DE19926305A1 - Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines NOx-Speicherkatalysators

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Abstract

Zur Regelung des Betriebes eines NOx-Speicherkatalysators (3), der sich im Abgastrakt (4) einer Brennkraftmaschine (1) befindet, wird der Einspeicherwirkungsgrad (H) abhängig von der im Abgas zugeführten NOx-Konzentration (C_NOx), dem Beladungsgrad (BG) und der Betriebstemperatur (T) des NOx-Speicherkatalysators (3) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Be­ triebs eines NOx-Speicherkatalysators.
Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen wei­ ter zu reduzieren, kommen Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung immer häufiger zum Einsatz. Bei Otto-Brennkraft­ maschinen mit magerer Verbrennung wird der Luftüberschuß so groß gewählt, wie es die Lastanforderung an die Brennkraft­ maschine gestattet. Bei geringer Lastanforderung, z. B. bei geringem Drehmoment oder geringer bzw. fehlender Beschleuni­ gung, kann in einem Schichtlade-Betrieb das Kraftstoff/Luft- Gemisch, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Lambda-Werte von 3 und mehr aufweisen.
Zur Erfüllung der geforderten Abgasemissionsgrenzwerte ist bei solchen Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgasnachbe­ handlung notwendig. Dazu werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet. Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ih­ rer Beschichtung in der Lage, NOx-Verbindungen aus dem Abgas, die bei magerer Verbrennung entstehen, in einer Speicherphase zu adsorbieren. Während einer Regenerationsphase werden die adsorbierten bzw. gespeicherten NOx-Verbindungen unter Zugabe eines Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umgewan­ delt. Als Reduktionsmittel für magerbetriebene Otto- Brennkraftmaschinen können CO, H2 und HC (Kohlenwasserstoffe) verwendet werden. Diese werden durch kurzzeitiges Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator als Abgaskomponenten zur Verfü­ gung gestellt, wodurch die gespeicherten NOx-Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.
Um die Dauer der Speicherphasen, d. h. der Magerphasen, und der Regenerationsphasen, d. h. der Fettphasen, zu optimieren, wird die NOx-Beladung des Speicherkatalysators modelliert. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 597 106 A1 bekannt. Durch diese Modellierung kann in der Magerphase der NOx-Speicherstrom, d. h. die pro Zeiteinheit eingespei­ cherte NOx-Menge berechnet werden. Dieser Speicherstrom hängt von der NOx-Emission der Brennkraftmaschine, dem Speicherver­ halten und dem Konvertierungsverhalten des NOx- Speicherkatalysators im mageren ab.
Zum Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators, d. h. für die Wahl der Betriebsparameter für die Brennkraftmaschine und der Dau­ er der Mager- bzw. der Fettphasen ist die Kenntnis des Ein­ speicherungsverhaltens des NOx-Speicherkatalysators aus zwei Gründen wesentlich:
  • a) Die modellbasiert berechnet eingespeicherte NOx-Menge wird durch das Einspeicherungsverhalten beeinflußt.
  • b) In der Speicherphase leckt ein bestimmter NOx-Anteil durch den NOx-Speicherkatalysator. Die Höhe dieses Leckstromes hängt vom Einspeicherungsverhalten des NOx- Speicherkatalysators ab.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren zur Steuerung des Betriebs eines NOx-Speicherkatalysators anzugeben, bei dem das unterschiedliche Einspeicherungsver­ halten des NOx-Speicherkatalysators Berücksichtigung findet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Einspeicherwirkungsgrad berechnet, der das Einspeicherungsverhalten des NOx-Speicherkatalysators abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine wieder­ gibt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird berück­ sichtigt, daß im Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators die Kohlenwasserstoffkonzentration vor dem NOx- Speicherkatalysator den Einspeicherwirkungsgrad verringert. Deshalb wird für NOx-Speicherkatalysatoren, denen ein Vorka­ talysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen vorgeschaltet ist, ein Alterungsfaktor für den Vorkatalysator ermittelt, der dessen Oxidationsverhalten ausdrückt. Dieser Alterungs­ faktor wird zusammen mit der Betriebstemperatur des NOx- Speicherkatalysators, die weiter Einfluß auf dessen Einspei­ cherwirkungsgrad hat, zu einem Korrekturwert verknüpft, der bei der Berechnung des Einspeicherwirkungsgrades berücksich­ tigt wird. Diese quantitative Verknüpfung führt zu einem ver­ besserten Wert für den Einspeicherwirkungsgrad, der die Ver­ hältnisse in der Abgasreinigungsanlage einer gegebenen Brenn­ kraftmaschine genauer wiederspiegelt. Damit kann man die je­ weilige Abgasanlage im Betrieb weiter hinsichtlich Verbrauch und Emissionen optimieren.
Einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß ein bestimmter Alterungszustand des Vorkatalysa­ tors, einhergehend mit einem bestimmten Alterungsfaktor im unteren und oberen Betriebstemperaturbereich des NOx- Speicherkatalysators einen wesentlich stärkeren Einfluß auf den Einspeicherwirkungsgrad hat als im mittleren Betriebstem­ peraturbereich, in dem der NOx-Speicherkatalysator per se ei­ nen höheren Einspeicherwirkungsgrad zeigt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Bestimmung des Einspeicher­ wirkungsgrades,
Fig. 2 ein Diagramm mit Kurven zur Erläuterung des Ein­ speicherwirkungsgrades,
Fig. 3 ein Diagramm mit der Temperaturabhängigkeit des Einspeicherwirkungsgrades,
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Steuerung des Katalysator­ betriebes,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Vorkatalysator und NOx-Speicherkatalysator.
Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Korrektur des Einspeicher­ wirkungsgrades.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb des Abgas­ nachbehandlungssystems einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine, wie sie schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei sind nur die Teile und Komponenten in der Figur enthalten, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Der mit Luftüberschuß erfolgende, d. h. magere Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird von einem Betriebssteuergerät 2 geregelt. Im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 befindet sich ein NOx-Speicherkatalysator 3. Stromab dieses NOx- Speicherkatalysators ist ein Meßaufnehmer 5 vorgesehen, des­ sen Signal vom Betriebssteuergerät 2 eingelesen wird. Der Meßaufnehmer 5 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Der Meßaufnehmer 5 kann die NOx-Konzentration oder ein von der Sauerstoff-Konzentration abhängiges Signal anzeigen. Stromauf des NOx-Speicherkatalysators 3 befindet sich ein Vorkatalysa­ tor 6, der von der Brennkraftmaschine emittierte Kohlenwas­ serstoffe oxidiert.
Der Betrieb des NOx-Speicherkatalysators 3 erfolgt nach dem im Blockschaltbild der Fig. 3 dargestellten Schema folgender­ maßen: Abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wird die NOx-Konzentration C_NOx im Rohabgas bestimmt. Dazu werden die Betriebsparameter P1 bis Pn in ein Kennfeld 7 ein­ gegeben, in dem die aus Prüfstandsversuchen ermittelte NOx- Konzentration C_NOx über diesen Parametern P1 bis Pn aufge­ spannt ist. Aus der so ermittelten NOx-Konzentration C_NOx kann unter Berücksichtigung des Einspeicherwirkungsgrades H, dessen Bestimmung später noch erläutert wird, die in den NOx- Speicherkatalysator 3 eingetragene Menge bestimmt und daraus die eingespeicherte Menge Σ(t) z. B. nach folgender Gleichung ermittelt werden
Mit Kenntnis der Speicherkapazität K des NOx-Speicher­ katalysators 3 kann aus der zum Zeitpunkt t eingespeicherten Menge Σ(t) der aktuelle Beladungsgrad BG durch BG(t) = Σ(t)/K (Block 10) bestimmt werden. Die Berechnung der Speicherkapa­ zität K ist in der Technik bekannt. Sie wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 198 23 921.1 der Anmelderin erläutert und ist deshalb in Fig. 3 durch einen Block 9 nur schematisch angedeutet. So kann die Speicherkapazität K in Regenerationsphasen der Brennkraftmaschine unter Verwendung des Signals des Meßaufnehmers 5 bestimmt werden.
Der Beladungsgrad BG des NOx-Speicherkatalysators 3 sowie die Raumgeschwindigkeit bzw. der Luftmassenstrom V des Abgases wird zusammen mit der Betriebstemperatur T, der NOx- Konzentration C_NOx, sowie einem Alterungsfaktor A des NOx- Speicherkatalysators 3 in ein Kennfeld 8 eingegeben, das den Katalysatoreinspeicherwirkungsgrad H ausgibt. Die Raumge­ schwindigkeit kann dabei deshalb durch den Luftmassenstrom V ersetzt werden, da das Katalysatorvolumen konstant ist. Die­ ses Kennfeld wurde ebenfalls durch Prüfstandsversuche ermit­ telt. Die Bestimmung des Einspeicherwirkungsgrades H ist in Fig. 1 noch einmal dargestellt. Hier wird dem Kennfeld 8 die NOx-Konzentration C_NOx, die Betriebstemperatur T, sowie der Beladungsgrad BG und der Luftmassenstrom V eingegeben, da auf den Alterungsfaktor A auch verzichtet werden kann.
Fig. 2 zeigt einige Kurven mit dem Zusammenhang zwischen Be­ ladungsgrad BG, Einspeicherwirkungsgrad H und eingespeicherte Menge Σ für verschiedene NOx-Konzentrationen C_NOx. Wie zu sehen ist, sinkt der Einspeicherwirkungsgrad H bei andauern­ der Beaufschlagung mit Abgas mit gegebener NOx-Konzentration C_NOx. Natürlich steigt in gleichem Maße die eingespeicherte Menge Σ. Je geringer die NOx-Konzentration C_NOx im Abgas ist, desto langsamer sinkt der Einspeicherwirkungsgrad H bzw. steigt die eingespeicherte Menge Σ mit dem Beladungsgrad.
Der so ermittelte Einspeicherwirkungsgrad H wird nun bei der Berechnung der eingespeicherten Menge Σ verwendet, indem er mit der NOx-Konzentration C_NOx multipliziert wird (Block 12, Fig. 3), um bei der eingespeicherten Menge Σ das Verhalten des NOx-Speicherkatalysators 3 am aktuell vorliegenden Be­ triebspunkt genauer zu berücksichtigen. Dadurch wird er­ reicht, daß der so ermittelte Wert für die eingespeicherte Menge Σ exakt die tatsächlichen Verhältnisse wiederspiegelt, wodurch die Gestaltung der Mager- und der Fettphasen im Be­ trieb der NOx-Speicherkatalysators 3 optimal erfolgen kann.
Um den Wert für die eingespeicherte Menge Σ noch exakter an die tatsächlichen Verhältnisse anzunähern, wird zusätzlich das Betriebsverhalten des Vorkatalysators 6 berücksichtigt. Dies ist in Fig. 6 näher dargestellt. Wie bereits erläutert hängt der Einspeicherwirkungsgrad H von verschiedenen Parame­ tern, wie der NOx-Konzentration C_NOx im Rohabgas, der Be­ triebstemperatur T und dem Beladungsgrad BG des NOx- Speicherkatalysators 3 ab. Eine weitere den Einspeicherwir­ kungsgrad H beeinflussende Größe ist die Kohlenwasserstoff­ konzentration im Abgas stromauf des NOx-Speicherkatalysators 3. Eine gesteigerte Kohlenwasserstoffkonzentration senkt den Einspeicherwirkungsgrad H, da bei niederen Betriebstemperatu­ ren eine Verminderung der Oxidation von NO zu NO2 auftritt, weil an Platinpartikeln des NOx-Speicherkatalysators 3 bevor­ zugt Kohlenwasserstoffe oxidiert werden. Im oberen Betriebs­ temperaturbereich entsteht durch die exotherme Oxidation der Kohlenwasserstoffe im NOx-Speicherkatalysator 3, die wie er­ wähnt bevorzugt stattfindet, zusätzlich Wärme, wodurch die Betriebstemperatur weiter ansteigt. Ab einer gewissen Be­ triebstemperatur sinkt jedoch der Einspeicherwirkungsgrad H wieder ab, wie Fig. 4 zu entnehmen ist, die den Einspeicher­ wirkungsgrad H als Funktion der Temperatur T zeigt. Durch den Einsatz des Vorkatalysators 6 erreicht man eine geringere Kohlenwasserstoffkonzentration stromauf des NOx- Speicherkatalysators 3, da die unverbrannten Kohlenwasser­ stoffe größtenteils schon im Vorkatalysator 6 oxidiert wer­ den. Somit verbessert sich der Einspeicherwirkungsgrad H des NOx-Speicherkatalysators 3.
Der Vorkatalysator 6 zeigt jedoch über die Lebensdauer kein konstantes Konvertierungsverhalten; er altert. Durch diese Alterung verändert sich auch bei ansonsten konstanten Bedin­ gungen der Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des NOx- Speicherkatalysators 3. Der Einspeicherwirkungsgrad H kann dadurch durch Berücksichtigung des Betriebsverhalten des Vor­ katalysators genauer bestimmt werden, wenn man oben erläuter­ te Effekte quantitativ berücksichtigt.
Dazu wird der Alterungszustand des Vorkatalysators 6 durch einen Vorkatalysatoralterungsfaktor AV ausgedrückt werden. Dies ist beispielsweise in der Patentschrift DE 197 14 293 C1 der Anmelderin offenbart. Dieser Vorkatalysatoralterungsfak­ tor AV beschreibt die aktuelle durch Alterungseinflüsse ver­ ringerte Kohlenwasserstoffkonvertierungsfähigkeit des Vorka­ talysators 3.
Für die weitere Ausführung wird angenommen, daß ein Wert von Eins für den Vorkatalysatoralterungsfaktor AV einem neuwerti­ gen Katalysator entspricht, ein Wert von Null einem Vorkata­ lysator 6, der an die Grenze seiner Betriebsfähigkeit geal­ tert ist. Natürlich ist auch eine andere, beispielsweise eine umgekehrte Skalierung, vorstellbar.
Da ein bestimmter Alterungszustand des Vorkatalysators 6 wie erwähnt bei am Rande des Betriebstemperaturbereichs gelegenen Betriebstemperaturen T einen stärkeren Einfluß auf den Ein­ speicherwirkungsgrad H hat, als im mittleren Betriebstempera­ turbereich, kann eine erhebliche Verbesserung des berechneten Einspeicherwirkungsgrades H erreicht werden, wenn wie folgt eine Korrektur durchgeführt wird (vgl. Fig. 6): Aus einem Kennfeld 13 wird abhängig von der Betriebstemperatur T und dem Vorkatalysatoralterungsfaktor AV ein Korrekturwert COR entnommen, der mit dem Einspeicherwirkungsgrad H verknüpft wird, so daß ein korrigierter Einspeicherwirkungsgrad H_COR erhalten wird. Diese Verknüpfung kann je nach Gestaltung des Korrekturwertes COR additiv oder multiplikativ erfolgen. Das dabei verwendete Kennfeld 13 liefert bei gegebenem Vorkataly­ satoralterungsfaktor AV für mittlere Betriebstemperaturen des NOx-Speicherkatalysators 3 jeweils maximale Werte. Mittlere Betriebstemperaturen sind diejenigen, bei denen die in Fig. 4 dargestellte Temperaturabhängigkeit des Einspeicherwirkungs­ grades H hohe Werte für den Einspeicherwirkungsgrad H nahezu konstant anzeigt.
Das Kennfeld 13 ist also nach folgenden zwei Regeln gefüllt:
  • a) Im Bereich mittlerer Betriebstemperaturen T des NOx- Speicherkatalysators 3 - mittlere Betriebstemperaturen sind diejenigen Temperaturen, bei denen die Temperaturabhängigkeit der Fig. 4 gleichmäßig hohe, annähernd 100% betragende Ein­ speicherwirkungsgrade H angibt - ist für einen gegebenen Vor­ katalysatoralterungsfaktor AV der Korrekturwert hoch.
  • b) Der Korrekturwert steigt mit zunehmendem Vorkatalysatoral­ terungsfaktor AV monoton an.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines NOx- Speicherkatalysators (3), der im Abgastrakt (4) einer mager betreibbaren Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, bei wel­ chem Verfahren
  • - die Brennkraftmaschine (1) in Speicherphasen mit einem ma­ geren Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, wodurch der NOx-Speicherkatalysator (3) NOx speichert,
  • - die Brennkraftmaschine (1) in Regenerationsphasen mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, wodurch der NOx-Speicherkatalysator (3) gespeichertes NOx katalytisch um­ setzt,
  • - in Speicherphasen ein Einspeicherwirkungsgrad (H) bestimmt wird, mit dem der NOx-Speicherkatalysator (3) im Abgas der Brennkraftmaschine (1) enthaltenes NOx speichert, und
  • - die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine(1) in den Speicher- und Regenerationsphasen, sowie die Dauer dieser Phasen abhängig vom Einspeicherwirkungsgrad (H) gewählt wer­ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspei­ cherwirkungsgrad (H) abhängig von mindestens einem der drei folgenden Parameter bestimmt wird: Beladungsgrad (BG) des NOx-Speicherkatalysators (3), Betriebstemperatur (T) des NOx- Speicherkatalysators (3), NOx-Strom im Abgas (C_NOx), das dem NOx-Speicherkatalysator (3) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspei­ cherwirkungsgrad (H) aus einem Kennfeld (8) entnommen wird, das über mindestens einem der Parameter aufgespannt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf­ wärts des NOx-Speicherkatalysators (3) ein oxidierend be­ treibbarer Vorkatalysator (6) angeordnet ist und, daß bei der Berechnung des Einspeicherwirkungsgrades (H) ein Korrektur­ wert (COR) berücksichtigt wird, der mindestens abhängig von einem Alterungsfaktor (AV) des Vorkatalysators (6) und der Betriebstemperatur des NOx-Speicherkatalysators (3) gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrek­ turwert (COR) folgendermaßen vom Alterungsfaktor (AV) des Vorkatalysators (6) und von der Betriebstemperatur (T) des NOx-Speicherkatalysators (3) abhängt:
  • - der Korrekturwert (COR) steigt monoton mit zunehmendem Al­ terungsfaktor (AV), wenn der Alterungsfaktor (AV) bei neuem Vorkatalysator (6) Null und bei vollständig gealtertem Vorka­ talysator (6) Eins beträgt, und
  • - der Korrekturwert (COR) hat bei gegebenem Alterungsfaktor (AV) einen Maximalwert für mittlere Betriebstemperaturen und sinkt zu niederen und höheren Temperaturen ab.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein multi­ plikativ mit dem Korrekturwert (COR) verknüpfter Einspeiche­ rungswirkungsgrad (H) Werte zwischen Null und Eins annimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximal­ wert bei der Betriebstemperatur zwischen 200 und 300°C er­ reicht wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrek­ turwert (COR) einem Kennfeld (13) entnommen wird.
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