Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und Über
prüfen eines NOx-Speicherreduktionskatalysators einer Mager-
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Um den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen mit ottomoto
rischem Antrieb weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger
Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die zumindest in ausgewähl
ten Betriebsbereichen mit magerem Gemisch betrieben werden.
Zur Erfüllung der geforderten Abgasemissionsgrenzwerte ist
bei solchen Mager-Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgas
nachbehandlung notwendig. Dazu werden NOx-Speicherreduktions
katalysatoren, im folgenden vereinfacht als NOx-Speicher
katalysatoren bezeichnet, verwendet.
Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschich
tung in der Lage, während einer Speicherphase, auch als Bela
dungsphase bezeichnet, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu ad
sorbieren, die bei magerer Verbrennung entstehen. Während ei
ner Regenerationsphase werden die adsorbierten bzw. gespei
cherten NOx-Verbindungen unter Zugabe eines Reduktionsmittels
in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Als Reduktionsmit
tel für magerbetriebene Otto-Brennkraftmaschinen können CO,
H2 und HC (Kohlenwasserstoffe) verwendet werden. Diese werden
durch kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem
fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator als
Abgaskomponenten zur Verfügung gestellt, wodurch die gespei
cherten NOx-Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.
Solche NOx-Speicherkatalysatoren werden also zyklisch beladen
bzw. entladen. Die Beladung erfolgt dabei maximal bis zur
Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators. Diese Spei
cherkapazität unterliegt, bedingt durch unterschiedlichste
Einflüsse wie z. B. thermische Alterung oder Verschwefelung,
einer Verschlechterung über der Betriebsdauer der Brennkraft
maschine.
Wird die aktuelle Speicherkapazität des katalytischen Konver
ters in geeigneter Weise erfasst, kann darauf aufbauend so
wohl eine optimale Anpassung der Katalysatorsteuerung (z. B.
Dauer der Speicher- bzw. Regenerationsphasen, Einleitung ei
ner Desulfatisierungsphase, Übergang zum stöchiometrischen
Motorbetrieb) in Hinblick auf Emissionsverhalten und Kraft
stoffverbrauch als auch gegebenenfalls eine Fehleranzeige in
Hinblick auf die Funktionstüchtigkeit der Abgasanlage durch
geführt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren anzugeben, das unter Berücksichtigung des Alterungszu
standes des NOx-Speicherkatalysators eine optimale Steuerung
und Beurteilung hinsichtlich der Aktivität des NOx-
Speicherkatalysator ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Die aktuelle Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators
wird aus der gespeicherten Menge an NOx und dem zugehörigen
Beladungsgrad des NOx-Speicherkatalysators unter Verwendung
des Signals eines stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators
angeordneten, die Konzentration mindestens einer Abgaskompo
nente erfassenden Meßaufnehmers berechnet. Daraus wird ein
Alterungsfaktor für den NOx-Speicherkatalysator abgeleitet,
der die aktuelle, durch äußere Einflüsse verringerte Spei
cherkapazität des NOx-Speicherkatalysators beschreibt. Der
Alterungsfaktor wird zeitlich nacheinander mit einer Mehrzahl
von Schwellenwerten unterschiedlicher Höhe verglichen, wobei
die Höhe der Schwellenwerte mit zunehmender Laufstrecke des
NOx-Speicherkatalysators abnimmt. Bei Unterschreiten der je
weiligen Schwellenwerte werden verschiedene Betriebsstrategi
en für den NOx-Speicherkatalysator und/oder der Brennkraftma
schine eingeleitet.
Von Vorteil bei Verwendung dieser Strategie ist, daß der Kon
verter nicht ausgewechselt werden muß, wenn seine NOx-
Speicherfähigkeit irreversibel unter einen Minimalwert gesun
ken ist, sondern daß die Betriebsart der Brennkraftmaschine
dem Zustand des NOx-Speicherkatalysators angepaßt wird.
Weiterhin ist von Vorteil, daß bei aktiver Desulfatisierung
des NOx-Speicherkatalysators die Berechnung des Speicherkapa
zitätsinkrements neben der Abhängigkeit von der Konvertertem
peratur und dem aktuellen Luft-Kraftstoffverhältnis die Ab
hängigkeit vom aktuellen Wert des Alterungsfaktors berück
sichtigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi
ne mit einer NOx-Abgasnachbehandlunganlage,
Fig. 2 einen Ablaufplan zur Auswertung des Alterungsfaktors,
Fig. 3 ein Diagramm, das einen Verlauf des Alterungsfaktors
in Abhängigkeit der Laufstrecke des NOx-Speicherkata
lysators zeigt,
Fig. 4 ein Diagramm, das den Verlauf des Alterungsfaktor
über der Laufstrecke und die daraus abgeleitete Be
triebsstrategie im Magerbetrieb der Brennkraftmaschi
ne zeigt.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine Mager-
Brennkraftmaschine mit einer NOx-Abgasnachbehandlungsanlage
gezeigt, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet
wird. Dabei sind nur die Komponenten dargestellt, die zum
Verständnis der Erfindung nötig sind.
Der Mager-Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal
11 ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt. Im Ansaugkanal 11
sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen nach
einander ein Lastsensor in Form eines Luftmassenmessers 12,
ein Drosselklappenblock 13 mit einer Drosselklappe 14 und ei
nem nicht dargestellten Drosselklappensensor zur Erfassung
des Öffnungswinkels der Drosselklappe 14 und entsprechend der
Zylinderanzahl ein Satz Einspritzventile 15 vorgesehen, von
denen nur eines gezeigt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist aber auch bei einem System anwendbar, bei der der Kraft
stoff direkt in die jeweiligen Zylinder eingespritzt wird
(Direkteinspritzung).
Ausgangsseitig ist die Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgas
kanal 16 verbunden. In diesem Abgaskanal 16 ist eine Abgas
nachbehandlungsanlage für mageres Abgas vorgesehen. Sie be
steht aus einem nahe der Brennkraftmaschine 10 angeordneten
Vorkatalysator 17 (3-Wege-Katalysator) und einem in Strö
mungsrichtung des Abgases dem Vorkatalysator 17 nachgeschal
teten NOx-Speicherreduktionskatalysator 18, im folgenden ver
einfacht als NOx-Speicherkatalysator bezeichnet.
Die Sensorik für die Abgasnachbehandlungsanlage beinhaltet
einen Sauerstoffmeßaufnehmer 19 stromaufwärts des Vorkataly
sators 17, einen Temperatursensor 20 im Verbindungsrohr zwi
schen Vorkatalysator 17 und NOx-Speicherkatalysator 18 nahe
am Eintrittsbereich desselben und einen weiteren Sauerstoff
meßaufnehmer 21 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 18.
Anstelle des Temperatursensors 20, der die Abgastemperatur
erfasst und aus dessen Signal mittels eines Temperaturmodells
die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 18 berechnet wer
den kann, ist es auch möglich die NOx-Speicherkatalysator
temperatur unmittelbar zu messen. In der Fig. 1 ist mit
strichlinierter Linie ein solcher Temperatursensor 201 einge
zeichnet, der die Monolithtemperatur des NOx-Speicherkataly
sators 18 direkt mißt.
Die Berechnung bzw. die Messung der Temperatur des NOx-
Speicherkatalysators 18 ist zur verbrauchs- und emissionsop
timalen Steuerung des Systems erforderlich. Basierend auf
diesem Temperatursignal werden auch Katalysatorheiz- bzw. Ka
talysatorschutzmaßnahmen eingeleitet oder unterdrückt.
Als Sauerstoffmeßaufnehmer 19 wird vorzugsweise eine Breit
band-Lambdasonde eingesetzt, welche in Abhängigkeit des Sau
erstoffgehaltes im Abgas ein stetiges, z. B. lineares Aus
gangssignal abgibt. Mit dem Signal dieser Breitband-Lambda
sonde wird die Luftzahl während des Magerbetriebes und wäh
rend der Regenerationsphase mit fetten Gemisch entsprechend
der Sollwertvorgaben eingeregelt. Diese Funktion übernimmt
eine an sich bekannte Lambdaregelungseinrichtung 22, die vor
zugsweise in eine den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 steu
ernde Steuerungseinrichtung 23 integriert ist.
Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen, die in der Re
gel einen Mikroprozessor beinhalten und die neben der Kraft
stoffeinspritzung und der Zündung noch eine Vielzahl weiterer
Steuer- und Regelaufgaben, u. a. auch die Steuerung der Abgas
nachbehandlungsanlage übernehmen, sind an sich bekannt, so
daß im folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfin
dung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen
wird. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung 23 mit einer
Speichereinrichtung 24 verbunden, in dem u. a. verschiedene
Kennlinien bzw. Kennfelder und Schwellenwerte SW1-SW3, SWO
gespeichert sind, deren jeweilige Bedeutung anhand der Be
schreibung der nachfolgenden Figuren noch näher erläutert
wird. Die Speichereinrichtung umfasst ferner einen Fehler
speicher 25, dem eine Fehleranzeigevorrichtung 26 zugeordnet
ist. Die Fehleranzeigevorrichtung 26 ist vorzugsweise als
Fehlerlampe (MIL, malfunction indication lamp) realisiert.
Ein Temperatursensor 29 erfasst ein der Temperatur der Brenn
kraftmaschine entsprechendes Signal, beispielsweise über eine
Messung der Kühlmitteltemperatur. Die Drehzahl der Brenn
kraftmaschine wird mit Hilfe eines Markierungen der Kurbel
welle oder eines mit ihr verbundenen Geberrades abtastenden
Sensors 30 erfasst.
Das Ausgangssignal des Luftmassenmessers 12 und die Signale
des Drosselklappensensors, der Sauerstoffmeßaufnehmer 19, 21,
der Temperatursensoren 20, 29, und des Drehzahlsensors 30
werden über entsprechende Verbindungsleitungen der Steue
rungseinrichtung 23 zugeführt.
Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die
Steuerungseinrichtung 23 außer mit einer Zündeinrichtung 27
für das Luft-Kraftstoffgemisch über eine nur schematisch dar
gestellte Daten- und Steuerleitung 28 noch mit weiteren,
nicht explizit dargestellten Sensoren und Aktoren verbunden.
Zur Regelung des Kraftstoff-/Luftgemisches der Brennkraftma
schine im optimalen Lambda-Fenster während des stöchiometri
schen Betriebs ist das Signal des nach dem NOx-Speicherkata
lysator 18 angeordneten Sauerstoffmeßaufnehmers 21 als Füh
rungssonde erforderlich. Als Sauerstoffmeßaufnehmer 21 dient
beispielsweise eine binäre Lambdasonde (2-Punkt-Lambdasonde)
auf der Basis von Zirkonoxid ZrO2, die bei einem Lambdawert
λ = 1 bezüglich ihres Ausgangssignales eine Sprungcharakteri
stik aufweist. Dieses Sondensignal der nach dem NOx-
Speicherkatalysator 18 angeordneten Lambdasonde wird auch zur
Steuerung der Speicherregeneration und zur Adaption von Mo
dellgrößen wie z. B. der Sauerstoff- bzw. NOx-Speicherkapa
zität des NOx-Speicherkatalysators 18, sowie zum Erfassen des
Alterungszustandes des NOx-Speicherkatalysators 18 einge
setzt.
Anstelle einer binären Lambdasonde kann jeder Sensor verwen
det werden, dessen Ausgangssignal einen Rückschluß auf einen
Wechsel von magerer zu fetter Abgaszusammensetzung und umge
kehrt stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 18 zuläßt.
Insbesondere kann ein HC-Sensor oder ein NOx-Sensor einge
setzt werden.
Die Erfassung des Alterungszustandes des NOx-Speicherkata
lysators 18 erfolgt mittels des stromabwärts des NOx-
Speicherkatalysators 18 angeordneten Sensors 21 durch Auswer
ten seines Ausgangssignals.
Der Alterungszustand des NOx-Speicherkatalysators soll durch
einen Alterungsfaktor ausgedrückt werden. Dieser Alterungs
faktor beschreibt die aktuelle, durch Alterungseinflüsse ver
ringerte Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators. Er
erfasst Verschlechterungen der Speiche rkapazität sowohl auf
grund von Sulfatbildung durch den im Kraftstoff enthaltenen
Schwefel, als auch aufgrund von Alterungseffekten. Für die
weiteren Ausführungen wird angenommen, daß ein hoher Wert
dieses Alterungsfaktors einem neuwertigen Konverter ent
spricht, ein niedriger Wert dieses Alterungsfaktors ent
spricht einem NOx-Speicherkatalysator in gealtertem Zustand.
Es ist jedoch auch eine umgekehrte Skalierung vorstellbar.
In der deutschen Patentanmeldung P 198 23 921.1 derselben An
melderin ist ein Verfahren beschrieben, wie man sowohl aus
den Signalen eines stromabwärts eines NOx-
Speicherkatalysators angeordneten Sauerstoffmeßaufnehmers,
als auch eines NOx-Meßaufnehmers die aktuelle Speicherkapazi
tät des Nox-Speicherkatalysators bestimmen kann und daraus
auf dessen Wirkungsgrad und Funktionstüchtigkeit schließen
kann.
Anhand des Ablaufplanes gemäß der Fig. 2 wird erläutert, wie
der Alterungsfaktor AF zur Steuerung und Diagnose des NOx-
Speicherkatalysators 18 ausgewertet wird.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird überprüft, ob der
Alterungsfaktor AF einen ersten Schwellenwert SW1 unter
schreitet. Ist dies der Fall, so wird im Verfahrensschritt S2
eine Desulfatisierungsphase angefordert, andernfalls wieder
zum Verfahrensschritt S1 verzweigt. Rann diese Desulfatisie
rung nicht realisiert werden, z. B. aufgrund Nichterreichen
des zur Desulfatisierung nötigen Temperaturniveaus des NOx-
Speicherkatalysators 18 und sinkt der Alterungsfaktor AF wei
ter ab, wird ab Unterschreitung eines weiteren Schwellenwer
tes SW2 (Abfrage in Verfahrensschritt S3) zum Erreichen des
zur Desulfatisierung nötigen Temperaturniveaus eine Abgastem
peraturerhöhung, z. B. durch Zündwinkelverstellung in Richtung
spät oder durch Doppeleinspritzung, verlangt
(Verfahrensschritt S4). Dadurch kann das Temperaturniveau für
die Einleitung einer Desulfatisierungsphase auch bei niedri
gerer Last der Brennkraftmaschine erreicht werden.
Die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators zum Zeitpunkt des
Aktivieren einer Abgastemperaturerhöhung
(Ausgangstemperaturniveau) ist neben der Abhängigkeit von dem
für die Desulfatisierungsvorgänge nötigen Temperaturniveau
für den NOx-Speicherkatalysator abhängig von der zu überbrüc
kenden Temperaturdifferenz bis zum Erreichen eines für die
Desulfatisierungsvorgänge nötigen Temperaturniveaus und vom
aktuellen Wert des Alterungsfaktors. Je weiter der Wert des
Alterungsfaktors AF absinkt, desto höher wird die zulässige,
zu überbrückende Temperaturdifferenz. Dieser Zusammenhang ist
in grafischer Form in der Fig. 3 dargestellt.
Kann auch das so abgesenkte Ausgangstemperaturniveau nicht
erreicht werden und sinkt der Alterungfaktor AF weiterhin ab,
so wird ab Unterschreitung eines dritten Schwellenwertes SW3
(Abfrage in Verfahrensschritt S5) der Magerbetrieb der Brenn
kraftmaschine verboten, die NOx-Speicherkapazität des NOx-
Speicherkatalysators 18 wird dann nicht mehr in Anspruch ge
nommen.
Der NOx-Speicherkatalysator 18 wird ab diesem Zeitpunkt wie
ein herkömmlicher 3-Wege-Katalysator betrieben und es erfogt
ein Fehlereintrag in den Fehlerspeicher 25 (Verfahrensschritt
S6). Die zentrale Fehleranzeigelampe wird nicht eingeschal
tet. Ein Auslesen des Fehlerspeichers ist durch geeignete
Werkzeuge möglich. Alternativ kann das Fahrzeug dann mit ei
ner Luftzahl Lambda = 1 betrieben werden oder der NOx-
Speicherkatalysator 18 kann gewechselt werden.
Wird das Kraftfahrzeug weiterhin mit stöchiometrischem Ge
misch entsprechend einer Luftzahl Lambda = 1 betrieben, wird
der NOx-Speicherkatalysator 18 weiter altern und die Sauer
stoffspeicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysator 18 sinken.
Diese Sauerstoffspeicherfähigkeit kann über bekannte Diagno
severfahren diagnostiziert werden (Verfahrensschritt S8). Ei
ne Möglichkeit zur Überprüfung der Sauerstoffspeicherfähig
keit und damit der 3-Wege-Eigenschaften des NOx-
Speicherkatalysators 18 besteht beispielsweise darin, die
Ausgangssignale der stromauf und stromabwärts des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten Sensoren auszuwerten (DE 41
40 618 A1). Unterschreitet die Sauerstoffspeicherfähigkeit
einen vorgegebenen, minimal zulässigen Schwellenwert SWO, so
wird der NOx-Speicherkatalysator 18 als nicht mehr funktions
fähig beurteilt und er muß ausgetauscht werden. In diesem
Fall wird die Fehleranzeigelampe 26 eingeschaltet.
Wird das Erreichen des für die Einleitung einer Desulfatisie
rung nötigen Temperaturniveaus erkannt und wird eine Desulfa
tisierung verlangt, wird durch geeignete Maßnahmen, bei
spielsweise durch weitere Erhöhung der Abgastemperatur oder
durch geeignete Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
eine desulfatisierende Atmosphäre im NOx-Speicherkatalysator
18 geschaffen.
Wird eine desulfatisierende Atmosphäre erkannt, wird der Wert
des Alterungsfaktors AF in geeigneter Weise angehoben. Dieses
Inkrement kann z. B. vom aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
von der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators und vom aktu
ellen Wert des Alterungsfaktors AF abhängig sein.
Ist nach einer Desulfatisierung aufgrund der Höhe des Wertes
des Alterungsfaktors AF der Magerbetrieb der Brennkraftma
schine wieder zulässig, erfolgt die Korrektur des durch die
Desulfatisierung erhöhten Alterungsfaktors AF in den nächsten
Durchläufen der Alterungserfassung. Wird dabei festgestellt,
daß die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 18
aufgrund der Desulfatisierung nicht um einen verlangten Be
trag angestiegen ist, wird davon ausgegangen, daß die NOx-
Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators irreversibel
unter einen Minimalwert gesunken ist. Ab diesem Zeitpunkt
wird der Magerbetrieb verboten und weitere Desulfatisierungen
werden nicht mehr angefordert. Das Verfahren wird mit den be
reits beschriebenen Verfahrensschritten S6-S8 fortgesetzt.
Die Fig. 4 zeigt den den Verlauf des Alterungsfaktors AF
über der Laufstrecke des NOx-Speicherkatalysators und die
daraus abgeleitete Betriebsstrategie im Magerbetrieb der
Brennkraftmaschine. Auf der Ordinate dieses Diagramms ist ne
ben den einzelnen Schwellenwerten SW1-SW3 auch ein Wert AFN
eingetragen, der den Alterungsfaktor eines neuwertigen NOx-
Speicherkatalysators kennzeichnet. Zu den einzelnen Schwel
lenwerten SW1-SW3 sind die zugehörigen Zeitpunkte t1-t3 ein
getragen, an denen die oben beschriebenen Maßnahmen eingelei
tet werden.