DE19811257A1 - Verfahren zur Steuerung der Abgasnachbehandlung eines DI-Otto- und Magermotors - Google Patents
Verfahren zur Steuerung der Abgasnachbehandlung eines DI-Otto- und MagermotorsInfo
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Abstract
In einem Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes des NOx-Speichers eines Speicherkatalysators wird die Abgastemperatur gemessen und die Abgastemperatur bildet zusammen mit anderen Parametern des Motorbetriebs, wie beispielsweise die verstrichene Zeit seit der Umschaltung in den Mager-Betrieb, der Sauerstoffgehalt des Abgases und der Drehmomentschwankung/Pme-Schwankung, ein Maß für den Beladungsgrad des NOx-Speichers. Statt der direkten Abgastemperatur kann auch die Differenz zwischen den Abgastemperaturen bei fettem und magerem Motorbetrieb oder der Gradient der Abgastemperatur verwendet werden.
Description
Die Erfindung betrifft die Steuerung der Abgasnachbehandlung eines DI-Ottomotors,
Dieselmotors oder Mager-Ottomotors, insbesondere die Bestimmung des
Beladungszustandes eines NOx-Speichers eines NOx-Speicherkatalysators, so daß zu dem
Zeitpunkt in den regenerierenden Fett-Betrieb umgeschaltet werden kann, wenn der NOx-
Speicher gefüllt ist.
Die Entstickung von Mager-Ottomotoren, Dieselmotoren oder DI-Ottomotoren erfordert eine
besondere Abgasnachbehandlungstechnik, weil einerseits Dieselmotoren, die bisher ohne
Entstickungseinrichtungen auf den Markt gebracht wurden, nicht mehr zukünftige
Abgasnormen erfüllen und z. B. in den USA bereits einen besonderen, erhöhten NOx-
Emissionsgrenzwert haben, und andererseits Mager-Ottomotoren und DI-Ottomotoren, die
mit konventionellen 3-Wege-Katalysatoren ausgestattet sind, zwar über eine HC- und CO-
Nachbehandlung verfügen, aber nicht über eine Entstickung, da der 3-Wege-Katalysator bei
λ-Werten oberhalb eines λ-Wertes von ca. 1,05 keine nennenswerte NOx-Reduktion
bewirken kann.
Eine derzeit realisierte Abgasnachbehandlung ist der von Mazda vertriebene 3-Wege-
Katalysator mit zusätzlicher Entstickungskomponente für mageres Abgas (SAE 950746).
Dieser ist als ein Pt/lr/Rh-Katalysator mit ZMS5-Zeolith eines SiO2-Al2O3-Verhältnisses von
30 realisiert. Ein derartiger Katalysator sollte ohne besondere Anforderungen an die
Motorsteuerung eine kontinuierliche Entstickung gewährleisten. Der Hersteller gibt die NOx-
Konversion im mageren Abgas nach Alterung (800 bis 1000°C) mit über 60% an.
Nachmessungen haben allerdings ergeben, daß der Mazda-Katalysator jedoch bei einem
Wert von λ = 1,5 eine nicht signifikante NOx-Konversion aufweist. Den angegebenen
Konversionswert von über 60% konnte der Katalysator nur bei einem λ-Wert von 1
erreichen. Daher ist ein derartiger Katalysator angesichts der zu erwartenden Grenzwerte
der Abgasemission nur begrenzt tauglich.
Eine andere Art der Abgasnachbehandlung für DI-Otto- und Mager-Ottomotoren ist die
Entstickung des Abgases mit NOx-Speicher-Katalysatoren. Dabei wird das motorisch
emittierte NOx in den mageren Betriebsphasen des Motors im NOx-Speicherteil des
Katalysators lediglich zwischengespeichert und bei stöchiometrischen oder fetten Phasen
des Motorbetriebs katalytisch umgesetzt und reduziert. Der Vorteil dieser Art der
Abgasnachbehandlung liegt darin, daß als NOx-reduzierende Komponenten nicht nur die
emittierten Kohlenwasserstoffe, sondern auch das emittierte CO zur Verfügung stehen,
welches bei λ ≦ 1 auch NOx umzusetzen vermag. Für Mager-Ottomotoren ist diese Art der
Abgasnachbehandlung durch Toyota eingeführt worden. Die Wirkungsweise des
Katalysators bedingt eine besondere Art der Motorsteuerung während Konstant-
Betriebsphasen, in denen nur mager gefahren wird. Da durch den Mager-Betrieb der NOx-
Speicher des Katalysators beladen wird, gibt es einen Zeitpunkt, zu dem der NOx-Speicher
gefüllt und damit seine Fähigkeit des Speichern von NOx erschöpft ist. Daher muß der NOx-
Speicher in regelmäßigen Abständen regeneriert werden. Um die Regeneration durchführen
zu können, ist es hierzu erforderlich, die Beladung des NOx-Speichers zu erkennen. Dazu
werden in der Patentliteratur, beispielsweise DE 195 06 980 und EP 580 389, zahlreiche
Parameter vorgeschlagen, die im wesentlichen von Motorbetriebsparametern abgeleitet
sind. Sehr oft wird als Kriterium die Sauerstoffkonzentration in Zusammenhang mit einer
Verweildauer im Betrieb bei hoher Sauerstoffkonzentration (λ < 1) vorgeschlagen. Ferner
wird in der DE 19 51 548 vorgeschlagen, den Gehalt des Abgases an Stickoxiden, HC bzw.
CO als Maß für den Betriebszustand des Motors zu verwenden. Allerdings sind die
genannten Parameter oft nur relativ aufwendig bestimmbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung
des Beladungszustands des NOx-Speichers eines entsprechenden Katalysators zu
schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3 und 5 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der vorliegenden Endung wird auf die Abgastemperatur als Parameter zurückgegriffen.
Die Abgastemperatur sinkt mit zunehmender Dauer des Magerbetriebes und ist z. T. direkt
mit dem NOx-Umsatz korreliert, da das bei höherem λ emittierte Abgas wesentlich kälter ist
als das Abgas mit λ = 1.
Ferner besteht bei einem DI-Ottomotor die Möglichkeit, bei höheren Drehzahlen und Lasten
noch weiter in den mageren Bereich hineinzufahren, ohne eine für die katalytische Aktivität
kritische Abgastemperatur vor Katalysator von derzeit ca. 200°C zu unterschreiten. Damit
ergibt sich aus der Abgastemperatur bei entsprechender motorischer Einstellung für höhere
Drehzahl/Lastkollektive und entsprechend höhere stündliche NOx-Emissionen ein weiterer
auswertbarer Parameter, der für die Beladung des NOx-Speichers herangezogen werden
kann: nämlich die Differenz zwischen der Temperatur bei kleinem λ und der Temperatur bei
hohem λ.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß unter gewissen Betriebsbedingungen eines
Kraftfahrzeuges eine Regeneration des NOx-Speichers unter Umständen nicht rechtzeitig
stattfindet. Im Normalfall liegen im dynamischen Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem
NOx-Speicherkatalysator, insbesondere beim Einsatz desselben in einem magerbetriebenen
Otto-Motor, vorzugsweise Direkteinspritzer-Otto-Motor, genügend häufig
Betriebsbedingungen vor, bei denen, insbesondere bedingt durch ein Beschleunigen des
Fahrzeuges, ein stöchiometrisches oder fettes Gemisch dem Motor zur Verbrennung
zugeführt wird. Durch diesen relativ häufig auftretenden Zustand λ < 1 wird der Speicher
regeneriert, so daß beispielsweise ein üblicher, genügend groß bemessener NOx-Speicher,
beispielsweise im FTP, Federal Test Procedure (US 75-Test), nicht übersättigt wird, so daß
eine aufwendige Speicherüberwachung hier nicht erforderlich ist.
Wird das Kraftfahrzeug jedoch über eine längere Zeit (ab ca. 1 Minute) konstant betrieben,
beispielsweise mit 80 km/h, wie es außerorts durchaus öfter vorkommt, dann kann der
Speicher seine Kapazitätsgrenze erreichen. Die Zeitspanne bis zur Sättigung des NOx-
Speichers ist hierbei von den Betriebsbedingungen abhängig. Erfindungsgemäß wird die
Sättigung bzw. der Beladungszustand des NOx-Speichers mit Hilfe der Abgastemperatur
ermittelt, die bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit λ ≦ 1 verhältnismäßig hoch ist
und nach einem Umstellen des Motorbetriebs auf mager, insbesondere λ ≧ 1,3 und
besonders vorteilhaft λ ≧ 1,6, über einen Zeitraum von ca. 1 Minute asymptotisch auf einen
niedrigeren Wert absinkt. Entsprechend läßt sich aus der absoluten Temperatur, dem
Gradienten der Temperatur bzw. weiteren temperaturabhängigen Parametern eine NOx-
Ausstoßmenge im Rohabgas und somit auch ein Beladungszustand des Speichers ermitteln.
Entsprechend wird die erfindungsgemäße Ermittlung der Speicherbeladung vorteilhaft bei im
wesentlichen konstanten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vorgenommen.
Insbesondere erfolgt außerdem ein Kennfeldabgleich zur Ermittlung exakter
Rohemissionswerte.
Somit ergeben sich folgende Möglichkeiten zur Bestimmung der NOx-Speicherbeladung
unter Verwendung der Abgastemperatur bzw. daraus abgeleiteter Parameter und weiterer
Meßgrößen:
- - absolutes Abgastemperaturniveau TAbg und verstrichener Zeit tBa seit dem Beginn der Abmagerung,
- - TAbg und Drehmomentschwankung/Pme-Schwankung σPme,
- - TAbg und Sauerstoffgehalt im Abgas.
Ferner kann die Abgastemperaturdifferenz zur Bestimmung des Beladungszustandes des
NOx-Speichers verwendet werden. Also beispielsweise:
- - Abgastemperaturdifferenz ΔTAbg zwischen kleinem und hohem λ-Wert und Sauerstoffgehalt im Abgas,
- - ΔTAbg und Drehmomentschwankung/Pme-Schwankung σPme.
Außerdem ist es möglich, als weiteren, für die NOx-Entstehung mitverantwortlichen
Betriebsparameter die Kraftstoff-Einspritzmenge bzw. Einspritzzeit ti zu verwenden, die
besonders beim DI-Ottomotor als zu der Last proportionales Signal herangezogen werden
kann, so daß sich die folgenden Bestimmungsmöglichkeiten des Beladungszustandes des
NOx-Speichers aus den Kombinationen der Parameter ergeben:
- - ti und TAbg,
- - ti und ΔTAbg,
- - ti und TAbg und Sauerstoffgehalt im Abgas,
- - ti und ΔTAbg und Sauerstoffgehalt im Abgas,
- - ti und σPme und TAbg,
- - ti und σPme und ΔTAbg.
Ferner ermöglicht auch die Verwendung des Temperaturgradienten grad(TAbg) in
Kombination mit einem oder mehreren der anderen, oben aufgeführten Parameter die
Bestimmung des Beladungszustandes des NOx-Speichers. Also beispielsweise
- - grad(TAbg) und verstrichene Zeit tBA seit Beginn des Mager-Betriebs,
- - grad(TAbg) und Drehmomentschwankung/Pme-Schwankung (σPme),
- - grad(TAbg) und Sauerstoffgehalt im Abgas.
Ferner läßt sich ebenfalls aus der obengenannten Einspritzzeit ti und dem Gradienten der
Abgastemperatur sowie der weiteren oben genannten Parameter der Beladungszustand des
NOx-Speichers bestimmen.
Vorteilhaft für die Verwendung der Abgastemperatur ist es insbesondere, daß
- - die Abgastemperatur schnell gemessen werden kann im Gegensatz beispielsweise zu den bekannten Prototypen von NOx-Sonden, welche nur ein ungefähres Signal mit relativ hoher T90-Zeit (ca. 500 ms) liefern. Der Meßfehler der bekannten NOx-Sonden wird außerdem um so größer, je weiter der Motor in den mageren Bereich hineinfährt, d. h. ein derartiges Meßverfahren könnte überhaupt nur für eine Parametrisierung der NOx- Speicher-Katalysator-Regeneration beim Mager-Ottomotor verwendet werden,
- - die Abgastemperatur als eines der Kriterien für eine On-Board-Diagnose herangezogen werden kann, um die Aktivität des Katalysators im laufenden Betrieb zu detektieren, so daß dieses Signal ohnehin vorhanden sein wird und nur zusätzlich ausgewertet werden muß
- - die Abgastemperatur mit hinreichender Genauigkeit mit etablierter Meßtechnik gemessen werden kann.
Die Verwendung der Abgastemperatur, des Abgastemperaturgradienten bzw. der
Abgastemperaturdifferenz in Verbindung mit weiteren Parametern wie Sauerstoffgehalt im
Abgas, σPme etc. ermöglicht bei Verwendung geeigneter Algorithmen (fuzzy logic) eine ge
nauere Bestimmung des Beladungszustandes des NOx-Speichers und damit des Zeitpunk
tes zur Einleitung der Regeneration.
Die hier aufgeführten zusätzlichen Parameter sind zum großen Teil Meßgrößen, die aus
dem Motorsteuergerät und der λ-Meßsonde ohnehin zugänglich sind und nicht extra
detektiert werden müßten.
Ein weiterer Vorteil der Abgastemperaturmessung besteht darin, daß man mit ihrer Hilfe
auch geeignete Algorithmen zur SOx-Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators
aufstellen kann.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer einzigen Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Messung der Abgastemperatur, der Motorleistung, des λ-
Verlaufs und des NOx-Umsatzes als Funktion der Zeit.
Fig. 1 zeigt Meßkurven von vier Motor- bzw. Abgasparametern aufgetragen gegenüber der
Zeit t in Sekunden. Dabei stellt die Meßkurve 1 (markiert mit "+"), der die Ordinate I
zugehörig ist, die Abgastemperatur vor dem Katalysator in °C dar, die Meßkurve 2 (markiert
mit "o"), zu der die Ordinate II gehört, das effektive Drehmoment in Nm des Motors dar, die
Meßkurve 3 (markiert mit "Δ"), zu der die Ordinate III gehört, den eingestellten λ-Wert dar,
und die Meßkurve 4 (markiert mit "X"), zu der die Ordinate IV gehört, die Masse des
umgesetzten/gespeicherten Stickoxids NO in g/h dar. Aus den Verläufen der vier Meßkurven
ergibt sich, daß der Motor zuerst fett mit einem λ-Wert von ca. 0,95 betrieben wird (Kurve 3).
Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt erfolgt die Umschaltung in den Mager-Betrieb, erkennbar
durch den steilen Anstieg der Kurve 3. Zu diesem Zeitpunkt des Umschaltens erfolgt ein
kurzer Leistungseinbruch des Motors, erkennbar an der Oszillation der Kurve 2, wobei sich
das abgegebene Drehmoment kurz danach wieder auf einem etwas niedrigeren Niveau als
während des Fett-Betriebs stabilisiert. Nach dem Umschalten in den Mager-Betrieb erfolgt
ein kontinuierliches Absinken der Abgastemperatur (Kurve 1) als Funktion der Zeit t in
exponentieller Form von dem hohen Abgastemperaturniveau während des Fett-Betriebs.
Gleichzeitig erfolgt ein fast synchrones Abfallen der Kurve 4, die die Masse des
umgesetzten/gespeicherten Stickoxids NO wiedergibt. Mit anderen Worten, die Masse des
gespeicherten bzw. umgesetzten NOx sinkt kontinuierlich mit der Abgastemperatur im
Mager-Betrieb. Aufgrund der Korrelation der Abgastemperatur und der Stickoxidkurve 4 ist
es möglich den Beladungszustand des NOx-Speichers aus der Abgastemperatur und
weiteren Betriebsparametern abzuleiten. Zur Messung der gezeigten Kurven wurde ein
16-Ventiler VW-Mager-Otto-Motor (Prototyp) mit 1600 cm3 verwendet.
1
Meßkurve Abgastemperatur
2
Meßkurve effektives Drehmoment
3
Meßkurve λ
4
Meßkurve Masse umgesetztes/gespeichertes Stickoxid
IOrdinate zu Kurve
IOrdinate zu Kurve
1
IIOrdinate zu Kurve
2
IIIOrdinate zu Kurve
3
IVOrdinate zu Kurve
4
tZeit
tBA
tBA
Verstrichene Zeit seit der Abmagerung
TAbg
TAbg
Abgastemperatur
ΔTAbg
ΔTAbg
Differenztemperatur
grad(TAbg
grad(TAbg
)Temperaturgradient
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung des Beladungsgrades eines NOx-Speicherkatalysators
dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur (TAbg) des Abgases gemessen wird, und
die gemessene Temperatur (TAbg) des Abgases bei magerem Betrieb ein Maß für den
Beladungszustand des NOx-Speichers des Katalysators bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens ein
weiterer Betriebsparameter zur Bildung des Maßes des Beladungszustandes der
Sauerstoffgehalt des Abgases, die seit dem Umschaltzeitpunkt von dem fetten in den
mageren Betrieb verstrichene Zeit (tBA), die Drehmomentschwankung/Pme-
Schwankung oder die Einspritzzeit (ti) herangezogen wird.
3. Verfahren zur Bestimmung des Beladungsgrades eines NOx-Speicherkatalysators,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur (TAbg) des Abgases gemessen wird,
die Temperaturdifferenz (ΔTAbg) zwischen der Abgastemperatur bei fettem
Motorbetrieb und der Abgastemperatur bei magerem Motorbetrieb ermittelt wird, und
die Temperaturdifferenz (ΔTAbg) ein Maß für den Beladungszustand des NOx-
Speichers des Katalysators bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens ein
weiterer Betriebsparameter zur Bildung des Maßes des Beladungszustandes der
Sauerstoffgehalt des Abgases, die seit dem Umschaltzeitpunkt von dem fetten in den
mageren Betrieb verstrichene Zeit (tBA), die Drehmomentschwankung/Pme-
Schwankung oder die Einspritzzeit (ti) herangezogen wird.
5. Verfahren zur Bestimmung des Beladungsgrades eines NOx-Speicherkatalysators,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur (TAbg) des Abgases gemessen wird,
der Temperaturgradient grad(TAbg) der Abgastemperatur ermittelt wird, und
der Temperaturgradient grad(TAbg) ein Maß für den Beladungszustand des NOx-
Speichers des Katalysators bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens ein
weiterer Betriebsparameter zur Bildung des Maßes des Beladungszustandes der
Sauerstoffgehalt des Abgases, die seit dem Umschaltzeitpunkt von dem fetten in den
mageren Betrieb verstrichene Zeit (tBA), die Drehmomentschwankung/Pme-
Schwankung oder die Einspritzzeit (ti) ist.
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