DE19741079A1 - Verfahren zur Regeneration einer Stickoxidfalle im Abgassystem eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Regeneration einer Stickoxidfalle im Abgassystem eines Verbrennungsmotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Stickoxidfalle im Abgassystem eines Verbrennungsmotors mit einer elektronischen Motorsteuerung, durch die abhängig von einer Vielzahl von Motorbetriebsparametern bestimmt wird, ob dem Verbrennungsmotor ein mageres oder ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt wird und durch die unter vorgegebenen ersten Auslösebedingungen ein Grundregenerationszyklus der Stickoxidfalle ausgelöst wird.
Der Einsatz einer derartigen Stickoxidfalle (NOx-Trap) im Verbund mit einem konventionellen Dreiwegekatalysator erfolgt bevorzugt bei Kraftfahrzeugen, deren Verbrennungsmotor für einen Magerbetrieb ausgelegt ist (lean burn engine), um die insbesondere im Magerbetrieb auftretenden Stickoxidemissionen zu verringern. Die Stickoxidmoleküle werden an der Beschich­ tung der Falle angelagert und damit aus dem Abgas entfernt. Um einen dauerhaften Betrieb der Stickoxidfalle zu er­ möglichen, ist bei Erreichen eines bestimmten Sättigungsgra­ des ein Regenerationszyklus erforderlich. Hierzu wird der Mo­ tor üblicherweise für kurze Zeit mit einem fetten Luft-/­ Kraftstoffgemisch (z. B. lambda = 0,75) betrieben. Die ange­ lagerten Stickoxide werden unter diesen Bedingungen unter Einwirkung eines Katalysators zu Stickstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei der Sauerstoff mit überschüssigem Wasser­ stoff oder CO zu Wasser bzw. CO2 verbrannt wird.
Ein Problem bei bekannten Stickoxidfallen besteht darin, daß es bei Vorliegen bestimmter Betriebsbedingungen vorkommen kann, daß bereits gebundene Stickoxide unkonvertiert aus der Stickoxidfalle wieder freigesetzt werden. Dies tritt ins­ besondere dann auf, wenn von einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors in höheren Drehzahl-/Drehmomentbereichen in einen stöchiometrischen Betrieb übergegangen wird. Falls die Stickoxidfalle zum Zeitpunkt dieses Übergangs bereits eine größere Menge Stickoxide gespeichert hat, kann es zu einer Freisetzung unkonvertierter Stickoxide kommen. Eine derartige unkontrollierte Freisetzung von Stickoxiden kann dazu führen, daß strenge Abgastests trotz befriedigender Abgaswerte im stationären Betrieb nicht bestanden werden.
Um derartige Emissionsspitzen zu vermeiden, wurde bei bekann­ ten Lösungen das Drehzahl-/Drehmomentfenster, in dem der Ver­ brennungsmotor mager betrieben wird, derart verkleinert, daß die Übergänge mager-stöchiometrisch bei so niedrigen Drehmomenten bzw. Drehzahlen auftreten, daß der vorstehend geschilderte Effekt nicht auftritt. Andererseits ist es jedoch wünschenswert, den Motor in einem möglichst großen Drehzahl-/Drehmomentbereich mager zu betreiben, um eine möglichst große Kraftstoffeinsparung zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Emissionsspitzen beim Übergang mager-stöchiometrisch vermieden werden, wobei gewährleistet werden soll, daß der Motor in einem möglichst großen Drehzahl-/Drehmomentbereich mager betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Übergang vom mageren in den stöchiometrischem Betriebs­ modus und bei einem Vorliegen von vorgegebenen zweiten Auslö­ sebedingungen ein Zusatzregenerationszyklus der Stickoxid­ falle ausgelöst wird. Durch diesen Zusatzregenerationszyklus wird die Stickoxidfalle vor dem Übergang in den stöchiometri­ schen Modus regeneriert, so daß eine unkontrollierte Freiset­ zung gespeicherter Stickoxide nicht mehr möglich ist.
Die Regenerationszyklen sind in vorzugsweiser Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor ein fet­ tes Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die aktuelle Stickoxidaufnahmerate der Stickoxidfalle sowie ein der durch die Stickoxidfalle aufgenommenen Stickoxidmenge entsprechender Stickoxidmengen­ wert durch zeitliche Integration der ermittelten Aufnahmerate näherungsweise durch die Motorsteuerung bestimmt wird, daß der Grundregenerationszyklus unter der (ersten) Bedingung ausgelöst wird, daß der Stickoxidmengenwert einen ersten vor­ gegebenen Schwellwert überschreitet und der Zusatzre­ generationszyklus unter der (zweiten) Bedingung ausgelöst wird, daß der Stickoxidmengenwert einen zweiten vorgegebenen Schwellwert, der niedriger als der erste vorgegebene Schwell­ wert ist, überschreitet, wobei nach Ausführung eines Grund- bzw. Zusatzregenerationszyklus der Stickoxidmengenwert je­ weils zurückgesetzt wird. Eine Zusatzregeneration der Sticko­ xidfalle erfolgt also vorzugsweise nicht bei jedem Übergang mager-stöchiometrisch, sondern nur dann, wenn zusätzlich eine bestimmte Mindestmenge an Stickoxiden gespeichert ist. Hier­ durch werden unnötige Regenerationszyklen, die jeweils mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch verbunden sind, vermieden. In einer einfacheren, alternativen Ausführungsform kann vor­ gesehen sein, den Grundregenerationszyklus timergesteuert in regelmäßigen Intervallen durchzuführen und den Zusatzregene­ rationszyklus bei jedem Übergang mager-stöchiometrisch einzu­ leiten. Alternativ ist es weiterhin denkbar, einen Zusatzre­ generationszyklus nur unter der zusätzlichen Auslösebedingung zuzulassen, daß seit der letzten Regeneration eine gewisse Mindestzeitdauer verstrichen ist.
Da eine Messung der tatsächlichen Stickoxidaufnahmerate mit vertretbarem Aufwand kaum zu realisieren ist, kann vorteil­ hafterweise vorgesehen sein, daß die näherungsweise Bestim­ mung der aktuellen Aufnahmerate von Stickoxiden anhand eines funktionalen Zusammenhangs in Abhängigkeit von aktueller Motordrehzahl, Motordrehmoment, Luft-/Kraftstoffverhältnis sowie Abgastemperatur und Abgasmassenstrom im Bereich der Stickoxidfalle erfolgt. Ein derartiger funktionaler Zusammen­ hang kann in Form einer Funktion oder als Tabellenspeicher implementiert sein und wird vorzugsweise anhand von Prüf­ standdaten ermittelt.
Da eine unkontrollierte Stickoxidfreisetzung im wesentlichen bei mager-stöchiometrisch-Übergängen nur aus bestimmten Dreh­ zahl-/Drehmomentbereichen auftritt, kann in weiterer Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen sein, daß bei Betrieb des Verbrennungsmotors mit magerem Gemisch in einem vorgegebenen Drehzahl-/Drehmomentbereich ein Zusatzregenerationszyklus un­ ter der Bedingung ausgelöst wird, daß ein Übergang aus einem vorgegebenen Teilbereich des Mager-Drehzahl-/Drehmoment­ bereichs in einen stöchiometrischen Motorbetrieb erfolgt. Vorzugsweise liegt der Teilbereich des Magerbetriebsbereichs in einem Bereich höherer Drehzahlen bzw. Drehmomente. Durch diese zusätzliche (zweite) Auslösebedingung werden unnötige Regenerationszyklen vermieden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß ein zur Regeneration der Stickoxidfalle erforderliches fettes Regenerations-Luft-/­ Kraftstoffverhältnis anhand eines funktionalen Zusammenhangs abhängig von der Abgastemperatur im Bereich der Stickoxid­ falle und dem Abgasmassenstrom bestimmt wird. Das so be­ stimmte Regenerations-Luft-/Kraftstoffverhältnis kann vor­ zugsweise sowohl während des Grund- als auch während des Zu­ satzregenerationszyklus zur Anwendung kommen.
Die zur Durchführung eines Grundregenerationszyklus benötigte Grundregenerationszeit für eine Regeneration mit dem Regene­ rations-Luft-/Kraftstoffverhältnis kann vorzugsweise anhand eines funktionalen Zusammenhangs abhängig von der Abgastempe­ ratur und dem Abgasmassenstrom im Bereich der Stickoxidfalle bestimmt werden.
Die zur Durchführung eines Zusatzregenerationszyklus für eine Regeneration mit dem Regenerations-Luft-/Kraftstoffverhältnis benötigte Zusatzregenerationszeit kann vorzugsweise durch Multiplikation der Grundregenerationszeit mit dem Verhältnis aus aktuellem Stickoxidmengenwert zu erstem Schwellwert er­ mittelt werden. Dadurch wird berücksichtigt, daß die Stick­ oxidfalle bei Durchführung des Zusatzregenerationszyklus im allgemeinen eine geringere Stickoxidmenge als im Falle des Grundregenerationszyklus gespeichert hat, so daß die Regene­ rationszeit entsprechend reduziert werden kann, um den Kraftstoffmehrverbrauch zu minimieren. In weiterer Ausgestal­ tung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zu den in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmten Regenerationszeiten ein fester Offsetwert hinzuaddiert wird. Damit wird die Zeit berücksichtigt, die die Fettspitze vom Verbrennungsmotor über einen Dreiwegekatalysator braucht, um zur Stickoxidfalle zu gelangen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Motor-/­ Motorsteuerungsanordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm der zeitlichen Entwicklung verschiedener Motorkenngrößen,
Fig. 3 ein schematisches Drehzahl-/Drehmomentkennfeld zur Er­ läuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 4 ein schematisches Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß Fig. 1 wird ein Mehrzylinderverbrennungsmotor 10 von einer elektronischen Motorsteuerung 12, die eine Vielzahl von Eingangssignalen 24, wie z. B. die aktuelle Motordrehzahl, ein Signal eines Luft-/Massenstromsensors 30 im Einlaßkanal oder die aktuelle Stellung des Fahrergaspedals erhält, gesteuert. Die Motorsteuerung führt Algorithmen zur Ansteuerung einer elektronischen Drosselklappe 20, einer Zündanlage 18 und ei­ ner Einspritzanlage 26 aus. Über die elektronische Drossel­ klappe 20 und die Einspritzanlage 18 kann das Luft-/­ Kraftstoffverhältnis Lambda des den Zylindern zugeführten Gemisches in weiten Grenzen verändert werden, insbesondere kann unter bestimmten Betriebsbedingungen ein mageres Luft-/­ Kraftstoffverhältnis eingestellt werden. Die Motorabgase werden einer Abgasbehandlungsanordnung 28 zugeführt. Diese besteht aus einem Dreiwegekatalysator 14 und einer Stickoxid­ falle 16. Durch einen Temperatursensor 22 wird die Abgastem­ peratur in räumlicher Nähe der Abgasbehandlungsanordnung 28 gemessen.
In Fig. 2 ist die zeitliche Entwicklung des von der Sticko­ xidfalle aufgenommenen Stickoxidmengenwerts X, des einge­ stellten Luft-/Kraftstoffverhältnisses lambda sowie eines die Stickoxidemissionen repräsentierenden Wertes NOx qualitativ dargestellt. Zu Beginn des in Fig. 2 dargestellten Verlaufs wird der Verbrennungsmotor im Magermodus mit einem Luft-/­ Kraftstoffverhältnis lambda = 1,5 betrieben. Die Motor­ steuerung berechnet in diskreten Zeitabständen die aktuelle Stickoxidaufnahmerate anhand eines funktionalen Zusammenhangs in Abhängigkeit von aktueller Motordrehzahl, Motordrehmoment, Luft-/Kraftstoffverhältnis sowie Abgastemperatur und Abgas­ massenstrom und integriert diese Rate zu einem Stickoxidmen­ genwert X. Hat dieser einen Schwellwert S1 (60) über­ schritten, wird für eine Zeitdauer TR1 ein Grundrege­ nerationszyklus mit einem Regenerations-Luft-/Kraftstoff­ verhältnis von 0,75 durchgeführt und der Stickoxidmengenwert anschließend auf Null zurückgesetzt.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel findet zu einem Zeit­ punkt t5 ein Betriebsmodusübergang mager-stöchiometrisch statt. Da der Stickoxidmengenwert X zu diesem Zeitpunkt ober­ halb eines zweiten Schwellwerts S2 (62) liegt, wird für eine Zeitdauer TR2, die gegenüber TR1 verkürzt ist, ein Zusatzre­ generationszyklus mit einem Regenerations-Luft-/Kraftstoff­ verhältnis von 0,75 durchgeführt und der Wert X anschließend auf Null zurückgesetzt. Erst nach diesem Zusatzregenera­ tionszyklus wird ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff­ verhältnis mit lambda = 1,0 eingestellt.
Bei einem gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Verfah­ ren, bei dem ein Zusatzregenerationszyklus nicht vorgesehen ist, wie durch die gestrichelten Graphen in Fig. 2 darge­ stellt, kommt es im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren zu einer unerwünschten NOx-Emissionsspitze 66.
In Fig. 3 ist ein schematisches Motordrehmoment/Motor­ drehzahldiagramm dargestellt. Das maximale Motordrehmoment MD abhängig von der Drehzahl n ist durch die Vollastkurve 46 ge­ geben. In einem Bereich 42 wird ein Magerbetrieb des Verbren­ nungsmotors durch die Motorsteuerung veranlaßt; oberhalb bzw. rechts dieses Bereichs wird der Motor in einem mit 48 be­ zeichneten Bereich stöchiometrisch betrieben. Unkontrollierte Freisetzungen von nicht konvertierten Stickoxiden treten nur bei Übergängen aus einem Teilbereich 50 des Magerbereichs 42 auf (z. B. 52, 54). Deshalb wird ein Zusatzregenerationszyklus nur dann ausgelöst, wenn die Motorsteuerung einen Übergang aus dem Teilbereich 50 in den Bereich 48 detektiert.
Gemäß Fig. 4 beginnt eine Implementation einer während des Motorbetriebs endlos ausgeführten Überwachungsschleife gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Bestimmung des Stickoxidmengenwertes X (Schritt 82). In Schritt 84 wird X mit einem ersten Schwellwert S1 verglichen. Bei Überschreiten wird ein Grundregenerationszyklus ausgelöst. Dazu wird in 86 ein zur Regeneration benötigtes Luft-/Kraftstoffverhältnis lambdaR sowie die benötigte Grundregenerationszeit TR1 abhän­ gig von der Abgastemperatur und dem Abgasmassenstrom im Be­ reich der Stickoxidfalle bestimmt. Mit diesen Parametern wird anschließend bei 88 ein Grundregenerationszyklus durchgeführt und der Stickoxidmengenwert X auf Null zurückgesetzt. Weiter­ hin wird X mit einem zweiten, niedrigeren Schwellwert S2 verglichen. Falls die Motorsteuerung einen Übergang aus dem Bereich 50 in den Bereich 48 detektiert (Fig. 2) und der Schwellwert S2 überschritten wird, löst die Motorsteuerung einen Zusatzregenerationszyklus aus. Die Zusatzregenerations­ zeit TR2 wird gegenüber TR1 um das Verhältnis aus aktuellem Stickoxidmengenwert X und dem Schwellwert S1 reduziert (Schritt 94). Anschließend wird bei 96 ein Zusatzregenerati­ onszyklus ausgelöst und der Stickoxidmengenwert X auf Null zurückgesetzt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regeneration einer Stickoxidfalle (16) im Abgassystem eines Verbrennungsmotors (10) mit einer elek­ tronischen Motorsteuerung (12), durch die abhängig von einer Vielzahl von Motorbetriebsparametern bestimmt wird, ob dem Verbrennungsmotor ein mageres oder ein im wesent­ lichen stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffgemisch zuge­ führt wird und durch die unter vorgegebenen ersten Auslö­ sebedingungen ein Grundregenerationszyklus der Stickoxid­ falle ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ nem Übergang vom mageren in den stöchiometrischem Be­ triebsmodus und bei einem Vorliegen von vorgegebenen zweiten Auslösebedingungen ein Zusatzregenerationszyklus der Stickoxidfalle ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während beider Regenerationszyklen dem Motor (10) ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Stickoxidaufnahmerate der Stickoxidfalle (16) sowie ein der durch die Stickoxidfalle aufgenommenen Stickoxidmenge entsprechender Stickoxidmengenwert (X) durch zeitliche Integration der ermittelten Aufnahmerate näherungsweise durch die Motorsteuerung bestimmt wird, daß der Grundregenerationszyklus unter der Bedingung aus­ gelöst wird, daß der Stickoxidmengenwert einen ersten vorgegebenen Schwellwert (S1) überschreitet und der Zusatzregenerationszyklus unter der Bedingung ausgelöst wird, daß der Stickoxidmengenwert einen zweiten vorgege­ benen Schwellwert (S2), der niedriger als der erste vor­ gegebene Schwellwert ist, überschreitet, wobei nach Aus­ führung eines Grund- bzw. Zusatzregenerationszyklus der Stickoxidmengenwert (X) jeweils zurückgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die näherungsweise Bestimmung der aktuellen Aufnahmerate von Stickoxiden anhand eines funktionalen Zusammenhangs in Abhängigkeit von aktueller Motordrehzahl, Motordreh­ moment, Luft-/Kraftstoffverhältnis sowie Abgastemperatur und Abgasmassenstrom im Bereich der Stickoxidfalle (16) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Betrieb des Verbrennungsmotors mit magerem Gemisch in einem vorgegebenen Drehzahl-/Dreh­ momentbereich (42) ein Zusatzregenerationszyklus unter der Bedingung ausgelöst wird, daß ein Übergang aus einem vorgegebenen Teilbereich (50) des Mager-Drehzahl-/­ Drehmomentbereichs in einen stöchiometrischen Motorbe­ trieb (48) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (50) des Magerbetriebsbereichs (42) in einem Bereich höherer Drehzahlen bzw. Drehmomente liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zur Regeneration der Stickoxidfalle erforderliches fettes Regenerations-Luft-/Kraftstoff­ verhältnis anhand eines funktionalen Zusammenhangs abhän­ gig von der Abgastemperatur im Bereich der Stickoxidfalle und dem Abgasmassenstrom bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Durchführung eines Grundregenerationszyklus mit dem Regenerations-Luft-/Kraftstoffverhältnis benötigte Grundregenerationszeit (TR1) anhand eines funktionalen Zusammenhangs abhängig von der Abgastemperatur und dem Abgasmassenstrom im Bereich der Stickoxidfalle bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Durchführung eines Zusatzregenerationszyklus mit dem Regenerations-Luft-/Kraftstoffverhältnis benötigte Zusatzregenerationszeit durch Multiplikation der Grundre­ generationszeit (TR2) mit dem Verhältnis aus aktuellem Stickoxidmengenwert (X) zu erstem Schwellwert (S1) und Addition einer vorgegebenen Offsetzeit zu dem Produkt be­ stimmt wird.
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