EP1252419A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung einer entschwefelung eines in einem abgaskanal einer verbrennungskraftmaschine angeordneten nox-speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur steuerung einer entschwefelung eines in einem abgaskanal einer verbrennungskraftmaschine angeordneten nox-speicherkatalysators

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EP1252419A1
EP1252419A1 EP01902302A EP01902302A EP1252419A1 EP 1252419 A1 EP1252419 A1 EP 1252419A1 EP 01902302 A EP01902302 A EP 01902302A EP 01902302 A EP01902302 A EP 01902302A EP 1252419 A1 EP1252419 A1 EP 1252419A1
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EP
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desulfurization
catalytic converter
activity
storage catalytic
internal combustion
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Ekkehard Pott
Hermann Hahn
Sören HINZE
Michael Zillmer
Axel Lang
Frank Schulze
Jens DRÜCKHAMMER
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Volkswagen AG
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    • F02D2200/08—Exhaust gas treatment apparatus parameters
    • F02D2200/0811—NOx storage efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a desulfurization of a NO x storage catalytic converter arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine with the features mentioned in independent claims 1 and 13.
  • aftertreat exhaust gases from internal combustion engines which are operated at least temporarily in a lean operating mode, with the aid of NO x storage catalytic converters.
  • the NO x storage catalyst stores nitrogen oxides NO x , which in this phase are present in excess in the exhaust gas compared to reducing exhaust gas components, such as carbon monoxide or unburned hydrocarbons and therefore cannot be fully converted, in the form of nitrate.
  • the storage catalytic converter is subjected to NO x regeneration at regular intervals or if the NO x storage capacity decreases, for which purpose the storage catalytic converter is charged with a rich exhaust gas atmosphere and a minimum catalytic converter temperature is set.
  • the invention is based on the object of proposing a method for controlling desulfurization of a NO x storage catalytic converter, with the aid of which irreversible damage to the NO x storage catalytic converter can be identified and tracked.
  • this object is achieved by a method and a device for controlling desulfurization of a NO x storage catalytic converter with the features mentioned in the independent claims.
  • a NO x of the NO x -Speichermeditician - determined from a storage catalyst downstream of the NO x storage catalytic converter and the measured NO x concentration falls below a predetermined threshold value for the NO x activity of the NO x -Speicherkataiysators desulfurization with predeterminable Desulfurization parameters initiated.
  • irreversible damage to the NO x storage catalytic converter is tracked on the basis of a desulfurization success and hard desulfurization is initiated if a predetermined damage limit value is exceeded, at least one desulfurization parameter being selected in accordance with a higher desulfurization efficiency, and further operation of the internal combustion engine from the level after hard desulfurization recovered NO x activity is made dependent. Carrying out the hard desulfurization ensures a quantitative sulfur output, even if previous ones
  • Standard desulphurization should have been incomplete.
  • the NO x storage activity recovered after the hard desulfurization can be directly correlated with an existing irreversible damage to the NO x storage catalytic converter. Consequently, permanent damage to the NO x storage catalytic converter which can no longer be tolerated can be recognized.
  • the threshold value the lower value of which triggers a desulfurization
  • the threshold value is reset after each desulfurization in such a way that it is proportional to an NO x starting activity of the NO x after the desulfurization has ended.
  • Storage catalytic converter is.
  • the damage limit value represents a minimum limit that cannot be undercut for ⁇ d Fe ⁇ O ⁇ storage efficiency td ar, the threshold value being greater than the damage limit value.
  • the threshold value, the lower value of which triggers desulfurization is not varied.
  • a desulfurization frequency increases with increasing irreversible damage to the catalyst, so that a predetermined maximum desulfurization frequency serves as the damage limit value.
  • the damage limit value is specified as a lower limit of an initial NO x activity recovered after desulfurization.
  • Desulfurization in particular hard desulfurization, is associated with higher fuel consumption and may influence the operating behavior of a vehicle. The initiation of desulfurization is therefore not desirable in every operating situation.
  • An advantageous embodiment of the method therefore provides that, if the damage limit value is exceeded, lean operation of the internal combustion engine is first prohibited and hard desulfurization is only initiated when suitable, predetermined boundary conditions exist. This can be, for example, a minimum temperature of the NO x storage catalytic converter and / or a minimum vehicle speed that is maintained over a minimum period.
  • the method according to the present invention provides that the further operation of the internal combustion engine after hard desulfurization is dependent on the desulfurization success, that is to say on the level of an initial NO x activity recovered after the desulfurization.
  • a preferred embodiment provides that if after the end of hard desulfurization a recovered NO x starting activity corresponds almost completely or at least to a predetermined extent to that of a sulfur-free, NO x -free and undamaged NO x storage catalytic converter, lean operation of the internal combustion engine continues is allowed. In this case, it can be assumed that the loss of NO x storage activity observed before the hard desulfurization is due to sulfur storage and thus to incomplete, previous desulfurization and not to irreversible damage to the NO x storage catalyst. After a successful hard desulfurization measure, it is therefore further preferred that Adapt desulfurization parameters so adaptively that subsequent ones
  • the device comprises means, for example a control unit, in which a procedure for controlling the process steps of the desulfurization of a NO x storage catalytic converter is stored in digital form.
  • a control unit can advantageously be integrated in a mostly existing engine control unit.
  • Figure 1 is a schematic diagram with an exhaust gas cleaning system
  • FIG. 2 shows a time course of a NO x storage activity of a NO x .
  • FIG. 3 shows a time course of a NO x storage activity of a NO x .
  • FIG. 4 shows a flow chart of the method steps according to the invention in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine 10 with a downstream exhaust line 12.
  • a pre-catalytic converter 16 and an NO x storage catalytic converter 18 are arranged in an exhaust gas duct 14 of the exhaust line 12.
  • the exhaust duct 14 also houses various instruments for recording selected operating parameters.
  • the gas probes 20, 22 detect a concentration of a gas component in the exhaust gas.
  • the gas probe 20 designed as a lambda probe serves to record an oxygen fraction after the internal combustion engine 10 and before the catalyst components 16, 18, while the NO x probe 22 measures a NO x concentration behind the NO x storage catalyst 18.
  • the temperature sensors 24, 26 arranged in front of and behind the NO x storage catalytic converter 18 serve to determine a catalytic converter temperature.
  • one or even both temperature sensors 24, 26 can be dispensed with and a temperature of the NO x storage catalytic converter can be derived empirically. All signals detected by the gas probes 20, 22 and the temperature sensors 24, 26 find their way into an engine control unit 28, where they are first digitized and then further processed in order to control an operating mode of the internal combustion engine 10.
  • the engine control unit 28 regulates, for example, an air-fuel mixture to be fed into the internal combustion engine 10 by influencing a position of a throttle valve 30 in an intake pipe 32 and / or an exhaust gas recirculation device 34.
  • the actuators 30, 34 shown by way of example can, for example, lean or an Fat mode for the internal combustion engine 10 can be set.
  • a control unit 36 is also integrated in the engine control unit 28, in which a procedure for controlling the desulfurization of the NO x storage catalytic converter 18, which is explained in more detail below, is stored.
  • the control unit 36 can also be implemented independently of the engine control unit 28.
  • FIG. 2 shows the time course of a relative NO x activity NOA re
  • the relative NO x activity denotes NOA re
  • the NO x activity NOA itself here is the ratio of the NO x concentration measured behind the NO x storage catalytic converter 18 to the NO x probe 22 of the NO x concentration present in front of the NO x storage catalytic converter 18.
  • the NO x concentration upstream of the NO x storage catalytic converter 18, that is to say the raw NO x emission, is preferably calculated by the engine control unit 28 on the basis of current operating parameters of the internal combustion engine 10. Alternatively, it can also be measured with a NO x probe arranged in front of the NO x storage catalytic converter 18 in the exhaust line 14. The calculation of the NO x activity NOA or the relative NO x activity NOA re
  • the NO x storage catalytic converter 18 has the NO x activity NOA similar to that of a fresh catalytic converter, so that the relative NO x activity NOA re
  • Falling below a first threshold value SW for the relative NO x activity triggers a first desulfurization 40 of the NO x storage catalytic converter 18 at the time t-
  • a minimum temperature of the catalyst required for the desulfurization is set and the internal combustion engine 10 is operated in a rich operating mode in accordance with a lambda fat specification for a predetermined or regulated desulfurization period.
  • a lambda fat specification for a predetermined or regulated desulfurization period.
  • the rich-lean lambda specifications of the intervals, a switching frequency or a position of the rich-lean switching thresholds after the NO x storage catalytic converter 18 can be specified as additional desulfurization parameters.
  • the position of the threshold value SW is redefined by the control unit 36 in accordance with a recovered relative NO x starting activity NOAMX, the threshold value SW preferably being proportional to the recovered NO x starting activity NOAMX.
  • NOAMX a desulfurization NO x -Anfangsmodtician NOAMX corresponds with progressive operating time t less and less of a fresh NO x - storage catalyst and decreases with increasing aging of the catalyst.
  • Reasons for this are, for example, incomplete desulfurization and / or irreversible thermal damage to the NO x storage catalytic converter 18.
  • the threshold value SW As a result of the decreasing NO x starting activity NOAMX, the threshold value SW, the undershoot of which triggers desulfurization, is increasingly reduced.
  • the cycles of the sulphurisation 38 and desulphurization 40 are repeated until the NO x activity NOA a not to be lower border threshold value, the Damage limit value SW
  • the hard desulfurization is advantageously only initiated when predetermined boundary conditions, for example a minimum temperature of the NO x storage catalytic converter 18 and / or a minimum vehicle speed maintained over a minimum period, are present. In this way, the fuel consumption for the energetically extremely demanding hard desulfurization can be kept relatively low.
  • the hard desulfurization 42 differs from the previous desulfurization 40 in that at least one of the desulfurization parameters mentioned (for example catalyst temperature, lambda, time specification) is selected in accordance with a higher desulfurization efficiency. For example, an extended desulfurization period and / or a lower lambda fat specification can be provided for the hard desulfurization 42.
  • NOAMX different levels of NO x starting activities NOAMX are recovered after the hard desulfurization 42.
  • the recovered NO x activity NOAMX corresponds approximately to that of a sulfur-free, undamaged catalyst.
  • the catalytic converter 18 has practically no permanent damage and the previous loss of activity is due to incomplete, previous desulfurization 40.
  • the hard desulfurization 42 does not completely restore the original NO x activity, but it does so to a considerable extent. This indicates the presence of irreversible damage to the catalyst but also incomplete desulfurization 40.
  • both scenarios 44, 46 lean operation of the internal combustion engine 10 is still permitted, it being possible for a lower threshold value to be specified for the NO x starting activity NOAMX to be recovered.
  • the desulfurization parameters for subsequent desulfurization are advantageously adaptively corrected such that improved subsequent desulfurization results can be expected.
  • the correction of the desulfurization parameters is all the more important the less the irreversible damage to the NO x storage catalytic converter 18 and the higher the recovered NO x activity NOAMX after the hard desulfurization 42.
  • hard desulfurization 42 is practically unsuccessful run. Extensive irreversible damage to the storage catalytic converter 18 must therefore be concluded here.
  • the lean operation of the internal combustion engine 10 is finally blocked in this case.
  • a warning display can also be provided, which informs a vehicle driver of the condition of the catalytic converter or indicates maintenance that becomes necessary.
  • FIG. 3 A course of the relative NO x activity NOA re
  • the threshold value SW for the NO x activity NOA is kept constant during the entire vehicle operation.
  • the NO x starting activity NOAMX restored after desulfurization 40 decreases.
  • the time interval ⁇ in which the NO x storage catalytic converter 18 stores sulfur in the lean mode of the internal combustion engine 10 until the threshold SW is reached becomes shorter and shorter. In other words, a frequency rises, with which desulfurization 40 becomes necessary.
  • a criterion for recognizing the need for hard desulfurization 42 can consist in a predetermined maximum desulfurization frequency or in a lower threshold of an NO x starting activity NOAMX recovered after desulfurization. All other method features of this embodiment of the invention correspond to the features shown in FIG. 2 and are not to be explained again here.
  • FIG. 4 shows a flow chart to explain the embodiment of the method shown in FIG. 2.
  • the process sequence begins with step S1, in which the internal combustion engine 10 is subjected to a lean atmosphere, that is to say with a lambda value> 1.
  • step S2 the calculation of the NO x activity NOA based on the measured NO x from the NO probe 22 takes place x - concentration downstream of the NO x storing catalyst 18.
  • the NO x -Speichermeditician NOA is compared in step S3 with the threshold value SW , If the NO x activity NOA is above the threshold value SW, the method goes to step S1 and the internal combustion engine 10 continues to be operated in the lean mode.
  • step S3 If, on the other hand, it is determined in step S3 that the threshold value SW has been reached or fallen below, the NO x activity NOA is compared with the damage limit value SW
  • step S8 a query is made in step S8 as to whether the recovered NO x activity NOAMX is less than a predetermined threshold value SWMX. If this question is answered in the negative, a new threshold value SW is calculated in step S6 as a function of the NO x starting activity NOAMX, whereupon the lean operation is again permitted in step S1. If, on the other hand, the desulfurization success cannot be determined in step S8, the lean operation is finally blocked in step S9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalisators mit mindestens einer stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sonde, die gemäss einer im Abgas vorliegenden NOx-Konzentration ein Signal bereitstellt. Es ist vorgesehen, dass eine NOx-Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) aus der stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) gemessenen NOx-Konzentration ermittelt wird, bei Unterschreitung eines vorgebbaren Schwellenwertes (SW) für die NOx-Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) eine Entschwefelung mit vorgebbaren Entschwefelungsparametern eingeleitet wird, anhand eines Entschwefelungserfolges eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators (18) ermittelt wird und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schädigungsgrenzwertes (SWIR) eine harte Entschwefelung eingeleitet wird, wobei mindestens ein Entschwefelungsparameter entsprechend einer höheren EntschwefelungsWirksamkeit gewählt wird, und der weitere Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine (10) von der Höhe einer nach der harten Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität (NOAMX) abhängig gemacht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten
NOx-Speicherkatalysators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, eine Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, die zumindest zeitweise in einem mageren Betriebsmodus betrieben werden, mit Hilfe von NOx-Speicherkatalysatoren zu betreiben. Während eines mageren Betriebsmodus lagert dabei der NOx-Speicherkatalysator Stickoxide NOx, die in dieser Phase gegenüber reduzierenden Abgasbestandteilen, wie Kohlenmonoxid oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen, in einem Überschuß im Abgas vorhanden sind und daher nicht vollständig umgesetzt werden können, in Form von Nitrat ein. In regelmäßigen Abständen beziehungsweise bei einer nachlassenden NOx-Speicherfähigkeit wird der Speicherkatalysator einer NOx-Regeneration unterworfen, wofür der Speicherkatalysator mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt und eine Mindest- Katalysatortemperatur eingestellt wird.
Neben der NOx-Absorption findet eine unerwünschte Einlagerung von Schwefeloxiden im NOx-Speicherkatalysator statt. Die Schwefeleinlagerung ist unter den Bedingungen einer NOx-Regeneration nicht reversibel, wodurch es zu einer zunehmenden Verschwefelung des Speicherkatalysators kommt, die eine NOx-Speicherkapazität herabsetzt. Darüber hinaus kann eine Agglomeration von Schwefel zu einer Bildung von Sulfatkörnern führen, die eine katalytische Aktivität des NOx-Speicherkatalysators irreversibel schädigen können. Die Entfernung solcher Sulfatkörner wird mit steigender Korngröße zunehmend schwieriger. Es ist daher bekannt, in regelmäßigen Abständen eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators durchzuführen, wobei der eingelagerte Schwefel bei Katalysatortemperaturen von über 650 °C und unter Beaufschlagung mit einer fetten Abgasatmosphäre hauptsächlich in Form von Schwefeldioxid SO2 und Schwefelwasserstoff H2S ausgetragen wird. Neben der irreversiblen Schädigung durch Sulfatkornbildung sind weitere dauerhafte Schädigungsarten bekannt, die zu einer nachlassenden Speicherkapazität des Katalysators beitragen. Hier ist in erster Linie eine thermische Schädigung von Bedeutung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators vorzuschlagen, mit dessen Hilfe eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators erkannt und verfolgt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine NOx-Speicheraktivität des NOx- Speicherkatalysators aus einer stromab des NOx-Speicherkatalysators gemessenen NOx-Konzentration ermittelt und bei Unterschreitung eines vorgebbaren Schwellenwertes für die NOx-Aktivität des NOx-Speicherkataiysators eine Entschwefelung mit vorgebbaren Entschwefelungsparametern eingeleitet. Ferner wird anhand eines Entschwefelungserfolges eine irreversible Schädigung des NOx- Speicherkatalysators verfolgt und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schädigungsgrenzwertes eine harte Entschwefelung eingeleitet, wobei mindestens ein Entschwefelungsparameter entsprechend einer höheren Entschwefelungswirksamkeit gewählt wird, und ein weiterer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von der Höhe einer nach der harten Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Aktivität abhängig gemacht wird. Die Durchführung der harten Entschwefelung gewährleistet einen quantitativen Schwefelaustrag, auch wenn vorausgegangene
Standardentschwefelungen unvollständig abgelaufen sein sollten. Somit kann die nach der harten Entschwefelung wiedergewonnene NOx-Speicheraktivität direkt mit einer vorliegenden irreversiblen Schädigung des NOx-Speicherkatalysators korreliert werden. Folglich kann eine nicht mehr tolerierbare dauerhafte Schädigung des NOx- Speicherkatalysators erkannt werden.
Die Erfindung läßt verschiedene Verfahrensvarianten zur Vorgabe des Schädigungsgrenzwertes zu. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Schwellenwert, dessen Unterschreitung eine Entschwefelung auslöst, nach jeder Entschwefelung derart neu vorgegeben, daß er proportional zu einer nach Beendigung der Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität des NOx- Speicherkatalysators ist. In d esem Fall stellt der Schädigungsgrenzwert einen nicht zu unterschreitenden minimalen G re nzwe rt f ü r~ d Fe^O^Spe i cheräkti vifät Td a r, wobei der Schwellenwert größer ist als der Schädigungsgrenzwert. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird der Schwellenwert, dessen Unterschreitung eine Entschwefelung auslöst, nicht variiert. Entsprechend dieser Variante nimmt mit zunehmender irreversibler Schädigung des Katalysators eine Entschwefelungsfrequenz zu, so daß als Schädigungsgrenzwert eine vorgegebene maximale Entschwefelungsfrequenz dient. Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung, bei der der Schwellenwert ebenfalls konstant ist, wird der Schädigungsgrenzwert als eine untere Grenze einer nach einer Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität angegeben.
Die Durchführung einer Entschwefelung, insbesondere einer harten Entschwefelung, geht mit einem höheren Kraftstoffverbrauch einher und kann gegebenenfalls das Betriebsverhalten eines Fahrzeuges beeinflussen. Die Einleitung einer Entschwefelung ist somit nicht in jeder Betriebssituation erwünscht. Daher sieht eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens vor, daß bei Überschreitung des Schädigungsgrenzwertes zunächst ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine verboten wird und eine harte Entschwefelung erst eingeleitet wird, wenn geeignete, vorgegebene Randbedingungen vorliegen. Dies kann etwa eine Mindesttemperatur des NOx-Speicherkatalysators und/oder eine über eine Mindestdauer eingehaltene Mindestfahrzeuggeschwindigkeit sein.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sieht vor, den weiteren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nach einer harten Entschwefelung von dem Entschwefelungserfolg, das heißt von der Höhe einer nach der Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität, abhängig zu machen. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß, wenn nach Beendigung einer harten Entschwefelung eine wiedergewonnene NOx-Anfangsaktivität nahezu vollständig oder in wenigstens einem vorgegebenen Umfang der eines schwefelfreien, NOx-freien und nicht geschädigten NOx-Speicherkatalysators entspricht, ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine weiterhin zugelassen wird. In diesem Fall kann nämlich davon ausgegangen werden, daß der vor der harten Entschwefelung beobachtete Verlust der NOx-Speicheraktivität auf eine Schwefeleinlagerung und damit auf unvollständig abgelaufene, vorausgegangene Entschwefelungen zurückzuführen ist und nicht auf eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators. Nach einer erfolgreichen harten Entschwefelungsmaßnahme ist es daher ferner bevorzugt, die Entschwefelungsparameter derart adaptiv anzupassen, daß nachfolgende
Entschwefelungen wirkungsvoller ablaufen.
Wenn dagegen eine harte Entschwefelung weitestgehend erfolglos abläuft und eine wiedergewonnene NOx-Anfangsaktivität nicht signifikant höher liegt als eine nach der letzten Entschwefelung vorliegende NOx-Anfangsaktivität, wird auf eine starke irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators geschlossen und ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingeschränkt oder gesperrt, um die NOx-Emission geringzuhalten. Es ist ferner denkbar, einen Fahrzeugführer beispielsweise durch eine Wamanzeige von einer Wartungsnotwendigkeit des Katalysators in Kenntnis zu setzen.
Es weiterhin bevorzugt vorgesehen, daß die Vorrichtung Mittel umfaßt, beispielsweise eine Steuereinheit, in der eine Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte der Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators in digitaler Form abgelegt ist. Eine solche Steuereinheit kann vorteilhafterweise in ein zumeist vorhandenes Motorsteuergerät integriert sein.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung mit einer Abgasreinigungsanlage und
Mitteln zur Steuerung der Entschwefelung eines NOx- Speicherkatalysators;
Figur 2 einen zeitlichen Verlauf einer NOx-Speicheraktivität eines NOx-
Speicherkatalysators gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
Figur 3 einen zeitlichen Verlauf einer NOx-Speicheraktivität eines NOx-
Speicherkatalysators gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 4 ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem nachgeschalteten Abgasstrang 12. In einem Abgaskanal 14 des Abgasstranges 12 ist ein Vorkatalysator 16 sowie ein NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet. Der Abgaskanal 14 beherbergt ferner verschiedene Instrumente zur Erfassung ausgewählter Betriebsparameter. So erfassen beispielsweise die Gassonden 20, 22 eine Konzentration einer Gaskomponente im Abgas. Im vorliegenden Beispiel dient die als Lambda-Sonde ausgestaltete Gassonde 20 einer Erfassung eines Sauerstoffanteils nach der Verbrennungskraftmaschine 10 und vor den Katalysatorkomponenten 16, 18, während die NOx-Sonde 22 eine NOx-Konzentration hinter dem NOx- Speicherkatalysator 18 mißt. Die vor und hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 angeordneten Temperatursensoren 24, 26 dienen der Ermittlung einer Katalysatortemperatur. Alternativ kann auf eine oder sogar auf beide Temperatursensoren 24, 26 verzichtet werden und eine Temperatur des NOx- Speicherkatalysators empirisch abgeleitet werden. Alle von den Gassonden 20, 22 und den Temperatursensoren 24, 26 erfaßten Signale finden Eingang in ein Motorsteuergerät 28, wo sie zunächst digitalisiert und dann weiterverarbeitet werden, um einen Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10 zu steuern. Hierfür regelt das Motorsteuergerät 28 beispielsweise ein in die Verbrennungskraftmaschine 10 einzuspeisendes Luft-Kraftstoff-Gemisch, indem es eine Stellung einer Drosselklappe 30 in einem Ansaugrohr 32 beeinflußt und/oder eine Abgasrückführeinrichtung 34. Durch die exemplarisch aufgezeigten Stellglieder 30, 34 kann beispielsweise ein Mageroder ein Fettmodus für die Verbrennungskraftmaschine 10 eingestellt werden.
In das Motorsteuergerät 28 ist ferner eine Steuereinheit 36 integriert, in der eine Prozedur zur Steuerung der Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 18, die nachfolgend näher erläutert wird, hinterlegt ist. Alternativ kann die Steuereinheit 36 auch unabhängig von dem Motorsteuergerät 28 realisiert werden.
Die Figur 2 stellt den zeitlichen Verlauf einer relativen NOx-Aktivität NOAre| eines NOx- Speicherkatalysators 18 dar. Dabei bezeichnet die relative NOx-Aktivität NOAre| das Verhältnis der NOx-Aktivität NOA des vorliegenden NOx-Speicherkatalysators 18 zu der NOx-Aktivität eines NOx- und schwefelfreien und ungeschädigten NOx- Speicherkatalysators. Die NOx-Aktivität NOA selbst ist hier als Verhältnis der hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 mit der NOx-Sonde 22 gemessenen NOx-Konzentration zu der vor dem NOx-Speicherkatalysator 18 vorliegenden NOx-Konzentration definiert. Die NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator 18, also die NOx-Rohemission, wird vorzugsweise von dem Motorsteuergerät 28 anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 berechnet. Alternativ kann sie auch mit einer vor dem NOx-Speicherkatalysator 18 im Abgasstrang 14 angeordneten NOx-Sonde gemessen werden. Die Berechnung der NOx-Aktivität NOA beziehungsweise der relativen NOx-Aktivität NOAre| erfolgt in dem Motorsteuergerät 28, in dem auch die NOx-Aktivität des NOx- und schwefelfreien ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators gespeichert ist. Zu Beginn eines Fahrzeugbetriebes weist der NOx-Speicherkatalysator 18 die NOx-Aktivität NOA ähnlich der eines frischen Katalysators auf, so daß die relative NOx-Aktivität NOAre| zunächst einen Wert nahe "1" annimmt. Im folgenden Verlauf kommt es zu einer zunehmenden Verschwefelung des Katalysators 18, so daß die relative NOx-Aktivität NOAre| zunehmend abfällt. Die Unterschreitung eines ersten Schwellenwertes SW für die relative NOx-Aktivität löst eine erste Entschwefelung 40 des NOx-Speicherkatalysators 18 zum Zeitpunkt t-| aus. Entsprechend den vorgegebenen Entschwefelungsparametern wird eine für die Entschwefelung notwendige Mindesttemperatur des Katalysators eingestellt und die Verbrennungskraftmaschine 10 über eine vorgegebene oder geregelte Entschwefelungsdauer in einem fetten Betriebsmodus entsprechend einer Lambda- Fettvorgabe betrieben. Zur Unterdrückung einer H2S-Emission ist bekannt, die Entschwefelung in Fett-Mager-Intervallen zu betreiben. In diesem Fall sind als zusätzliche Entschwefelungsparameter beispielsweise die Fett-Mager-Lambdavorgaben der Intervalle, eine Umschaltfrequenz beziehungsweise eine Lage der Fett-Mager- Umschaltschwellen nach dem NOx-Speicherkatalysator 18 vorgebbar. Nach Beendigung einer Entschwefelung 40 wird entsprechend einer wiedergewonnenen relativen NOx-Anfangsaktivität NOAMX die Lage des Schwellenwertes SW durch die Steuereinheit 36 neu festgelegt, wobei der Schwellenwert SW vorzugsweise proportional zur wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität NOAMX ist. Die nach Beendigung einer Entschwefelung vorliegende NOx-Anfangsaktivität NOAMX entspricht mit fortschreitender Betriebsdauer t immer weniger der eines frischen NOx- Speicherkatalysators und sinkt mit zunehmender Alterung des Katalysators. Ursachen hierfür sind beispielsweise unvollständige Entschwefelungen und/oder irreversible thermische Schädigungen des NOx-Speicherkatalysators 18. Infolge der sich verringernden NOx-Anfangsaktivität NOAMX wird der Schwellenwert SW, dessen Unterschreitung eine Entschwefelung auslöst, zunehmend weiter herabgesetzt. Die Zyklen der Verschwefelung 38 und Entschwefelung 40 wiederholen sich solange, bis die NOx-Aktivität NOA einen nicht zu unterschreitenden unteren Schwellenwert, den Schädigungsgrenzwert SW|^, zum Zeitpunkt t5 erreicht. Die Unterschreitung des Schädigungsgrenzwertes SWJR führt zunächst zu einer Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 von einem mageren Betriebsmodus in einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus, um die NOx-Emission geringzuhalten. Die harte Entschwefelung wird vorteilhafterweise erst dann eingeleitet, wenn vorgegebene Randbedingungen, beispielsweise eine Mindesttemperatur des NOx- Speicherkatalysators 18 und/oder eine über eine Mindestdauer eingehaltene Mindestfahrzeuggeschwindigkeit, vorliegen. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch für die energetisch äußerst anspruchsvolle harte Entschwefelung relativ geringgehalten werden. Die harte Entschwefelung 42 unterscheidet sich gegenüber den vorausgegangenen Entschwefelungen 40, indem mindestens einer der genannten Entschwefelungsparameter (zum Beispiel Katalysatortemperatur, Lambda, Zeitvorgabe) entsprechend einer höheren Entschwefelungswirksamkeit gewählt wird. Beispielsweise kann für die harte Entschwefelung 42 eine verlängerte Entschwefelungsdauer und/oder eine niedrigere Lambda-Fettvorgabe vorgesehen sein.
In Abhängigkeit von einer vorliegenden irreversiblen Schädigung des NOx- Speicherkatalysators 18 werden unterschiedlich hohe NOx-Anfangsaktivitäten NOAMX nach der harten Entschwefelung 42 wiedergewonnen. In einem mit 44 bezeichneten Szenarium entspricht die wiedergewonnene NOx-Aktivität NOAMX annähernd der eines schwefelfreien ungeschädigten Katalysators. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, daß der Katalysator 18 praktisch keine dauerhaften Schädigungen aufweist und der vorausgegangene Aktivitätsverlust auf unvollständige, vorausgegangene Entschwefelungen 40 zurückzuführen ist. Im Szenarium 46 wird durch die harte Entschwefelung 42 zwar die ursprüngliche NOx-Aktivität nicht vollständig, aber in erheblichem Umfang wiederhergestellt. Dies deutet auf das Vorliegen von irreversiblen Schädigungen des Katalysators aber auch auf unvollständig abgelaufene Entschwefelungen 40 hin. In beiden Szenarien 44, 46 wird ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 weiterhin zugelassen, wobei für die wiederzugewinnende NOx-Anfangsaktivität NOAMX ein unterer Schwellenwert vorgegeben werden kann. Vorteilhafterweise werden in beiden Fällen 44, 46 die Entschwefelungsparameter für nachfolgende Entschwefelungen derart adaptiv korrigiert, daß verbesserte nachfolgende Entschwefelungserfolge erwartet werden können. Die Korrektur der Entschwefelungsparameter ist um so wichtiger, je geringer die irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators 18 und je höher die wiedergewonnene NOx-Aktivität NOAMX nach der harten Entschwefelung 42 ist. Entsprechend dem Szenario 48 ist die harte Entschwefelung 42 praktisch ohne Erfolg verlaufen. Hier muß also auf eine umfangreiche irreversible Schädigung des Speicherkatalysators 18 geschlossen werden. Um weitere NOx-Emissionen zu unterbinden, wird in diesem Fall der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 endgültig gesperrt. Optional kann auch eine Warnanzeige vorgesehen sein, die einen Fahrzeugführer von dem Zustand des Katalysators in Kenntnis setzt beziehungsweise auf eine notwendig werdende Wartung hinweist.
Ein Verlauf der relativen NOx-Aktivität NOAre| entsprechend einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Figur 3 dargestellt. Hier wird der Schwellenwert SW für die NOx-Aktivität NOA während des gesamten Fahrzeugbetriebes konstant gehalten. Mit einer zunehmenden Alterung des NOx-Speicherkatalysators 18 sinkt die nach einer Entschwefelung 40 wiederhergestellte NOx-Anfangsaktivität NOAMX. Infolgedessen wird das Zeitintervall τ, in dem der NOx-Speicherkatalysator 18 im Magermodus der Verbrennungskraftmaschine 10 bis zum Erreichen der Schwelle SW Schwefel einlagert, immer kürzer. Mit anderen Worten: Es steigt eine Frequenz, mit der eine Entschwefelung 40 notwendig wird. Ein Kriterium zum Erkennen des Notwendigwerdens einer harten Entschwefelung 42 kann in einer vorgegebenen maximalen Entschwefelungsfrequenz bestehen oder aber auch in einer unteren Schwelle einer nach einer Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität NOAMX. Alle weiteren Verfahrensmerkmale dieser Ausführungsform der Erfindung entsprechen den in Figur 2 dargestellten Merkmalen und sollen hier nicht nochmals erläutert werden.
Die Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens. Der Verfahrensablauf beginnt mit dem Schritt S1 , in dem die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer mageren Atmosphäre, das heißt mit einem Lambdawert > 1 , beaufschlagt wird. Im Schritt S2 erfolgt die Berechnung der NOx-Aktivität NOA auf Grundlage der von der NOx-Sonde 22 gemessenen NOx- Konzentration hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18. Die NOx-Speicheraktivität NOA wird im Schritt S3 mit dem Schwellenwert SW verglichen. Liegt die NOx-Aktivität NOA über dem Schwellenwert SW geht das Verfahren in Schritt S1 über und die Verbrennungskraftmaschine 10 wird weiterhin in dem Magermodus betrieben. Wird dagegen im Schritt S3 festgestellt, daß der Schwellenwert SW erreicht beziehungsweise unterschritten wurde, erfolgt im Schritt S4 der Vergleich der NOx- Aktivität NOA mit dem Schädigungsgrenzwert SW|R. Ist der Schädigungsgrenzwert SW|R noch nicht erreicht oder unterschritten, wird im Schritt S5 eine Entschwefelung mit den vorgegebenen Entschwefelungsparametern eingeleitet. Nach Beendigung der Entschwefelung wird im Schritt S6 die wiedergewonnenene NOx-Aktivität NOAMX ermittelt und der Schwellenwert SW in Abhängigkeit von der ermittelten Anfangsaktivität NOAMX neu berechnet. Wird auf der anderen Seite im Schritt S4 festgestellt, daß die NOx-Aktivität NOA den Schädigungsgrenzwert SW|R erreicht oder unterschritten hat, so wird im Schritt S7 eine harte Entschwefelung eingeleitet. Nach Beendigung der harten Entschwefelung erfolgt im Schritt S8 die Abfrage, ob die wiedergewonnene NOx- Aktivität NOAMX kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert SWMX ist. Wird diese Frage verneint, erfolgt im Schritt S6 die Berechnung eines neuen Schwellenwertes SW in Abhängigkeit von der NOx-Anfangsaktivität NOAMX, woraufhin der Magerbetrieb im Schritt S1 wieder zugelassen wird. Kann dagegen im Schritt S8 der Entschwefelungserfolg nicht festgestellt werden, so wird der Magerbetrieb im Schritt S9 endgültig gesperrt.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Steuerung einer Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators mit mindestens einer stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx- Sonde, die gemäß einer im Abgas vorliegenden NOx-Konzentration ein Signal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) eine NOx-Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) aus der stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) gemessenen NOx- Konzentration ermittelt wird,
(b) bei Unterschreitung eines vorgebbaren Schwellenwertes (SW) für die NOx- Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) eine Entschwefelung mit vorgebbaren Entschwefelungsparametern eingeleitet wird,
(c) anhand eines Entschwefelungserfolges eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators (18) ermittelt wird und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schädigungsgrenzwertes (SW|R) eine harte Entschwefelung eingeleitet wird, wobei mindestens ein Entschwefelungsparameter entsprechend einer höheren Entschwefelungswirksamkeit gewählt wird, und
(d) ein weiterer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) von der Höhe einer nach der harten Entschwefelung wiedergewonnenen NOx- Anfangsaktivität (NOAMX) abhängig gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (SW) nach jeder Entschwefelung derart vorgegeben wird, daß er proportional zu einer nach Beendigung einer Entschwefelung wiedergewonnenen NOx- Anfangsaktivität (NOAMX) des NOx-Speicherkatalysators (18) ist, und der Schädigungsgrenzwert (SW|R) einen nicht zu unterschreitenden minimalen Grenzwert für die NOx-Aktivität (NOA) darstellt, wobei der Schwellenwert (SW) größer ist als der Schädigungsgrenzwert (SW|R).
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schädigungsgrenzwert (SW|R) eine vorgegebene maximale Entschwefelungsfrequenz bei nicht variablem Schwellenwert (SW) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schädigungsgrenzwert (SW|R) bei nicht variablem Schwellenwert (SW) eine vorgegebene untere Grenze einer nach einer Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Anfangsaktivität (NOAMX) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung des Schädigungsgrenzwertes (SW|R) zunächst ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) eingeschränkt oder verboten wird und eine harte Entschwefelung erst eingeleitet wird, wenn vorgegebene Randbedingungen, wie eine Mindesttemperatur des NOx- Speicherkatalysators (18) und/oder eine über eine Mindestdauer eingehaltene Mindestfahrzeuggeschwindigkeit, vorliegen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn nach Beendigung einer harten Entschwefelung eine wiedergewonnene NOx-Anfangsaktivität (NOAMX) nahezu vollständig oder wenigstens in einem vorgegebenen Umfang der eines schwefelfreien, NOx-freien und nicht geschädigten NOx-Speicherkatalysators (18) entspricht, ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) weiterhin zugelassen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn nach Beendigung einer harten Entschwefelung eine wiedergewonnene NOx-Anfangsaktivität (NOAMX) nahezu vollständig oder wenigstens in einem vorgegebenen Umfang der eines schwefelfreien, NOx-freien und nicht geschädigten NOx-Speicherkatalysators (18) entspricht, die Entschwefelungsparameter derart angepaßt werden, daß nachfolgende Entschwefelungen wirkungsvoller ablaufen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn nach Beendigung einer harten Entschwefelung eine wiedergewonnene NOx-Anfangsaktivität (NOAMX) nicht signifikant höher ist als nach einer direkt vorausgegangenen Entschwefelung, auf eine starke irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators (18) geschlossen wird und ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) eingeschränkt oder gesperrt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) einem Verhältnis der stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) gemessenen NOx-Konzentration zu einer gemessenen oder anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) berechneten NOx- Konzentration stromauf des NOx-Speicherkatalysators (18) entspricht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Aktivität (NOA) ein Verhältnis der gemessenen NOx-Konzentration nach dem NOx-Speicherkatalysator (18) und einer modellierten NOx-Konzentration nach einem schwefelfreien und ungeschädigten NOx-Speicherkatalysator (18) darstellt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschwefelungsparameter eine Entschwefelungstemperatur am NOx-Speicherkatalysator (18), eine Lambda- Fettvorgabe und eine Entschwefelungsdauer sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Fett-Mager-Lambdavorgaben, eine Umschaltfrequenz sowie eine Lage der Fett-Mager-Umschaltschwellen nach dem NOx- Speicherkatalysator (18) zusätzliche Entschwefelungsparameter im Falle einer geregelten Fett-Mager-Entschwefelung sind.
13. Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators mit mindestens einer stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sonde, die gemäß einer im Abgas vorliegenden NOx-Konzentration ein Signal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit welchen die Verfahrensschritte (a) Ermittlung einer NOx-Aktivität (NOA) des NOx-Speicherkatalysators (18) aus der stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) gemessenen NOx- Konzentration,
(b) Einleitung einer Entschwefelung mit vorgebbaren Entschwefelungsparametern bei Unterschreitung eines vorgebbaren Schwellenwertes (SW) für die NOx-Aktivität (NOA) des NOx- Speicherkatalysators,
(c) Ermittlung einer irreversiblen Schädigung des NOx-Speicherkatalysators (18) anhand eines Entschwefelungserfolges und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schädigungsgrenzwertes (SW|R) Einleitung einer harten Entschwefelung, wobei mindestens ein Entschwefelungsparameter entsprechend einer höheren Entschwefelungswirksamkeit gewählt wird, und
(d) Entscheidung über einen weiteren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) in Abhängigkeit von der Höhe einer nach der harten Entschwefelung wiedergewonnenen NOx-Aktivität (NOAMX)
ausführbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Steuereinheit (36) umfassen, in der eine Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators (18) in digitaler Form hinterlegt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (36) in ein Motorsteuergerät (28) integriert ist.
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