DE19851843A1 - Verfahren zur Sulfatregeneration eines NOx-Speicherkatalysators für eine Mager-Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Sulfatregeneration eines NOx-Speicherkatalysators für eine Mager-Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung besteht in der Kombination einer Sulfatregenerationsstrategie durch Maßnahmen zum Erreichen einer für die Desulfatisierung nötigen NOx-Speicherkatalysatortemperatur mit der Strategie einer Zweipunkt-Lambdaregelung, basiernd auf einem binären Sauerstoffkonzentrationssignal (UL). Die Parameter Proportionalanteil (P_NEG, P_POS) und Integralanteil (I_NEG, I_POS) des Zweipunkt-Lambdareglers, sowie die Umschaltschwellenwerte von mager auf fett und umgekehrt (UL_MF, UL_FM) werden derart gewählt, daß die Regenerationsmittelmenge in der gewünschten Dosierung zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sulfatregeneration eines NOx-Speicherkatalysators für eine Mager-Brennkraft­ maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Um den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen mit ottomoto­ rischem Antrieb weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die in ausgewählten Be­ triebszuständen mit magerem Gemisch betrieben werden.
Um die geforderten Abgasgrenzwerte bei solchen Mager- Brennkraftmaschinen einhalten zu können, ist eine spezielle Nachbehandlung des Abgases notwendig. Dazu werden NOx- Speicherreduktionskatalysatoren, im folgenden vereinfacht als NOx-Speicherkatalysatoren bezeichnet, eingesetzt.
Die NOx-Speicherkatalysatortechnologie nutzt die Fähigkeit verschiedener basischer Oxide, wie z. B. die Oxide der Alkali- Erdalkali- oder seltene Erdemetalle, NO2 im überstöchiometri­ schen Abgas durch die Bildung von Nitraten zu speichern und diese dann unter reduzierenden Abgasbedingungen (= fettes Ab­ gas) wieder abzugeben. Durch die katalytische Aktivität rea­ giert das freigesetzte NO2 mit dem im fetten Abgas enthalte­ nen Reduktionsmittel CO und HC zu den unschädlichen Abgasbe­ standteilen CO2, N2, und H2O.
Während des Magerbetriebes der Brennkraftmaschine kommt es neben der Einspeicherung von Nitrat auch aufgrund des im Kraftstoff enthaltenen Schwefels zur Akkumulation von Sulfat. Die als NOx-Speicherkomponenten verwendeten basischen Oxide weisen eine starke Neigung zur Bildung von thermisch sehr stabilen Sulfaten auf. Abhängig vom Schwefelgehalt des Kraft­ stoffes führt dies zu einer Verringerung der NOx- Speicherkapazität sowie des Speicherwirkungsgrades, da die gebildeten Sulfate durch die Regenerationsphase für Nitrat nicht zerfallen. Um die NOx-Umsatzrate des NOx- Speicherkatalysators ausreichend hoch zu halten, ist es not­ wendig, bei Überschreiten einer bestimmten eingespeicherten Sulfatmenge, eine spezielle Sulfatregeneration durchzuführen. Die Sulfatregeneration läuft analog zur Nitratregeneration ab, jedoch bei wesentlich höherem Temperaturniveau.
In der DE 197 05 335 C1 ist ein Verfahren zur Auslösung einer Sulfatregenerationsphase für einen Speicherkatalysator be­ schrieben, bei dem in vorgegebenen Zeitpunkten eine Sulfatre­ generationsphase durchgeführt wird. Neben der Menge des abge­ speicherten Sulfates wird dabei auch die thermische Alterung des Speicherkatalysators bei der Auslösung der Sulfatregene­ ration berücksichtigt. Zur Durchführung der Regeneration wird der Speicherkatalysator auf eine Temperatur von über 600°C aufgeheizt und die Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl λ geringfügig kleiner als 1 betrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sulfatregeneration eines NOx-Speicherkatalysators für eine Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem die Bildung von Schwe­ felwasserstoff während der Regenerationsphase weitgehend ver­ mieden und der Verbrauch an Regenerationsmittel klein gehal­ ten werden kann.
Das Problem der Schwefelwasserstoffbildung resultiert im we­ sentlichen aus einem Überschuß an Regenerationsmittel, wel­ ches neben HC und CO auch Wasserstoff enthält. Eine optimale Sulfatregenerationsstrategie muß also die bereitgestellte Re­ generationsmittelmenge in geeigneter Weise dosieren. Durch die Anwendung einer Strategie ähnlich des Zweipunkt- Lambdareglers, basierend auf dem Signal einer Sprungsonde nach dem NOx-Speicherkatalysator löst dieses Problem.
Die Erfindung besteht also in der Kombination einer Sulfatre­ generationsstrategie durch Maßnahmen zum Erreichen einer für die Desulfatisierung nötigen NOx-Speicherkatalysatortempera­ tur mit der Strategie einer Zweipunkt-Lambdaregelung, basie­ rend auf einem binären Sauerstoffkonzentrationssignal. Die Parameter (Proportional- und Integralanteil) des Zweipunkt- Lambdareglers, sowie die Umschaltschwellenwerte von mager auf fett und umgekehrt werden derart gewählt, daß die Regenerati­ onsmittelmenge in der gewünschten Dosierung zur Verfügung ge­ stellt wird.
Resultat einer solchen Regelung ist es, daß man eine Modula­ tion des Luftzahlwertes stromaufwärts des NOx- Speicherkatalysators erhält und die Frequenz und die Amplitu­ de dieser Luftzahlschwingung mit den genannten Parametern in einem festen Zusammenhang stehen. Die Parameter ermöglichen es also, die Luftzahlmodulation in geeigneter Weise darzu­ stellen, d. h. mit der richtigen Frequenz, Amplitude und Lambdareglermittellage mit dem Effekt, daß die Bildung von Schwefelwasserstoff weitgehend vermieden wird.
Dieses Verfahren gewährleistet somit eine verbrauchs- und emissionsoptimale Sulfatregeneration des NOx- Speicherkatalysators.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mager- Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals der strom­ abwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten binären Lambdasonde und
Fig. 3 die Ausgangsgröße des Zweipunkt-Lambdareglers.
Die Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Mager- Brennkraftmaschine mit einer NOx-Abgasnachbehandlungsanlage, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Dabei sind nur die Teile dargestellt, die zum Verständnis der Er­ findung nötig sind.
Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 11 ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt. Im Ansaugkanal 11 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen nacheinander ein Luftmassenmesser 12, ein Drosselklappenblock 13 mit einer Drosselklappe 14 und einem nicht dargestellten Drosselklap­ pensensor zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 14 und entsprechend der Zylinderanzahl ein Satz Einspritzven­ tile 15 vorgesehen, von denen nur eines gezeigt ist. Das er­ findungsgemäße Verfahren ist aber auch bei einer Brennkraft­ maschine anwendbar, bei der der Kraftstoff direkt in die je­ weiligen 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 3-Wege-Katalysator 17, auch als Vorkatalysator bezeichnet und einem in Strömungsrichtung des Abgases dem Vorkatalysator 17 nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 18.
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 berechnet werden 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 mißt.
Desweiteren kann die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 18 über ein Abgastemperaturmodell bestimmt werden, mit dessen Hilfe aus Eingangsgrößen, welche die Abgastemperatur direkt oder indirekt beeinflussen, wie Drehzahl, Last, Zündwinkel, Luftzahl, Abgasrückführrate, Ansauglufttemperatur, Kühlmit­ teltemperatur der Brennkraftmaschine die Temperatur des NOx- Speicherkatalysators 18 modelliert wird. Dadurch kann auf den Einsatz des Temperatursensors 20 verzichtet werden.
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 19 wird die Luftzahl während des Magerbetriebes und während der Regenerationsphase mit fettem Gemisch entspre­ chend der Sollwertvorgaben geregelt. Diese Funktion übernimmt eine an sich bekannte Lambdaregelungseinrichtung 22 mit ei­ nem, ein PI-Verhalten aufweisenden Lambdaregler 221. Vorzugs­ weise ist die Lambdaregelungseinrichtung 22 in eine, den Be­ trieb der Brennkraftmaschine 10 steuernde Steuerungseinrich­ tung 23 integriert.
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 gespeichert sind.
Das Ausgangssignal des Luftmassenmessers 12 und die Signale des Drosselklappensensors, der Sauerstoffmeßaufnehmer 19, 21, des Temperatursensors 20 werden über entsprechende Verbin­ dungsleitungen der Steuerungseinrichtung 23 zugeführt.
Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 23 außer mit einer Zündeinrichtung 25 für das Luft-Kraftstoffgemisch über eine nur schematisch dar­ gestellte Daten - und Steuerleitung 26 noch mit weiteren, nicht explizit dargestellten Sensoren z. B. für Drehzahl und Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine sowie mit weite­ ren 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 vorzugsweise 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 NOx-Speicherregeneration, Sulfatregeneration und zur Adaption von Modellgrößen wie z. B. der Sauerstoff- bzw. NOx-Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 18 eingesetzt.
Als Sauerstoffmeßaufnehmer 21 stromabwärts des NOx- Speicherkatalysator 18 eignen sich aber auch andere Sensoren, beispielsweise ein NOx-Sensor, der ein binäres Signal abgibt, aus dem man auf eine fette oder magere Abgaszusammensetzung schließen kann.
Der Auslösezeitpunkt für eine Sulfatregeneration wird z. B. über eine Modellrechnung bekannter Art ermittelt. Wird fest­ gestellt, daß der NOx-Speicherkatalysator nach erfolgter NOx- Regeneration weniger NOx speichern kann, als die Modellrech­ nung ergibt, so liegt dies in erster Linie in der Einlagerung von Sulfaten begründet. Die thermisch sehr stabilen Sulfate lassen sich bei höheren Temperaturen als denen bei der Ni­ tratregeneration unter Zugabe der gleichen Regenerationsmit­ tel wie bei der Nitratregeneration zersetzen. Durch die Desulfatisierung erhält man wieder annähernd die Ausgangs­ speicherfähigkeit für NOx.
Wird eine Desulfatisierung angefordert und ist das dafür not­ wendige Temperaturniveau noch nicht erreicht, so wird durch aktive Aufheizmaßnahmen der NOx-Speicherkatalysator 18 auf einen Temperaturwert von typisch über 600°C aufgeheizt. Die­ ser Wert ist in erster Linie abhängig von der Beschichtung des Monolithen des NOx-Speicherkatalysators 18.
Eine solche zusätzliche Temperaturerhöhung kann durch bekann­ te Maßnahmen, wie Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät, fettes Gemisch in Verbindung mit Sekundärlufteinblasung in den Abgastrakt oder mageres Gemisch verbunden mit einem späten Einspritzbeginnwinkel bei einem Direkteinspritzsystem erreicht werden. Ist ein für die Desulfatisierung notwendiges Temperaturniveau erreicht, was beispielsweise durch Auswerten des Signals des Temperatursensors 20 und Vergleichen dieses Wertes mit einem vorgegebenen, im Speicher 24 abgelegten Schwellenwertes TS detektiert werden kann, wird die Brenn­ kraftmaschine mit einem fettem Luft-Kraftstoffgemisch betrie­ ben. Vorzugsweise wird eine Luftzahl eingestellt, die im Be­ reich zwischen λ = 0,96-0,99 liegt. Man benötigt fettes Ge­ misch, um das Regenerationsmittel zur Verfügung zu stellen. Wie die Luftzahl zur Sulfatregeneration des NOx- Speicherkatalysators und damit die Reduktionsmittelmenge ein­ gestellt werden kann, so daß während der Sulfatregenerierung die Bildung von Schwefelwasserstoff weitgehend vermieden wird, wird anhand der Fig. 2 und 3 erläutert.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals, in diesem Fall die Ausgangsspannung UL der stromabwärts des NOx- Speicherkatalysators 18 angeordneten, binären Lambdasonde 21 (Sprungsonde auf ZrO2-Basis) dargestellt. Die elektrische Be­ schaltung dieser binären Lambdasonde ist dabei so, daß bei Sauerstoffüberschuß im Abgas (Magerbetrieb) der Wert der Aus­ gangsspannung niedriger ist als der Wert bei Sauerstoffmangel (Fettbetrieb). Es ist aber auch eine umgekehrte Zuordnung zwischen Sauerstoffkonzentration und Ausgangsspannung mög­ lich. Mit UL_FM ist der Schwellenwert für die Umschaltung von fett nach mager, mit UL_MF ist der Schwellenwert für die Um­ schaltung von mager nach fett bezeichnet. Die maximale Aus­ gangsspannung, auch als Fettspannung UL_F und die minimale Ausgangsspannung, auch als Magerspannung UL_M bezeichnet, sind ebenfalls eingezeichnet.
Die Fig. 3 zeigt die Ausgangsgröße des Zweipunkt- Lambdareglers 221. Mit P_POS ist der positive Proportionalan­ teil, mit P_NEG der negative Proportionalanteil, mit I_POS der positive Integralanteil und mit I_NEG der negative Inte­ gralanteil bezeichnet.
Die Parameter, welche zur Einstellung der Regenerationsmit­ telmenge während der Desulfatisierungsphase beeinflußt werden können, sind:
  • - Umschaltschwellen UL_MF, IL_FM von mager nach fett bzw. fett nach mager
  • - Proportionalanteile P_POS bzw. P_NEG zur Vorgabe eines Lambda-Sollwertes im Brennraum
  • - Integralanteile I_POS bzw. I_NEG zur Vorgabe eines Lambda-Sollwertes im Brennraum)
Der Lambdasollwert kann zusätzlich durch das Ausgangssignal der Breitband-Lambdasonde 19 stromaufwärts des Vorkatalysa­ tors 17 eingehalten werden, falls eine Differenz zwischen Soll- und Istwert der Luftzahl auftritt.
Die Einstellung der Lambdaregler-Mittellage über diese Para­ meter beeinflußt im wesentlichen die Regenerationsmitteldo­ sierung. Ein wesentlicher Einflußparameter für die Einstel­ lung dieser Mittellage ist die Temperatur des NOx- Speicherkatalysators. Je höher die Temperatur des Speicherka­ talysators ist, umso fetter muß der Luftzahlmittelwert ge­ wählt werden, damit eine Schädigung des NOx- Speicherkatalysators durch Sauerstoffüberschuß vermieden wird. Ein weiterer Einflußparameter für die Reglerparameter ist die Hochtemperatur-Sauerstoffspeicherkapazität des NOx- Speicherkatalysatorsystems. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit kann beispielsweise bestimmt werden, in dem die Sensorsignale der beiden Sauerstoffmeßaufnehmer 19, 21 in Beziehung gesetzt werden und eine Laufzeituntersuchung durchgeführt wird. Aus diesem Laufzeitverhalten können Rückschlüsse auf die Sauer­ stoffspeicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators getroffen werden. Je höher dieses Sauerstoffspeichervermögen ist, umso fetter soll beispielsweise der Luftzahlmittelwert eingestellt werden. In Abhängigkeit der Last und der Drehzahl können die­ se Parameter ebenfalls variiert werden. Hierzu werden die Pa­ rameter in Kennfelder KF1-KF6 der Speichereinrichtung 24 ab­ gelegt. Die variable Festlegung der Schwellenwerte UL_MF, UL_FM für die Umschaltung mager-fett und fett-mager ergibt die Möglichkeit, die Frequenz der Luftzahlschwingung zusätz­ lich zu beeinflussen.
Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, den Integralanteil des PI-Reglers zu begrenzen (in der Fig. 3 ist mit unterbroche­ ner Linie eine solche Begrenzung des negativen Integralwertes I_NEG eingezeichnet) oder den Integralanteil auf Null zu set­ zen. Dann erhält man einen Regler, der nur einen Proportio­ nalanteil aufweist und somit keinen stationären Wert mehr einregeln kann. In diesem Fall wird das Signal der stromauf­ wärts des Vorkatalysators 17 angeordneten Breitband- Lambdasonde 19 als Führungssonde verwendet, d. h. diese Sonde gibt die Lambdareglermittellage an und das Signal UL der stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 18 angeordneten bi­ nären Sonde liefert die überlagerte Schwingung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Sulfatregeneration eines NOx-Speicherkataly­ ators für eine Mager-Brennkraftmaschine, bei dem nach Anfor­ derung einer Sulfatregenerationsphase bei Erreichen eines für die Desulfatisierung nötigen Temperaturniveaus die Redukti­ onsmittelmenge zur Desulfatisierung durch Verändern von Para­ metern (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF) eines Zwei­ punkt-Lambdareglers (221) auf der Basis eines binären Sauer­ stoffkonzentrationssignals (UL) eines stromabwärts des NOx- Speicherkatalysators (18) angeordneten, binären Sauerstoff­ meßaufnehmers (21) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Reduktionsmittelmenge mindestens einer der Para­ meter Proportionalanteil (P_POS, P_NEG), Integralanteil (I_POS, I_NEG), Umschaltschwellenwert (UL_FM, UL_MF) von fet­ tem auf mageres Gemisch und umgekehrt verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Parameter (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF) der Mittelwert der Luftzahl eingestellt wird, mit dem die Brennkraftmaschine (10) während der Sulfatregenerati­ onsphase betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Luftzahl umso mehr im unterstöchiometrischen Bereich eingestellt wird, je höher die Temperatur des NOx- Speicherkatalysators (18) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Luftzahl umso mehr im unterstöchiometrischen Bereich eingestellt wird, je höher die Sauerstoffspeicherfä­ higkeit des NOx-Speicherkatalysators (18) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF) abhängig von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine in einzelnen Kennfeldern (KF1-KF6) einer Speichereinrichtung (24) einer die Brennkraftmaschine (10) steuernden Steuerein­ richtung (23) abgelegt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung des Sollwertes für den Luftzahlmittelwert das Si­ gnal einer stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators (18) angeordneten Sauerstoffmeßaufnehmers (19) herangezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralanteil (I_POS, I_NEG) auf einen vorgegebenen Wert be­ grenzt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralanteil (I_POS, I_NEG) auf Null gesetzt wird und das Signal einer stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators (18) angeordneten Sauerstoffmeßaufnehmers (19) als Führungssonde verwendet wird und den Luftzahlmittelwert bestimmt und das Signal (UL) des stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (18) angeordneten binären Sauerstoffmeßaufnehmers (21) die überlagerte Schwingung liefert.
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