DE19843871A1 - Diagnose eines NOx-Speicherkatalysators mit nachgeschaltetem NOx-Sensor - Google Patents

Diagnose eines NOx-Speicherkatalysators mit nachgeschaltetem NOx-Sensor

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines NOx-Speicherkatalysators, dem Abgas von einem Verbrennungsprozeß zugeführt wird. Das Verfahren DOLLAR A nutzt einen in Strömungsrichtung hinter dem NOx-Speicher angeordneten NOx-Sensor. Das Abgas wird in ersten Phasen so beeinflußt, daß es mehr NOx enthält als in zweiten Phasen. In den zweiten Phasen wird es so beeinflußt, daß es Reduktionsmittel enthält. Zwischen beiden Phasen erfolgt ein wiederholter Wechsel. Der Alterungszustand des NOx-Katalysators wird auf der Basis des Signals des NOx-Sensors beurteilt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft die Diagnose eines NOx- Speicherkatalysators mit einem NOx-Sensor, der in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator angeordnet ist.
NOx-Speicherkatalysatoren werden für die Schadstoffkonvertierung bei Verbrennungsprozessen im Bereich magerer Kraftstoff/Luftgemische (Lambda größer 1) verwendet. In diesem Bereich erfüllt der Drei-Wege-Katalysator die Anforderungen an die Abgasqualität nicht mehr. Hier kommen sowohl beim Benzinmotor als auch beim Dieselmotor NOx- Speicherkatalysatoren zum Einsatz, welche die im mageren Motorbetrieb emittierten Stickoxide speichern. Durch den Betrieb des Motors im fetten Bereich (Lambda kleiner 1) werden gespeicherte Nitrate freigesetzt und zu Stickstoff reduziert.
Idealerweise wird der Motor in einer ersten Phase mager betrieben, bis der NOx-Speicherkatalysator voll ist, d. h. bis er keine weiteren Stickoxide mehr speichern kann. Daran schließt sich idealerweise eine zweite Phase mit fettem Betrieb für diejenige Zeitspanne an, die zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators benötigt wird.
Durch Alterung des NOx-Speicherkatalysators werden die aktiven Speicherplätze geschädigt. Die Speicherfähigkeit des NOx-Katalysators nimmt daher mit zunehmender Alterung kontinuierlich ab.
Die DE OS 196 35 977 schlägt einen NOx-Sensor zur Überwachung eines NOx-Speicherkatalysators im Sinne einer Überwachung seines aktuellen Beladungsgrades vor. Die Kenntnis des aktuellen Beladungsgrades, d. h. des Grades der Füllung des NOx-Speichers mit Stickoxiden wird für Regelungszwecke genutzt. Wenn die Messung des aktuellen Speicherbeladungsgrades eine Erschöpfung der Speicherkapazität anzeigt, wird ein Fettimpuls, d. h. ein Betrieb des Motors mit fettem Gemisch zur Regenerierung des Speicherkatalysators erzeugt.
Aus dem SAE Paper 960334 ist ein NOx-Sensor mit näherungsweise linearer Signalcharakteristik bekannt.
Gesetzgeberische Forderungen sehen eine On Board-Diagnose von schadstoffemissionsrelevanten Kraftfahrzeugkomponenten wie Katalysatoren vor.
Bei Alterung werden die aktiven Speicherplätze des NOx- Speicherkatalysators geschädigt, was zu einer Verschlechterung des Einspeicher- und Entladeverhaltens des NOx-Katalysators führt. Neben einer thermische Alterung treten auch Vergiftungserscheinungen wie z. B. durch Schwefeleinträge auf. Der Katalysator wird dann weniger Nitrate einspeichern als im Frischzustand. Damit nehmen die Nach-Kat-Emissionen zu und um die gleiche mittlere Konvertierungsleistung zu erhalten muß öfter regeneriert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines NOx-Speicherkatalysators.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich Einbußen der Funktionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators im zeitlichen Verlauf der hinter dem Katalysator meßbaren NOx- Konzentration abbilden.
Bei einem bestimmten NOx-Rohmasseneintrag mno1 erhöhen sich bei alterungsbedingten Einbußen der Funktionsfähigkeit die Nach-Kat-Stickoxid-Emissionen mno2. Dieses Verhalten kann diagnostiziert werden:
Bspw. steigen die in der Speicherphase hinter dem Katalysator meßbaren NOx-Konzentrationen mit zunehmender Katalysatoralterung zunehmend schneller an. In der Regenerationsphase nehmen sie mit zunehmender Katalysatoralterung zunehmend schneller ab. Mit anderen Worten: Die Gradienten der hinter dem Katalysator gemessenen NOx-Konzentrationen werden mit zunehmenden Katalysatoralter steiler.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.
Fig. 2 stellt den zeitlichen Verlauf des Signals eines hinter dem Katalysator angeordneten NOx-Sensors in verschiedenen Alterungszuständen des Katalysators dar.
Fig. 3 offenbart ein Beispiel einer Gernischsteuerstrategie, die auf die Funktion des NOx-Speicherkatalysators abgestimmt ist und
Fig. 4 offenbart ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2, einer Abgassonde 3, einem NOx-Sensor 4, einem Steuergerät 5, einem Kraftstoffzumeßmittel 6, verschiedenen Sensoren 7, 8, 9 für Last L und Drehzahl n sowie ggf. weitere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie Temperaturen, Drosselklappenstellung etc. sowie eine Fehlerlampe 10 als Bsp. eines Mittels zur Anzeige und/oder Abspeicherung eines Fehlers.
Aus den genannten und ggf. weiteren Eingangssignalen bildet das Steuergerät u. a. Kraftstoffzumeßsignale, mit denen das Kraftstoffzumeßmittel 6 angesteuert wird. Das Kraftstoffzumeßmittel 6 kann sowohl für eine sogenannte Saugrohreinspritzung als auch für eine Benzin- oder Diesel- Direkteinspritzung in die Brennräume der einzelnen Zylinder ausgestaltet sein. Die Variation der Gemischzusammensetzung kann über eine Veränderung der Einspritzimpulsbreiten erfolgen, mit denen das Kraftstoffzumeßmittel angesteuert wird.
Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft in diesem Umfeld in erster Linie das Zusammenwirken des Steuergeräts 5 mit dem hinter dem Katalysator angeordneten NOx-Sensor 4.
Fig. 2 veranschaulicht den Phasenwechsel mit einer Darstellung des Signalverhaltens des hinter dem Katalysator angeordneten NOx-Sensors 4. (Fig. 2a) und dem zugehörigen Kraftstoff/Luftverhältnis Lambda, wie es die vor dem Katalysator angeordnete Abgassonde 3 (Fig. 2b) erfaßt.
Zum Zeitpunkt t = 0 sei der NOx-Speicherkatalysator leer. In der folgenden ersten Phase Ph1 wird der Verbrennungsmotor mit magerem Gemisch (Lambda größer 1) betrieben. Dies entspricht dem Schritt 3.1 in Fig. 3. Die dabei emittierten Stickoxide werden im Speicherkatalysator gespeichert. Die auch als Speicherphase bezeichnete erste Phase (Magerphase) wird idealerweise bei vollem Speicherkatalysator 2a beendet.
Dabei gilt der Speicherkatalysator bspw. als voll, wenn das Signal des NOx-Sensors einen oberen Schwellwert UL erreicht. Siehe Schritt 3.2 in Fig. 3.
An die erste Phase schließt sich eine zweite Phase Ph2 an, in der der Speicherkatalysator regeneriert wird, was durch den Schritt 3.3 in Fig. 3 repräsentiert wird. Die zweite Phase wird auch als Regenerationsphase bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Regenerierung in der Phase Ph2 bei einem Motorbetrieb mit einem Lambdawert kleiner als 1. Dabei emittiert der mit kraftstoffreicherem Gemisch arbeitende Verbrennungsmotor unverbranntes HC und CO als Reduktionsmittel. Unter Einwirkung des Katalysators reagiert das Reduktionsmittel mit den gespeicherten Stickoxiden zu Wasser, CO2 und N2, die mit dem Abgas weiter transportiert werden. Der Speicher wird dadurch erneut für Stickoxide aufnahmefähig, d. h. regeneriert. Während der Regeneration nimmt der NOx-Gehalt des Abgases hinter dem Speicherkatalysator stetig ab. Sobald das Signal des NOx- Sensors einen unteren Schwellwert LL erreicht, erfolgt ein Übergang in den Magerbetrieb und eine erneute Einspeicherung von NOx in den Speicherkatalysator. Siehe Schritt 3.4 in Fig. 3. Zwischen den Phasen Ph1 und Ph2 wird vom Steuergerät 5 im fortlaufenden Wechsel umgesteuert.
Alterungsbedingt verkürzen sich die Speicher- und die Regenerationszeiten. Dies ist in Fig. 2 durch eine Verkürzung der Periodendauern symbolisch dargestellt. In der Realität vollzieht sich die Verkürzung wesentlicher langsamer. Die Lage der oberen und der unteren Schwelle bleibt dagegen konstant.
Der stetige Anstieg und Abfall der NOx-Konzentration hinter dem Speicherkatalysator ist für bekannte NOx- Speicherkatalysatoren charakteristisch. Die Rate der NOx- Speicherung sinkt mit zunehmendem Füllungsgrad kontinuierlich ab, so daß die hinter dem Speicherkatalysator meßbaren NOx-Konzentrationen im Abgas mit zunehmendem Füllungsgrad anwachsen.
Die Diagnoseideen basieren auf einer Messung der NOx- Emissionen nach dem Katalysator mit dem NOx-Sensor.
In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Messung des Kurvenverlaufs nach Fig. 2 im Frischzustand, ein Abspeichern dieses Kurvenverlaufs, eine Messung des Kurvenverlaufs zu späteren Zeitpunkten und ein Vergleich des später aufgenommen Kurvenverlaufs dem gespeicherten Kurvenverlauf. Übersteigen die Abweichungen ein vorbestimmtes Maß, gilt der Katalysator als defekt.
Der Kurvenverlauf nach Fig. 2 kann bspw. aus bestimmten charakterischen Wertepaaren der NOx-Konzentration zu bestimmten Zeiten rekonstruiert werden. Charakteristische Wertepaare werden bspw. durch die Umkehrpunkte O1, O2, . . ., U1, U2, . . . des Signalverlaufs in Fig. 2 repräsentiert.
Anstelle eines Vergleiches einer Vielzahl einzelner Punkt der Kurven kann bspw. deren Steigung, d. h. der Quotient der Differenz zweier NOx-Werte und des zeitlichen Abstands, mit dem diese Werte erfaßt wurden, ausgewertet werden. Bspw. kann die Steigung G in der Entlade- oder Regenerierphase berechnet werden zu G = (LL-UL)/(t2-t1). Siehe Fig. 4, Schritte 4.1 und 4.2.
Die Steigung kann im Schritt 4.3 mit einem vorbestimmtem Grenzwert G_Schwell verglichen werden. Dessen Überschreitung führt, ggf nach statistischer Absicherung, zur Fehleranzeige durch eine Warnlampe MIL (Nr. 10 in Fig. 1) im Schritt 4.4.
Der Grenzwert kann bspw. wie folgt festgelegt werden: Die Anfangssteigung G0 wird bei neuem Katalysator bestimmt. Der Grenzwert wird als Offset oder Faktor, bspw als 1,5fache Anfangssteigung festgelegt.
Alternativ zum Abspeichern eines anfänglichen Kurvenverlaufs kann der Kurvenverlauf auch modelliert werden. Legt man einen funktionierenden Katalysator zugrunde, kann man aus den Betriebsparametern des Motors wie Last, Drehzahl, Lambda, Verlauf des Lambdawertes vor dem Katalysator einen Erwartungswert für die NOx-Konzentration hinter dem Katalysator bilden. Weicht die tatsächlich gemessene NOx- Konzentration unzulässig stark vom modellierten Verlauf ab, wird dies als Zeichen für einen defekten Katalysator gewertet.
Die Steigung kann getrennt für Speicher- und Regenerationsphase bestimmt und ausgewertet werden oder auch als Mittelwert der Steigungen in beiden Phasen über eine oder mehrere Perioden des Speicherns und Regenerierens bestimmt werden.
Ebenso kann als Maß für die Steigung die Länge einer oder mehrerer Speicher- oder Regenerationsphasen, die Periodendauer des Speicher/Regenerationszyklusses oder die Frequenz der periodischen NOx-Konzentrationsschwingung verwendet werden.
Bspw. wird die Länge der Regnerationsphase von der Entladbarkeit des Speicherkatalysators mitbestimmt. Dabei wird davon ausgegangen, daß während der Regenerierung bei Lambda kleiner gleich 1 die NOx-Konzentration nach einem charakteristischen zeitlichen Verlauf sinkt. Damit können maximal zulässige Regenerierungsdauern definiert werden. Wenn die Regenerierungsdauer eine vorbestimmte zulässige Regenerierungsdauer überschritten hat, ohne das die NOx- Konzentration einen Schwellwert unterschritten hat, gilt der Kat als defekt.
Weitere Ausführungsbeispiele basieren auf der Bildung des momentanen oder integrierten NOx-Massenstroms hinter dem Katalysator. Der NOx-Massenstrom mnO2 hinter dem Katalysator läßt sich auf der Basis der hinter dem Katalysator erfaßten NOx-Konzentration ggf unter Mitverwendung des Ansaugluftmassenstroms (Sensor 7) oder eines Last und/oder Drehzahl-Signals abschätzen.
Der Rohmasseneintrag mno1 in den Katalysator kann durch ein Modell abgeschätzt werden. So kann durch Prüfstandsversuche die Stickoxid-Rohemission des Motors ohne Abgasnachbehandlungsmaßnahmen für einen Motor einer Baureihe ermittelt werden, in Kennfeldern gespeichert werden und für eine Modellierung im späteren Betrieb anderer Motoren dieser Baureihe verwendet werden.
Der Quotient mno2/mno1 bzw der Quotient der Integrale dieser Größen ist ein Maß für die alterungsabhängige Speicherfähigkeit des Katalysators. Bei einem guten Speicherkatalysator ist der Quotient idealerweise gleich Null. Mit zunehmender Alterung nähert er sich dem Wert Eins, bei dem die Gleichheit der Ein- und Ausgangsemissionen einen völligen Ausfall der Konvertierungsfähigkeit signalisiert. Durch einen vorbestimmten Grenzwert, der sich an der Erfüllung gesetzgeberischer Normen orientiert, kann zwischen guten und ungenügenden Katalysatoren unterschieden werden.
Die Berechnung der Größen findet nur bei Schichtbetrieb statt, ist jedoch ansonsten betriebspunktunabhängig. Schichtbetrieb ist der Betrieb mit geschichteter Ladung im Zylinder. Darunter wird eine räumlich inhomogene Kraftstoff/Luft-Gemischzusammensetzung im Zylinder verstanden. Bspw. ist das Gemisch im Bereich der Zündkerze fett, um eine sichere Zündung zu gewährleisten und in anderen Bereichen mager, um den Verbrauch zu reduzieren. Im Mittel ist das Gemisch im Schichtbetrieb mager (1<Lambda<ca. 3). Davon wird der Betrieb mit homogener Gemischverteilung unterschieden, der bspw. hohe Leistung liefert.
Die Integralbildung geht mit dem Vorteil einer sehr geringen Empfindlichkeit in Bezug auf Störungen, bspw. Sensorsignaländerungen oder NOx-Rohmassenänderungen einher und stellt damit ein vorteilhaft robustes Verfahren dar. Außerdem wird die Modellbildung durch die Beschränkung auf den Rohmasseneintrag von NOx in den Katalysator minimiert, was ebenfalls zu der Robustheit des Verfahrens beiträgt.
Weiterhin kann aus dem Rohmasseneintrag die Beladung, d. h. der Füllungsgrad unter der Prämisse eines funktionsfähigen Katalysators berechnet werden. Wie weiter oben bereits beschrieben wurde, sinkt die Speicherfähigkeit mit zunehmender Beladung. Demzufolge steigt die NOx-Emission hinter dem Katalysator mit zunehmender Beladung an. Ein Plausibilitätsvergleich zwischen der berechneten Beladung und der gemessenen NOx-Konzentration hinter dem Katalysator ist daher ebenfalls zur Diagnose verwendbar.
Wenn die NOx-Konzentration ein bzgl der berechneten Beladung plausibles Maß übersteigt, ist der Katalysator defekt.
Gemeinsam ist allen Beispielen die Verwendung des Nox- Sensors hinter dem Kat zur Diagnose. Aus dessen Signal wird eine charakteristische Größe der Nox-Konzentration hinter dem Katalysator abgeleitet.

Claims (12)

1. Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines NOx-Speicherkatalysators, dem Abgas von einem Verbrennungsprozeß zugeführt wird mit einem in Strömungsrichtung hinter dem NOx-Speicher angeordneten NOx-Sensor, wobei das Abgas in ersten Phasen so beeinflußt wird, daß es mehr NOx enthält als in zweiten Phasen und wobei das Abgas in den zweiten Phasen so beeinflußt wird, daß es Reduktionsmittel enthält und wobei ein wiederholter Wechsel von der ersten zur zweiten Phase erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsfähigkeit des NOx-Katalysators auf der Basis des Signals des NOx-Sensors beurteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Größe, die den zeitlichen Verlauf des Signals des NOx-Sensors bei neuem Katalysator repräsentiert, erfaßt und gespeichert wird, daß die Erfassung der wenigstens einen Größe zu späteren Zeitpunkten wiederholt wird, daß Abweichungen zwischen den zu den verschiedenen Zeitpunkten erfaßten Größen ermittelt werden und dass der Katalysator als defekt gewertet wird, wenn wenigstens eine Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Größe, die den zeitlichen Verlauf des Signals des NOx- Sensors repräsentiert, die Steigung des genannten Signals ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert durch Addition eines Offsetwertes zur wenigstens einen Größe, die den zeitlichen Verlauf des Signals des NOx-Sensors bei neuem Katalysator repräsentiert, ermittelt wird oder daß der Grenzwert als Produkt eines Faktors mit der genannten wenigstens einen Größe ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Größe, die den zeitlichen Verlauf des Signals des NOx-Sensors bei einem Referenzkatalysator repräsentiert, aus Betriebsparametern des Motors, fakultativ ergänzt durch Betriebsparameter des Katalysators, modelliert wird, daß die genannte wenigstens eine Größe im Betrieb des Motors erfaßt wird, daß Abweichungen zwischen der modellierten und der erfaßten Größe gebildet werden und daß der Katalysator als defekt gewertet wird, wenn wenigstens eine Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung getrennt für Speicher- und Regenerationsphasen bestimmt oder auch als Mittelwert der Steigungen in beiden Phasen über eine oder mehrere Perioden des Speicherns und Regenerierens bestimmt und ausgewertet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Steigung die Länge einer oder mehrerer Speicher- oder Regenerationsphasen, die Periodendauer des Speicher/Regenerationszyklusses oder die Frequenz der periodischen NOx-Konzentrationsschwingung verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Regenerationsphase erfaßt wird, mit einem Schwellwert verglichen wird und daß der Katalysator bei Überschreitung des Schwellwertes als defekt gewertet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Füllungszustand des Katalysators mit Stickoxiden aus Betriebsparametern des Motors und fakultativ aus Betriebsparametern des Katalysators modelliert wird, daß ein Erwartungswert für die NOx- Konzentration hinter dem Katalysator aus dem modellierten Füllungszustand gebildet wird und mit der hinter dem Katalysator erfaßten NOx-Konzentration verglichen wird und daß der Katalysator dann als defekt gewertet wird, wenn wenigstens eine Abweichung zwischen dem Erwartungswert und dem erfaßten Wert einen Schwellwert übersteigt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß ein NOx-Massenstrom (dmNO2/dt) aus dem Speicher heraus berechnet wird, daß ein NOx-Massenstrom dmNO1/dt in den Katalysator hinein bestimmt wird, daß der Katalysator als defekt gewertet wird, wenn sich beide Massenströme nicht hinreichend voneinander unterscheiden.
11. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient beider Massenströme gebildet wird und daß der Katalysator als defekt gilt, wenn der Quotient um weniger als ein vorbestimmtes Maß vom Wert 1 abweicht.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Integrale der Massenströme gebildet werden und der Katalysator als defekt gilt, wenn sich die Integrale beider Massenströme nicht hinreichend voneinander unterscheiden.
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