung, die beispielsweise über eine die NOx-Quelle steuernde Elektronik erfolgt, wird in einer Ausbildung des Verfahrens festgestellt, wie groß der Volumenstrom und der NOx-Anteil im Gasstrom ist, der durch den Speicher strömt. Der Volumenstrom ist über bekannte Meßmethoden feststellbar, der NOx-Anteil beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine aus der Berechnung des Luft-Kraftstoffgemisches, welches dieser zugeführt wird. Zur Berechnung sind aber auch andere Daten der Verbrennungsmaschine nutzbar, wie deren Betriebs- und/oder Zustands daten. Diese sind auch in zumindest einem Kennfeld aufnehmbar und so abspeicherbar, daß sie ein Motormanagement nutzen kann. Vergleichbares ist auch mit geeigneten Daten bei anderen Anwendungsgebieten der Erfindung anwendbar. Um zu vermeiden, daß Stickoxide ungespeichert den Speicher durchströmen, ist der Grenzwert so festgelegt, daß dieses ausschließbar ist. Dieser Grenzwert muß nicht konstant festgelegt sein. Vielmehr ist er bei spielsweise aufgrund von Alterung des NOx-Speichers über einen langen Betriebszeitraum auch an die Funktionsfähigkeit desselben anpaßbar.

Der vorgebbare Temperaturwert und/oder die vorgebbare Temperaturband breite sind aus Erfahrungswerten für den jeweils verwendeten NOx-Speicher herauskristallisierbar und in einer geeigneten Elektronik abspeicherbar. Diese Erfahrungswerte können auch in Form eines funktionalen Zusammenhanges vorgegeben werden, wobei verschiedenste Parameter wie Alterung, Tempera tur, Betriebsweise und anderes einfließen können.

Bei einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird ab einer definierten gemes senen Temperatur ein Signal ausgelöst, wobei das Signal von einer Wertung der Betriebsfähigkeit, des Betriebszustandes und/oder der Speicherkapazität des NOx-Speichers abhängt. In Verbindung mit zur Verfügung stehenden Daten über einen Speicher und vorgebbaren Bewertungskriterien ist die Aus wertung bezüglich der gemessenen Temperatur so gestaltbar, daß dem Nutzer jedwede Information wie die noch verfügbare Speicherkapazität, die wahr scheinliche Lebensdauer oder ähnliches zur Verfügung steht. Das ab einer definierten, d. h. vorgebbaren Temperatur ausgelöste Signal ist insbesondere auch ein Warnsignal, das eine Betriebsstörung rechtzeitig anzeigt. Weiterhin ist das so ausgelöste Signal so nutzbar, daß dadurch eine Änderung des Ab gasstromes bewirkt wird. Befindet sich beispielsweise der NOx-Speicher in einem Zustand, der nur noch eine äußerst geringe Speicherkapazität aufweist oder es liegt ein Schaden am Speicher vor, wird vorzugsweise die Betriebs weise der NOx-Quelle geändert. Beispielsweise ist diese dann in ein Notpro gramm schaltbar.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein Diesel- oder Magermotor, die vorzugsweise unter Lastwechseln arbeitet. Ein derartiges Verfahren ist vor allem bei Kraftfahrzeugen einsetzbar. Eine Weiterentwick lung sieht vor, daß in einen NOx-Speicherkatalysator als NOx-Speicher zur Regenerierung ein HC-angereicherter und sauerstoffreicher Gasstrom eingelei tet wird, wobei der Gasstrom vorzugsweise soweit mit HC angereichert wird, daß das gesamte gespeicherte und umwandelbare NOx umgesetzt wird. Dies erfolgt im allgemeinen zunächst durch Bildung von H₂O und CO aus dem HC und dem Sauerstoff, wobei das CO dann mit dem NOx zu CO₂ und N₂ reagiert. Der Speicherkatalysator weist vorzugsweise eine Beschich tung aus einer Mischung aus Oxidations- und Speichermaterialien sowie ein katalytisch aktives Material auf. Er kann aber selbst auch vollständig aus einer Mischung dieser Materialien aufgebaut sein. Je nach dem, wie groß die Anreicherung mit Kohlenwasserstoffen im Gasstrom ist, fällt der Tempe raturanstieg in der Regenerationsphase des NOx-Speichers aus. Über die Reaktion des Stickoxides mit Kohlenwasserstoff zu Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid wird der Speicher möglichst vollständig freigesetzt. Als beson ders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Reaktion innerhalb von etwa einer Sekunde oder weniger ablaufen zu lassen.

In einem Beispiel für einen Magermotor entspricht ein Liter Speichervolumen etwa 2 g gespeichertes Stickstoffoxid. Dieses entspricht etwa einer Fahr strecke zwischen einem und zwei Meilen, je nach Betriebsweise eines Fahrzeuges. Dann muß der NOx-Speicher wieder regeneriert werden. Wäh rend der NOx-Speicherkatalysator etwa eine Wärmekapazität von 600 J/l/K aufweist, wird eine exotherme Energie von etwa 14 bis 20 kJ je 2 g NOx frei. Bei einer 100%-Umwandlung der gespeicherten Stickoxide ist ein Temperaturanstieg von 23 K aufgrund der CO-Reaktion sowie ein Tempera turanstieg aufgrund der HC-Reaktion von 48 K feststellbar gewesen.

Die Kohlenwasserstoffanreicherung erfolgt vorteilhafterweise so, daß das vollständig gespeicherte Stickoxid umgesetzt wird. Unter der Voraussetzung eines ausreichenden HC-Gehaltes im Abgas ist die Temperaturerhöhung proportional der gespeicherten Stickoxid-Menge. Die HC-Zugabe ist weiterhin so steuerbar, daß durch Zugabe in geringeren Dosierungen der Speicher nach und nach regeneriert wird. Bei Verwendung entsprechender Meßsenso ren ist wiederum eine Aussage über die Fähigkeit von Abschnitten des Speichers möglich. Ist der zugegebene Kohlenwasserstoff zur Regeneration größer als notwendig, werden die Stickoxide vollständig umgesetzt, vor ausgesetzt, daß sie auch vollständig aus dem Speicher lösbar sind. Die nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffe werden vorteilhafterweise in einem nachfol genden Dreiwege-Katalysator umgesetzt. Durch Verwendung eines elektroni schen Motormanagements für die Temperaturmessung, die Regenerierung und den Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität besteht jederzeit Zugriff auf die das Stickoxid ver ursachende Quelle, den Verbrennungsmotor. Zur Regenerierung kann bei spielsweise ein Zündaussetzer verursacht werden, wodurch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum NOx-Speicher gelangen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Verbrennungskraftmaschine mit einem nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator und Dreiwege-Katalysator,

Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf einer Regenerationsphase eines NOx-Speichers und

Fig. 3 verschiedene Verhaltensweisen unterschiedlicher NOx-Speicher über die Zeit.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Spei chers 2. Die Anordnung 1 weist mindestens neben dem regenerierbaren NOx-Speicher 2 Mittel zur Regenerierung des NOx-Speichers 2, in diesem Falle die vorgeschaltete Brennkraftmaschine 3, einen Temperatursensor 4 im NOx-Speicher oder im Abgasstrom 5 zur Überwachung des Speichers 2 und ein elektronisches Bauteil 6, das eine Verbindung 7 zu dem Temperatursen sor 4 hat. Das elektronische Bauteil 6 ist vorzugsweise eine Motorsteuerung. Diese Motorsteuerung ist programmierbar, wobei Eingaben über eine Ein gabeeinheit 8 erfolgen. Dem NOx-Speicher 2 ist ein Dreiwege-Katalysator 9 nachgeschaltet. Soll der NOx-Speicher 2 regeneriert werden, da das elek tronische Bauteil 6 aus dem der Verbrennungskraftmaschine 3 zuströmenden Brennstoff- 10 und Luftstrom 11 im Zusammenhang mit der Betriebsweise einen Grenzwert für die Stickoxidspeicherfähigkeit des NOx-Speichers berech net hat, wird die Verbrennungskraftmaschine 3 so angesteuert, daß diese einen Zündaufsetzer aufweist und dadurch der Abgasstrom 5 mit unverbrann ten Kohlenwasserstoffen angereichert wird. Andere Maßnahmen, wie eine entsprechende Brennstoffeinspritzung in den Abgasstrom 5, sind ebenfalls durchführbar. Ist der zugesetzte und unverbrannte Kohlenwasserstoff-Anteil höher als für die Regenerierung benötigt, wird der Überschuß im Katalysator 9 umgesetzt. Weiterhin weist die Anordnung 1 eine erste Lambda-Sonde 12.1 vor dem NOx-Speicher 2, eine zweite Lambda-Sonde 12.2 zwischen dem Speicher 2 und dem Katalysator 9 und eine dritte Lambda-Sonde 12.3 hinter dem Katalysator 9 auf. Sie dienen zur Überprüfung des Kohlenwasser stoffgehaltes des Abgasstromes 5 und können gleichzeitig zur Steuerung bzw. Regelung der Verbrennungskraftmaschine 3 genutzt werden. Anstelle der Lambda-Sonden 12.1, 12.2 und 12.3 sind aber auch Temperatursensoren anbringbar. Der Dreiwege-Katalysator 9 selbst weist ebenfalls einen Tempe ratursensor 4 zur Überwachung auf. Die gestrichelte Verbindungslinie von diesem Temperatursensor 4 zum elektronischen Bauteil 6 zeigt die Optionali tät dieser Überwachung an. Der NOx-Speicher 2 weist in einer anderen Anordnung zwei oder mehr Temperatursensoren 4 auf, was gestrichelt angedeutet ist. Entsprechend der dargestellten Anordnung 1 ist somit eine Vorrichtung ausbildbar zur Überwachung des regenerierbaren NOx-Speichers 2 in dem Abgasstrang 13, durch den das NOx-haltige Gas 5 strömt, wobei der Speicher 2 ein Katalysator ist. Der Katalysator weist eine Oxidations fähigkeit auf, die zumindest Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff betrifft. Für die Temperaturmessung hat es sich bei einer derartigen Vorrichtung als vorteilhaft erwiesen, wenn der Temperatursensor etwa hinter einem Viertel der Länge des Katalysators, von einer Anströmseite betrachtet, in diesem an geordnet ist. Vorzugsweise ist dieser etwa auf der Hälfte der Länge des Katalysators angeordnet.

Fig. 2 zeigt ein mögliches Verhalten der Temperatur in einem NOx-Spei cherkatalysator über die Zeit. Bei Erreichen einer Stickoxid-Grenze wird zum Zeitpunkt r1 der Abgasstrom mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen bis zum Zeitpunkt r2 angereichert. Daraufhin findet im NOx-Speicherkatalysator eine exotherme Reaktion statt, die sich als Temperaturanstieg auswirkt. Dieser ist meßbar und auswertbar, was durch die Steigung Δϑ/Δτ und die Integrierung angedeutet ist.

Fig. 3 zeigt verschiedene Verläufe der Speicherung von Stickoxiden in einem NOx-Speicher. Der Verlauf a1 erfolgt entsprechend einer monoton wachsenden Hyperbelfunktion, a2 entsprechend einer monoton fallenden Hyperbelfunktion, der Verlauf b linear und der Verlauf c entsprechend einer Wurzelfunktion. Neben diesen Verläufen sind auch sinusförmige Funktionen oder andere möglich. Da die Speicherung von Stickoxiden eine endotherme Reaktion auslöst, bedeutet dieses ein Absinken der Temperatur des Spei chers. Ist nun für einen Speicher der Verlauf der Speicherung bekannt, kann daraus mit der Temperatur eine Basis als Vergleichswert für eine Tempera turmessung geschaffen werden. Diese Basis läßt dann im Zusammenhang mit der Messung einer Temperatur unmittelbar vor, während oder unmittelbar nach der Regeneration eine Aussage über den NOx-Speicher zu. Zur Erlan gung dieser Basis ist es beispielsweise möglich, über den elektrischen Widerstand des Speichers oder aufgrund von Erfahrungswerten eine Basistem peratur zu gewinnen.

Der vorliegenden Erfindung gelingt es, eine sichere Überwachung des Stickoxidausstoßes von NOx-Quellen durch Verwendung und Überprüfung eines Speichers zu schaffen und dadurch zukünftige Abgasgrenzwerte bei spielsweise bei Diesel- oder Magermotoren für Kraftfahrzeuge einhalten zu können.

Bezugszeichenliste

1

Anordnung

2

NOx-Speicher

3

Verbrennungskraftmaschine

4

Temperatursensor

5

Abgasstrom

6

elektronisches Bauteil

7

Verbindung

8

Eingabeeinheit

9

Dreiwege-Katalysator

10

Brennstoffstrom

11

Luftstrom

12.1

,

12.2

,

12.3

Lambda-Sonde

13

Abgasstrang

Claims

1. Verfahren zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers (2) in einem Abgasstrang (13), durch den ein NOx-haltiges Gas (5) strömt, bei dem im Abgasstrang (13) eine Temperaturmessung durchgeführt wird, aus der auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Speichers (2) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempera turmessung zu einem definierten Zeitpunkt durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine direkte Temperaturmessung zumindest eines Teiles des NOx-Spei chers (2) oder
- eine mittelbare Temperaturmessung mittels des durch den NOx-Speicher (2) durchströmenden Gasstromes
- vor, während und/oder nach einer Regenerationsphase des NOx-Spei chers (2) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperatur so gemessen wird, daß sie direkt einen Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Speichers (2) zuläßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder die Speicherkapazität des NOx-Speichers (2) ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Temperatur, einer Charakteristik des NOx-Speichers (2) und/oder eines Gasbestandteiles des NOx-haltigen Gases (5) genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Regenerations phase innerhalb von Sekunden, insbesondere innerhalb einer Sekunde oder weniger abgeschlossen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das zeitliche Verhalten der Temperatur beobachtet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationsphase durch Hinzufügen eines die Regeneration auslösenden Mittels in den NOx-haltigen Gasstrom erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Reaktion im NOx-Speicher (2) katalytisch durch geführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ver fahren für eine Verbrennungskraftmaschine (3), insbesonders einen Diesel- oder Magermotor zur Überwachung eines dem Verbrennungs motor nachgeschalteten NOx-Speichers (2) angewendet wird.

11. Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einen NOx-Speicherkatalysator als NOx-Speicher (2) zur Regenerierung ein mit Kohlenwasserstoffen angereicher ter Gasstrom eingeleitet wird, wobei der Gasstrom vorzugsweise soweit mit Kohlenwasserstoffen angereichert wird, daß das gesamte gespeicherte und umwandelbare NOx umgesetzt wird.

12. Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bildung von H₂O und CO aus Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff, wobei das CO mit dem NOx weiter zu N₂ und CO₂ reagiert, der NOx-Speicher regeneriert wird.

13. Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprü che 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung, die Regenerierung und der Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Be triebszustand und/oder auf die Speicherkapazität über ein elektronisches Motormanagement erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß

- das im NOx-Speicher (2) gespeicherte NOx in Abhängigkeit vom NOx-haltigen Gasstrom (5) berechnet wird, insbesonders bei der Verbrennungskraftmaschine aus dessen Betriebsdaten und/oder des sen Betriebszustand,
- bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes für das NOx eine Regenerierung ausgelöst wird,
- wobei aus der dabei gemessenen Temperatur durch Vergleich mit einem vorgebbaren Temperaturwert und/oder einer vorgebbaren Temperaturbandbreite der Rückschluß auf die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Spei chers (2) erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ab einer definierten, gemessenen Temperatur ein Signal ausgelöst wird, wobei das Signal von einer Wertung der Betriebsfähig keit, des Betriebszustandes und/oder der Speicherkapazität des NOx-Spei chers (2) abhängt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ab einer definierten gemessenen Temperatur ein Signal ausgelöst wird, welches eine Änderung des NOx-haltigen Gasstromes (5) bewirkt.

17. Anordnung zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers (2), die wenigstens

- einen regenerierbaren NOx-Speicher (2),
- Mittel zur Regenerierung des NOx-Speichers (2),
- einen Temperatursensor (4) zur NOx-Speicher-Überwachung im NOx-Speicher (2) oder im Abgasstrom (5) und
- ein elektronisches Bauteil (6), das eine Verbindung zu dem Tempe ratursensor (4) hat, aufweist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, die weiterhin zumindest

- einen Dreiwege-Katalysator (9), der in einer Durchströmungsrich tung durch den NOx-Speicher (2) gesehen, hinter diesem liegt,
- eine Lambda-Sonde (12.1) zur Überprüfung des Kohlenwasser stoff-C-Gehaltes vor dem NOx-Speicher (2),
- eine Lambda-Sonde (12.2) zur Überprüfung des Kohlenwasser stoff-C-Gehaltes nach dem NOx-Speicher (2),
- eine NOx-Quelle (3), insbesonders eine Verbrennungskraftmaschine, in Strömungsrichtung vor dem NOx-Speicher (2) und/oder
- ein Management zur Steuerung und/oder Regelung zumindest eines der in Anspruch 17 genannten Bauteile aufweist.

19. Vorrichtung für eine Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers (2) in einem Abgasstrang (13), durch den ein NOx-haltiges Gas (5) strömt, wobei der regenerierbare NOx-Speicher (2) ein Katalysator ist, der eine Oxidationsfähigkeit besitzt sowie eine Speicherfähigkeit für NOx aufweist, mit einem Temperatursensor (4), zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 17.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxida tionsfähigkeit zumindest die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlen wasserstoffe betrifft.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Temperatursensor (4) hinter etwa einem Viertel einer Länge des Katalysators, von einer Anströmseite aus betrachtet, im Katalysator angeordnet ist, vorzugsweise etwa auf der Hälfte der Länge des Katalysators.