DE60108441T2

DE60108441T2 - Verfahren zur Erkennung der Betriebsbereitschaft eines Katalysator für den Auspuff einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60108441T2
Application number: DE60108441T
Authority: DE
Inventors: Frederic Aguerre
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: ES2231404T3; FR2808560B1; ATE287492T1; EP1152137A1; EP1152137B1; DE60108441D1; FR2808560A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Zustands eines Katalysators, der in eine Auspuffleitung eines Benzin- oder Dieselmotors mit innerer Verbrennung integriert ist.
Die Auspuffgase von Motoren mit innerer Verbrennung, die mit einem als "mager" bezeichneten Gemisch arbeiten, d. h., mit einem Fettigkeitswert des Luft/Kraftstoff-Gemisches unterhalb des stoichiometrischen Gemisches, enthalten verschiedene Schadstoffe, deren Ausstoß in die Atmosphäre auf einen Maximalwert begrenzt werden muß.
Diese Schadstoffe werden in der Hauptsache durch Kohlenmonoxid CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NOx gebildet.
Die Gesetzgebung zu den Normen für die Umweltverschmutzung durch Kraftfahrzeuge hat die Tendenz, zunehmend strenger zu werden, so daß die oberen Grenzwerte, die in den neuen Vorschriften für den Ausstoß der verschiedenen Schadstoffe festgesetzt werden, die Tendenz haben, immer niedriger zu werden.
Um diese Vorschriften zu erfüllen, ist es bekannt, in der Auspuffleitung zwischen den Abgasstutzen des Motors und dem Schalldämpfer einen Katalysatortopf einzufügen, der zumeist durch eine Hülle aus Metall gebildet wird, die eine Struktur enthält, die mit einem Katalysatormaterial imprägniert ist, das für die durch den Katalysatortopf hindurchgehenden Auspuffgase eine sehr große Kontaktfläche bildet.
Zum Beispiel werden diese Systeme zur Abgasreinigung im Fall von Motoren, die mit einem mageren Gemisch arbeiten, im allgemeinen durch einen Katalysator von der Art einer NOx-Falle gebildet.
Diese Art von Katalysator arbeitet nicht kontinuierlich und erfordert eine bestimmte Betriebsweise des Brennkraftmotors.
Während einer ersten Phase arbeitet der Motor normalerweise mit einem mageren Gemisch, und die Stickoxide werden im Katalysator gesammelt.
Nach einer bestimmten Betriebsdauer führt jedoch eine Akkumulation von Stickoxiden im Katalysator zu einer Abnahme der Effizienz des letzteren.
Um diese Leistungsabnahme des Katalysators zu vermeiden, ist es notwendig, zu einer zweiten Phase überzugehen, die als Regenerationsphase des Katalysators bezeichnet wird. Während dieser Phase wird die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors auf einen Wert oberhalb des stoichiometrischen Gemisches geregelt, so daß die Stickoxide abnehmen und dann im Katalysator reduziert werden. Eine Sauerstoffsonde von "Ja/Nein-Typ", die hinter dem Katalysator angeordnet ist, gestattet es, das Ende dieser Regenerationsphase zu steuern.
Die bisher verfolgte Strategie ermöglicht es somit, bei einem gegebenen und bekannten Zustand des Katalysators die Kontrolle der Emissionen von Stickoxiden durch den Motor sicherzustellen.
Der Zustand des Katalysators kann sich jedoch im Laufe der Zeit ändern, und diese Änderung führt zu einer Abnahme der Leistung des Katalysators.
Der Katalysator ist nämlich empfindlich für den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel, und dieser Schwefel vermindert, wenn er sich im Katalysator ansammelt, die Speicherfähigkeit für die Stickoxide.
Außerdem altert der Katalysator, der Oxidanzien und/oder hohen Temperaturen ausgesetzt ist, im Laufe der Zeit, und seine Leistung nimmt ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, zur Feststellung von Änderungen des Zustands eines Katalysators, der in eine Auspuffleitung eines Motors mit innerer Verbrennung integriert ist.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Feststellung des Zustands eines Katalysators von der Art einer NOx-Falle, der in eine Auspuffleitung eines Brennkraftmotors integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

– während einer Zeitspanne, die größer ist als die normale Funktionsdauer der NOx-Falle, die die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors auf einem Wert unterhalb des stoichiometrischen Verhältnisses hält,
– einen Teil der Auspuffgase zur Ansaugseite des Motors zurückführt,
– die Menge der vom Motor emittierten Stickoxide erhöht, um den Katalysator zu sättigen,
– den Zustand des Katalysators darstellt,
– das Sättigungsniveau dieses Katalysators feststellt,
– sobald dieses Sättigungsniveau erreicht ist, die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors auf einen Wert oberhalb des stoichiometrischen Verhältnisses regelt, um den Katalysator zu regenerieren,
– die Fettigkeit der Auspuffgase am Ausgang des Katalysators mißt,
– und, sobald die Fettigkeit der Auspuffgase oberhalb des stoichiometrisches Verhältnisses ist, die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors auf den genannten unteren Wert dieses Gemisches regelt, um die Regeneration des Katalysators zu beenden.

Gemäß weiterer Merkmale in der Erfindung:

– erhöht man die Menge der vom Motor emittierten Stickoxide, indem man die Abgas-Rückführungsrate einstellt,
– mißt man die Fettigkeit der Auspuffgase mit Hilfe einer "Ja/Nein"-Sauerstoffsonde, die am Ausgang des Katalysators in der Auspuffleitung angeordnet ist,
– bestimmt man den Zustand des Katalysators anhand der Sättigungs- und Regenerationsbedingungen des Katalysators,
– bestimmt man die Sättigungsbedingungen des Katalysators als Funktion der Temperatur dieses Katalysators, der Stickoxidkonzentration am Ausgang des Motors und des Durchsatzes des Motors während der Sättigungsphase,
– bestimmt man die Regenerationsbedingungen des Katalysators als Funktion des Durchsatzes des Motors während der Sättigungsphase, der Ziel-Fettigkeit während dieser Phase, und der zwischen den Beginn der Regenerationsphase und dem Umkippen der Sauerstoffsonde abgelaufenen Zeit,
– läßt man zwischen dem Umkippen der Sauerstoffsonde und dem Übergang auf mageres Gemisch eine bestimmte Zeit vergehen, damit der Katalysator vollständig regeneriert wird.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, die lediglich als Beispiel gegeben wird, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Auspuffleitung eines Motors mit innerer Verbrennung, der mit einem Katalysator zur Beseitigung von Stickoxiden ausgerüstet ist;
2 Kurven, die die Umwandlungseffizienz des Katalysators als Funktion der zeit zeigen;
3 eine Kurve, die die Umwandlungseffizienz des Katalysators als Funktion der Temperatur des Materials zeigt, das den Katalysator bildet;
4 eine Kurve, die das Sättigungsniveau des Katalysators als Funktion der Zeit zeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Feststellung des Zustands eines Katalysators ist allgemein bei einem Benzin- oder Dieselmotor mit innerer Verbrennung anwendbar, der mit einem mageren Gemisch arbeitet, d. h. mit einer Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors unterhalb des stoichiometrischen Gemisches.
Als Beispiel zeigt 1 einen Motor mit vier Zylindern mit gesteuerter Zündung, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, und dem ein nicht gezeigtes Direkteinspritzungssystem zugeordnet ist, das die Injektion in die vier Zylinder 1a, 1b, 1c und 1d des Motors bewirkt.
In herkömmlicher Weise wird das Direkteinspritzsystem an jedem der Zylinder 1a, 1b, 1c und 1d des Motors 1 durch ein nicht gezeigtes System zur Versorgung mit Kraftstoff unter hohem Druck gesteuert. Der Zylinderkopf ist von ei ner Einlaßleitung 2 für Luft und einer Auspuffleitung 3 für Abgase für jeden Zylinder durchsetzt.
Die Einlaßleitungen 2 sind jeweils mit einem Einlaßverteiler 4 verbunden, der an seinem Einlaß mit einem Einlaßventil 5 versehen ist, und die Auspuffleitungen sind jeweils mit einem Auspuffkrümmer 6 verbunden, der die Auspuffgase der Zylinder 1a, 1b, 1c und 1d des Motors 1 aufnimmt.
Dieser Motor 1 ist mit einer Haupt-Auspuffleitung verbunden, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und die an einem ihrer Enden mit dem Auspuffkrümmer 6 verbunden ist und einen Vorkatalysator 11 aufweist, der unmittelbar am Ausgang des Zylinderkopfes des Motors 1 angeordnet ist.
Dieser Vorkatalysator 11 ist dazu bestimmt, das bei magerem Gemisch in den Auspuffgasen enthaltene Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, und ihm folgt ein Katalysator 12 in der Form einer NOx-Falle, d. h., einer Einrichtung zur Abgasreinigung, die es gestattet, die Stickoxide in den Auspuffgasen zu beseitigen.
Außerdem wird ein Teil der Auspuffgase zum Einlaßverteiler 4 zurückgeführt, um die Menge der von diesen Gasen emittierten Stickoxide zu verringern. Die Technik besteht somit darin, je nach Betriebsbedingungen des Motors 1 einen Teil der Auspuffgase wieder in die Brennkammern der Zylinder 1a, 1b, 1c und 1d des genannten Motors 1 zu injizieren, was den Effekt hat, daß die Menge der brennbaren Gase verringert wird und damit die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird, wodurch sich eine Abnahme der Entstehung von NOx oder Stickoxiden ergibt.
Zu diesem Zweck ist der Motor 1 mit einer Rückführungsleitung 20 ausgerüstet, die an einem ihrer Enden 20a mit wenigstens einer Auspuffleitung 3 verbunden ist und an ihrem anderen Ende 20b mit dem Einlaßverteiler 4, der an die Zylinder 1a, 1b, 1c, 1d angeschlossen ist.
Die Rückführungsleitung 20 enthält ein Ventil 21 zur Steuerung und Regelung der Abgasrückführung zum Motor 1.
Je nach Betriebsbedingungen des Motors 1 wird das Ventil 21 geöffnet oder geschlossen, und in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung dieses Ventils 21 wird ein größerer oder kleinerer Teil der Auspuffgase wieder in die Brennkammern der Zylinder 1a, 1b, 1c und 1d injiziert, wodurch die Erzeugung von Stickoxiden oder NOx verringert wird.
Wenn die Speicherphase der Stickoxide beginnt, ist, wie durch die Kurve A in 2 angegeben wird, der Katalysator 12 oder die NOx-Falle leer, und die Umwandlungseffizienz EO des Katalysators 12 ist ausgezeichnet, wenn sich dieser Katalysator 12 in seinem Betriebstemperaturbereich befindet.
Als Beispiel zeigt 3 die Umwandlungseffizienz EO des Katalysators 12 als Funktion der Temperatur des Materials, das den Katalysator 12 bildet, und diese Umwandlungseffizienz ist maximal, wenn die Temperatur dieses Materials zwischen 250 und 450°C liegt.
Des weiteren haben die thermische Alterung sowie die Vergiftung des Katalysators 12 durch den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel eine Abnahme der Speicherkapazität dieses Katalysators 12 zur Folge, und damit eine Abnahme der Umwandlungseffizienz, wie durch die Kurven A1 und A2 in 2 angegeben wird.
Wie die in 4 gezeigte Kurve zeigt, fällt die Kurve für die Effizienz des Katalysators 12 ab einem bestimmten Sättigungsniveau stark ab.
Bei laufender Benutzung des Katalysators 12 und mit dem Ziel, eine gute Speicherkapazität für Stickoxide im Katalysator 12 aufrecht zu erhalten, löst man die Regeneration dieses Katalysators 12 ab einem Punkt aus, der vor oder in der Nähe dieses Sättigungsniveaus liegt, so daß man eine gute mittlere Umwandlungseffizienz des Katalysators 12 erhält. Diese Anordnung führt zu maximalen Speicherzeiten in der Größenordnung von T1.
Die Alterung des Katalysators 12 führt zu einer Verschlechterung, die zunächst jenseits des optimalen Regenerationspunktes spürbar ist und in der Folge auf der gesamten Dauer des Ablaufs spürbar wird.
Um den Zustand des Katalysators 12 zu bestimmen, besteht das Ziel nicht mehr darin, die optimale Umwandlungseffizienz zu bewahren, sondern sicher zu sein, daß man Stickoxide im größten Teil der aktiven Stellen gespeichert hat.
Der Katalysator 12 ist dann deutlich über den im Normalbetrieb benutzten Sättigungszustand hinaus gesättigt, was zu Speicherzeiten führt, die größer oder gleich T2 sind, wie in 4 gezeigt ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht nun in einer Strategie zur Steuerung des Motors, die es gestattet, den Zustand des Katalysators 12 zu bestimmen. Die Kenntnis dieses Zustands ist wesentlich, um die Einstellungen für die Steuerung des Katalysators 12 anzupassen oder um die Notwendigkeit festzustellen, den im Katalysator enthaltenen Schwefel auszuspülen Während einer ersten Phase wird der Katalysator 12 vollständig mit Stickoxiden gesättigt, indem die Zeit, während der das Gemisch mager ist, im Vergleich zur normalen Funktion des Systems erhöht wird. Diese Zeit wird bestimmt mit Hilfe eines Modells, das eine Funktion der Temperatur des Katalysators, des Abgasdurchsatzes und der Konzentration von NOx am Ausgang des Motors ist.
So wird während dieser Phase die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors 1 auf einem Wert unterhalb des stoichiometrischen Gemisches gehalten, so daß man ständig bei magerem Gemisch bleibt. Durch Öffnen des Ventils 21 wird ein Teil der Auspuffgase über die Rückführungsleitung 20 zum Einlaß des Motors 1 zurückgeführt.
Um das Phänomen der Sättigung des Katalysators 12 zu beschleunigen, wird im übrigen die Menge an Stickoxiden, die vom Motor 1 emittiert wird, erhöht, indem das Ventil 21 teilweise oder vollständig geschlossen wird, um die Abgasrückführungsrate über die Rückführungsleitung 20 zu verringern.
Sobald die sich aus dem Modell ergebenden Berechnungen anzeigen, daß das Sättigungsniveau erreicht ist, wird der Motor 1 so betrieben, daß eine Regenerationsphase des Systems ausgelöst wird.
Zu diesem Zweck wird die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors 1 auf einen Wert oberhalb des stoichiometrischen Gemisches geregelt, um den Katalysator 12 zu regenerieren.
Die Fettigkeit der Auspuffgase am Ausgang des Katalysators 12 wird mit Hilfe einer Ja/Nein-Sauerstoffsonde 25 gemessen, die in der Auspuffleitung 10 am Ausgang des Katalysators 12 angeordnet ist. Diese Regenerationsphase, die in bezug auf eine normale Regenerationsphase verlängert ist, dauert so lange, bis das Signal der Sauerstoffsonde 25 das Vorhandensein von Gas anzeigt, das eine Fettigkeit oberhalb des stoichiometrischen Gemisches hat.
Wenn die Fettigkeit der Auspuffgase größer wird als das stoichiometrische Gemisch, wird die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors 1 auf einen Wert unterhalb des stoichiometrischen Gemisches geregelt, damit der Motor mit einem mageren Gemisch läuft, wodurch die Regeneration des Katalysators 12 beendet wird.
Wenn man sicherstellen will, daß der Katalysator vollständig regeneriert wird, läßt man zwischen dem Umkippen der Sonde und dem Übergang zu magerem Gemisch eine zusätzlich Zeitspanne vergehen, beispielsweise in der Größenordnung von 10 Sekunden.
Die Sättigungsbedingungen des Katalysators werden als Funktion der Temperatur des den Katalysator bildenden Materials, der Konzentration der Stickoxide am Ausgang des Motors 1 und des Durchsatzes des Motors 1 während der Sättigungsphase bestimmt.
Weiterhin werden als Funktion des Durchsatzes des Motors 1 während der Regenerationsphase, der Ziel-Fettigkeit während dieser Phase und der Zeit, die zwischen dem Beginn der genannten Regenerationsphase und dem Umkippen der Sauerstoffsonde 25 vergeht, die Regenerationsbedingungen des Katalysators bestimmt.
Die Kenntnis der Sättigungsbedingungen der NOx-Falle einerseits und der Regenerationsbedingungen des Katalysators andererseits ermöglichen es, während der Regenerationsphase des Katalysators einen Indikator für den Zu stand der NOx-Falle zu berechnen, sei es mit Hilfe eines Modells oder mit Hilfe von vorab durchgeführten Messungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, den Zustand einer NOx-Falle festzustellen, die in eine Abgasleitung eines Motors mit innerer Verbrennung integriert ist, der mit magerem Gemisch arbeitet, und die Betriebsbedingungen der NOx-Falle an den tatsächlichen Zustand anzupassen.

Claims

Verfahren zur Feststellung des Zustands eines Katalysators (12) von der Art einer NOx-Falle, der in eine Auspuffleitung (10) eines Brennkraftmotors (1) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß man: – während einer Zeitspanne, die größer ist als die normale Funktionsdauer der NOx-Falle, die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors (1) auf einem Wert unterhalb des stoichiometrischen Verhältnisses hält, – einen Teil der Auspuffgase zur Ansaugseite (4) des Motors (1) zurückführt, – die Menge der vom Motor (1) emittierten Stickoxide erhöht, um den Katalysator (12) zu sättigen, – den Zustand des Katalysators (12) darstellt, – das Sättigungsniveau dieses Katalysators (12) feststellt, – sobald dieses Sättigungsniveau erreicht ist, die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors (1) auf einen Wert oberhalb des stoichiometrischen Verhältnisses regelt, um den Katalysator (12) zu regenerieren, – die Fettigkeit der Auspuffgase am Ausgang des Katalysators (12) mißt, – und, sobald die Fettigkeit der Auspuffgase oberhalb des stoichiometrischen Verhältnisses ist, die Fettigkeit des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors (1) auf den genannten unteren Wert dieses Gemisches regelt, um die Regeneration des Katalysators (12) zu beenden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Menge der vom Motor emittierten Stickoxide erhöht, indem man die Abgas-Rückführungsrate verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fettigkeit der Auspuffgase mit Hilfe einer "Ja/Nein"-Sauerstoffsonde (25) mißt, die am Ausgang des Katalysators (12) in der Auspuffleitung (10) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Zustand des Katalysators (12) anhand der Sättigungs- und Regenerationsbedingungen des Katalysators (12) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsbedingungen des Katalysators (12) als Funktion der Temperatur dieses Katalysators (12), der Stickoxidkonzentration am Ausgang des Motors (1) und des Durchsatzes des Motors (1) während der Sättigungsphase bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationsbedingungen des Katalysators (12) als Funktion des Durchsatzes des Motors (1) während der Sättigungsphase, der Ziel-Fettigkeit während dieser Phase, und der zwischen dem Beginn der Regenerationsphase und dem Umkippen der Sauerstoffsonde (25) abgelaufenen Zeit bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umkippen der Sauerstoffsonde (25) und dem Übergang auf mageres Gemisch eine bestimmte Zeit vergeht, damit der Katalysator vollständig regeneriert wird.