EP1252420B1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer nox-regeneration eines nox-speicherkatalysators - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer nox-regeneration eines nox-speicherkatalysators Download PDF

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EP1252420B1
EP1252420B1 EP01942402A EP01942402A EP1252420B1 EP 1252420 B1 EP1252420 B1 EP 1252420B1 EP 01942402 A EP01942402 A EP 01942402A EP 01942402 A EP01942402 A EP 01942402A EP 1252420 B1 EP1252420 B1 EP 1252420B1
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EP
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regeneration
untreated
state parameter
catalytic converter
lean
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Volkswagen AG
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    • F02D2200/0811—NOx storage efficiency

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for controlling a NO x regeneration of an arranged in the exhaust system of an internal combustion engine for motor vehicles NO x storage catalytic converter with the features mentioned in the independent claims.
  • NO x is reduced by the reducing agents CO and HC on the NO x storage catalyst.
  • the catalyst is associated with a so-called NO x storage, which absorbs the NO x under these conditions (summarized with the catalyst component to the NO x storage catalyst).
  • a storage capacity of the NO x storage catalytic converter is naturally limited, so that at regular intervals a NO x regeneration must be initiated by a change in rich atmosphere.
  • a rich setpoint is given for this purpose, namely until a lambda probe arranged downstream of the NO x storage catalytic converter falls below a predetermined rich threshold value. Subsequently, a normal operation of the internal combustion engine is resumed.
  • EP 872 633 A and EP 0598 917 A describe methods for NO x regeneration of an NO x storage catalytic converter, wherein a NO x charge state of the storage catalytic converter is determined and a regeneration need is determined when a threshold value for the loading state is exceeded. The regeneration is either terminated after the expiration of a predetermined duration depending on the previously determined load state or the NO x discharge is followed by calculation.
  • the NO x stored in the form of nitrate must first diffuse from deeper layers of the NO x storage in the direction of the interface.
  • the diffusion inhibition is not taken into account in the conventional methods for controlling the NO x regeneration, because it is assumed here that after reaching the rich threshold value, complete NO x regeneration is already present.
  • the NO x regeneration is in fact only incomplete, so that a subsequent lean phase is shortened and, as a result, fuel consumption is usually increased as well.
  • the object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method with which the NO x regeneration can be controlled so that a complete emptying of the NO x storage is ensured.
  • the device has means with which the mentioned method steps can be performed.
  • These means may comprise a controller in which a Procedure for controlling the multiple NOx regeneration is stored in digitized form.
  • the control unit can be integrated into an already frequently existing engine control unit.
  • the sizes mentioned allow a particularly reliable determination of a need to initiate the multiple NO x regeneration. In this way, an unnecessary multiple NO x regeneration and thus an unnecessary fuel consumption can be avoided.
  • the multiple NO x regeneration is realized in that first an NO x storage catalytic converter is charged n times with an exhaust gas in accordance with a rich desired specification (rich phases).
  • the specification of the lean target specification can also be made as a function of the value of the rich target specification.
  • such a lean setpoint is at least 0.04 units to choose greater than the bold setpoint.
  • the number (n) of the fat phases can be fixed in principle. It has, however proved to be advantageous, depending on a level of deviation of the To determine state parameters. For example, is the absorbency of the current Lean phase has fallen sharply compared to a previous lean phase, so will consequently increased the number. Preferably, this number, in order To prevent growth against infinity, limit by specifying a maximum value.
  • a success of previous multiple NO x regenerations can also be taken into account. This can be done, for example, such that the state parameters are compared before and after the previous multiple NO x regeneration. If the multiple NO x regeneration has not led to an improvement in the storage properties of the NO x storage catalytic converter to the desired extent, then the number of fat phases for the next multiple NO x regeneration can be increased. In a particularly preferred and simple manner, such a determination can be realized by specifying threshold values for the success of the preceding multiple NO x regeneration. If these threshold values are undershot, then the number (n) is increased. It goes without saying that a reduction in the number (n) of the fat phases can be carried out in the same way by reducing the number again in the previous "successful multiple NO x regeneration", of course only up to a minimum of two fat phases.
  • FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine 10 with an exhaust gas purification system 14 arranged in the exhaust gas system.
  • the exhaust gas purification system 14 comprises a precatalyst 16, for example in the form of a three-way catalytic converter and a NO x storage catalytic converter 18 arranged downstream thereof Equipped with sensors that allow to record the local air conditions, gas compositions and temperatures.
  • the gas sensor 24 is for example a lambda probe, which then provides information about an air ratio immediately after the internal combustion engine 10.
  • the gas sensor 26 carries a NO x -sensitive measuring device, so that NO x emissions downstream of the NO x storage 18 (NO x breakthrough emissions) can be detected.
  • NO x sensor usually also allows a simultaneous determination of the air conditions, thus providing a lambda value downstream of the NO x storage 18.
  • the signals detected by the sensors are usually sent to an engine control unit 28 passed.
  • the engine control unit 28 among other things, procedures in digital Form, which is a control of a combustion process in the Allow internal combustion engine 10.
  • an exhaust gas recirculation rate of an exhaust gas recirculation device 30, a Intake volume in a suction pipe 32 with a throttle valve 34 and not one here represented injection system can be influenced such that optionally rich, adjust stoichiometric or lean mixtures.
  • Such control is known and should therefore not be explained in detail at this point.
  • a control unit 36 is present - here integrated in the engine control unit 28 - in which also the signals detected by the sensors are provided.
  • a procedure for controlling a multiple NO x regeneration of the NO x storage catalytic converter 18 is stored in digitized form.
  • a NO x raw emission m roh is usually increased.
  • the reducing agents carbon monoxide CO and unburned hydrocarbons HC necessary for the conversion of the NO x are not sufficiently available under such conditions.
  • the catalyst has a NO x storage, which binds NO x as nitrate.
  • NO x storage By diffusion, the nitrate migrates with increasing duration of the lean phase in deeper layers of the NO x storage.
  • the nitrate bound in the deeper layers must therefore initially diffuse in the direction of an interface between the exhaust gas and the NO x storage catalyst 18. Since this process is much slower than the reaction with the reducing agents CO and HC, there is a diffusion inhibition at the end of the NO x regeneration. Nevertheless, to ensure a largely complete emptying of the NO x storage, proceed as follows:
  • Every lean operating phase of the internal combustion engine 10 is at least the detected one state parameter of the NO x storage catalytic converter 18 based on the measured or calculated NO x raw -Rohemission m and the NO x -sensitive measuring device detected NO x -Durchbruchsemission m. Furthermore, a deviation of the state parameters of a current lean operating phase and the state parameters in a previous lean operating phase is determined and in the presence of a regeneration need of the NO x storage 18 depending on the deviation, the NO x regeneration performed n times (multiple NO x -Regeneration).
  • a NO x -Absorptionstre A of the NO x storage 18 is suitable for a given NO x raw m raw, A.
  • the determination of a deviation ⁇ A 1 is shown in FIG.
  • the NO x absorption capacity A decreases with increasing raw emission m roh .
  • the NO x absorption capacity A can ideally reach a value 1, that is to say the entire raw emission is bound in the NO x storage catalytic converter 18 and no breakthrough emission m can be detected at the gas sensor 26.
  • the absorption capacity A decreases because first the nitrate bound at the interface must diffuse into deeper layers of the NO x storage.
  • the curve 40 shows a curve of the absorption capacity A at a fresh and unloaded NO x storage catalyst 18.
  • the curve 42 shows the curve of the absorption capacity A in a NO x storage catalyst 18, the storage capacity is already reduced compared to the fresh state, for example by a thermal damage or sulfur loading is present.
  • the curve 44 has been detected in time subsequent to the curve 42, and here the absorption capacity is further reduced.
  • FIG. 3 shows the time profiles of the breakdown emission m of a fresh storage catalytic converter (curve 52), a curve in a current lean phase (curve 56) and a profile in a preceding lean phase (curve 54).
  • the time interval t begins with a complete regeneration (NOx or SO x regeneration) and ends when a predetermined breakthrough emission mt is reached. Accordingly, the time intervals to, t 'and t "can be determined from the intersection points 58, 60, 62 with the curves 52, 54, 56. By forming the difference, a deviation ⁇ t 1 is obtained between the time intervals t' and t".
  • the deviations ⁇ A 1 , ⁇ t 1 can be read into a characteristic map whose output variable is a number n of the rich phases of the multiple NO x regeneration.
  • a characteristic map whose output variable is a number n of the rich phases of the multiple NO x regeneration.
  • very small deviations DA 1 , ⁇ t 1 , n is set to the value 1, so that the NO x regeneration is carried out in a manner known per se.
  • the solid bold line represents the lambda value before the NO x storage catalyst 18, and the broken line shows the history of the lambda value downstream thereof.
  • the internal combustion engine 10 is operated under lean conditions, wherein the state parameters are continuously determined in the aforementioned manner.
  • a changeover to a first rich phase takes place, in which the internal combustion engine 10 is adjusted to a rich desired value SV f .
  • an implementation of the absorbed NO x takes place in the region of the interface and the interface of nearby layers of the NO x storage.
  • T 2 ⁇ falls further.
  • the reducing agents CO and HC formed by the change in a rich atmosphere to an increased extent are therefore no longer used to the full extent for the reduction of NO x .
  • a lean exhaust gas is again provided on the engine side, in accordance with a lean setpoint specification SV m .
  • the NO x raw emission m roh emitted by the internal combustion engine 10 is relatively low or can largely be compensated by the still existing reducing agents CO, HC, so that re-absorption in the NO x reservoir takes place only to a very limited extent.
  • the value of the lean setpoint SV m it is also conceivable to determine the value as a function of the position of the rich setpoint SV f .
  • a lean setpoint SV m * exceeds the fat setpoint SV f by at least 0.04, so that if necessary also SV m * can still be in the rich range.
  • a new threshold SW m * must be set, which is between the two setpoints SV m *, SV f .
  • a number n of the fat phases during the multiple NO x regeneration can preferably be determined in such a way that depending on a height of the deviations (for example ⁇ A 1 , ⁇ t 1 ) a value is output with the aid of the characteristic field.
  • the number n can be determined as a function of the state parameters A, m, t, m raw before and after a previous multiple NO x regeneration.
  • FIG. 5 shows a corresponding flowchart. First, it is detected in a step S1 in the manner already described to what extent the state parameters of a current lean phase differ from a preceding lean phase. If there is only a slight deviation, the number n is set to 1 (step S2) and a NO x regeneration of a conventional type is performed. For larger deviations, the number n is set to a value greater than 1 (step S3).
  • a subsequent query it is checked whether a previous multiple NO x regeneration has been successfully performed (step S 4).
  • the state parameters are compared before and after the multiple NO x regeneration, wherein, in principle, as the positive deviation increases, an increased success, that is, a NO x storage capacity which is greater for the next lean phase, is available.
  • the determined value is still limited to a maximum value n max (step S9).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer NOX-Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOX-Speicherkatalysators, bei dem (a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Zustandsparameter des NOX-Speicherkatalysators anhand einer gemessenen oder berechneten NOX-Rohemission (mroh) der Verbrennungskraftmaschine und einer stromab durch eine NOX-sensitive Messeinrichtung erfassten NOX-Durchbruchsemission (m) im Abgas ermittelt wird, (b) eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase von den Zustandsparametern einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelt wird und (c) beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit in Abhängigkeit von der Abweichung die NOX-Regeneration n-mal durchgeführt wird (Mehrfach-NOX-Regeneration). Ferner betrifft sie eine Vorrichtung, die Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aufwe ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
Während eines Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine entstehen in unterschiedlichem Ausmaße Schadstoffe wie Kohlenmonoxid CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC oder Stickoxide NOx. Zur Reinigung des Abgases ist es bekannt, das Abgas durch im Abgasstrang angeordnete Katalysatoren zu leiten. Dazu wird üblicherweise CO und HC mit Sauerstoff an so genannten Oxidationskatalysatoren zu Kohlendioxid und Wasser konvertiert. NOx dagegen wird durch die Reduktionsmittel CO und HC am NOx-Speicherkatalysator reduziert. Im Magerbetrieb, insbesondere im verbrauchsoptimierten Bereich von Ottomotoren, bei einem Luftverhältnis von λ zirka 1,1 reichen die Reduktionsmittelmassenströme nicht mehr aus, um eine vollständige. Umsetzung des NOx zu gewähren. Daher ist dem Katalysator ein so genannter NOx-Speicher zugeordnet, der das NOx unter diesen Bedingungen absorbiert (zusammengefasst mit der Katalysatorkomponente zum NOx-Speicherkatalysator).
Eine Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators ist naturgemäß begrenzt, so dass in regelmäßigen Abständen eine NOx-Regeneration durch einen Wechsel in fette Atmosphäre eingeleitet werden muss. Üblicherweise wird dazu ein fetter Sollwert vorgegeben, und zwar so lange, bis eine stromab des NOx-Speicherkatatysators angeordnete Lambdasonde einen vorgegebenen fetten Schwellwert unterschreitet. Anschließend wird ein Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wieder aufgenommen.
EP 872 633 A und EP 0598 917 A beschreiben Verfahren zur NOx-Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators, wobei ein NOx-Beladungszustand des Speicherkatalysators bestimmt wird und bei Überschreitung eines Schwellenwertes für den Beladungszustand eine Regenerierungsnotwendigkeit festgestellt wird. Die Regeneration wird entweder nach Ablauf einer in Abhängigkeit des zuvor ermittelten Beladungszustands vorgegeben Dauer abgebrochen oder die NOx-Entladung rechnerisch verfolgt.
Nach dem Wechsel in fette Atmosphäre erfolgt, wie geschildert, die Desorption des eingelagerten NOx und gleichzeitige Reduktion desselben mit den nun in ausreichendem Maße vorhandenen Reduktionsmitteln an der Katalysatorkomponente des NOx-Speicherkatalysators. Zu Beginn der NOx-Regeneration verläuft dieser Prozess kinetisch kontrolliert, da an einer Grenzfläche zwischen dem Abgas und dem NOx-Speicherkatalysator NOx in ausreichendem Maße vorhanden ist. Mit zunehmender Dauer der Fettphase kommen allerdings in immer größerem Maße Diffusionsvorgänge zum Tragen, die deutlich langsamer ablaufen. Eine solche Diffusionshemmung steigt mit zunehmendem NOx-Beladungsgrad und mit zunehmender Schichtdicke des NOx-Speichers. So muss am Ende der Fettphase das in Form von Nitrat gespeicherte NOx zunächst aus tieferen Schichten des NOx-Speichers in Richtung der Grenzfläche diffundieren. Die Diffusionshemmung wird bei den herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der NOx-Regeneration nicht berücksichtigt, weil hier angenommen wird, dass nach dem Erreichen des fetten Schwellenwertes bereits vollständige NOx-Regeneration gegeben sei. insbesondere bei hohen Beladungsraten ist tatsächlich jedoch die NOx-Regeneration nur unvollständig, so dass sich eine anschließende Magerphase verkürzt und damit einhergehend zumeist auch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die NOx-Regeneration so gesteuert werden kann, dass eine vollständige Entleerung des NOx-Speichers sichergestellt ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen können die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Gemäß dem Verfahren wird
  • (a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine und einer stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung erfassten NOx-Durchbruchsemission im Abgas ermittelt,
  • (b) eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase von den Zustandsparametern einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelt und
  • (c) bei Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit und in Abhängigkeit von der Abweichung eine Mehrfach-NOx-Regeneration mit einer Anzahl von n Fettphasen durchgeführt wird, wobei n ≥ 2 ist.
    • Somit wird unter Beachtung ausgewählter Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators in bestimmten Betriebssituationen eine Mehrfach-NOx-Regeneration eingeleitet, die die vollständige Entleerung des-NOx-Katalysators bewirkt.
    Die Vorrichtung weist dazu Mittel auf, mit denen die genannten Verfahrensschritte durchgeführt werden können. Diese Mittel können ein Steuergerät umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der Mehrfach-NOx-Regeneration in digitalisierter Form hinterlegt ist. Das Steuergerät kann in ein bereits häufig vorhandenes Motorsteuergerät integriert werden.
    In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden als Zustandsparameter
    • eine NOx-Absorptionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysator bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission und/oder
    • eine NOx-Durchbruchsemission bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission und/oder
    • ein Zeitintervall, beginnend mit einer vollständigen Regeneration (NOx- oder SOx-Regeneration) bis zum Erreichen einer vorgegebenen NOx-Durchbruchsemission und/oder
    • eine NOx-Rohemission bei einer vorgegebenen NOx-Absorptionsfähigkeit
    ermittelt.
    Die genannten Größen erlauben eine besonders sichere Bestimmung einer Notwendigkeit, die Mehrfach-NOx-Regeneration einzuleiten. Auf diese Weise kann eine unnötige Mehrfach-NOx-Regeneration und damit ein unnötiger Mehrverbrauch an Kraftstoff vermieden werden.
    In bevorzugter Weise wird die Mehrfach-NOx-Regeneration dadurch realisiert, dass zunächst ein NOx-Speicherkatalysator n-mal mit einem Abgas entsprechend einer fetten Sollvorgabe beaufschlagt wird (Fettphasen). Die Fettphase endet jeweils, wenn stromab des NOx-Speicherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 (fetter Schwellenwert) erreicht wird. Mit Ende der Fettphasen wird der NOx-Speicherkatalysator (n-1)-mal bis n-mal mit einem Abgas entsprechend einer mageren Sollvorgabe beaufschlagt, und zwar so lange, bis stromab des NOx-Speicherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 1,001 bis 1,2 (magerer Schwellenwert) erreicht wird. Die magere Sollvorgabe liegt bevorzugt in einem Bereich von λ = 1,05 bis 1,5, also deutlich unter den Luftverhältnissen, wie sie in einem Normalbetrieb in einer verbrauchsoptimierten Magerphase herrschen, so dass mit nur sehr geringen zusätzlichen NOx-Emissionen zu rechnen ist. Diese kurze Magerphase wird bereits abgebrochen, wenn der Lambdawert den mageren Schwellenwert erreicht ist, also auch eine Sauerstoffbeladung des NOx-Speicherkatalysators weitestgehend abgeschlossen ist. Alternativ dazu kann die Vorgabe der mageren Sollvorgabe auch in Abhängigkeit von dem Wert der fetten Sollvorgabe erfolgen. Bevorzugt ist eine solche magere Sollvorgabe um zumindest 0,04 Einheiten größer zu wählen als die fette Sollvorgabe.
    Die Anzahl (n) der Fettphasen kann prinzipiell fest vorgegeben werden. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, diese in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichung der Zustandsparameter zu bestimmen. Ist beispielsweise die Absorptionsfähigkeit der aktuellen Magerphase im Vergleich zu einer vorhergehenden Magerphase stark abgefallen, so wird konsequenterweise die Anzahl erhöht. Vorzugsweise lässt sich diese Anzahl, um ein Anwachsen gegen unendlich zu verhindern, durch Vorgabe eines Maximalwertes begrenzen.
    Alternativ oder in Kombination zu vorgenannter Vorgehensweise bei der Bestimmung der Anzahl der Fettphasen kann auch ein Erfolg vorhergehender Mehrfach-NOx-Regenerationen berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Zustandsparameter vor und nach der vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration verglichen werden. Hat die Mehrfach-NOx-Regeneration nicht im gewünschten Ausmaß zu einer Verbesserung der Speichereigenschaften des NOx-Speicherkatalysators geführt, so kann die Anzahl der Fettphasen für die nächste Mehrfach-NOx-Regeneration erhöht werden. In besonders bevorzugter und einfacher Weise kann eine solche Festlegung durch Vorgabe von Schwellenwerten für den Erfolg der vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration realisiert werden. Beim Unterschreiten dieser Schwellenwerte wird dann die Anzahl (n) erhöht. Eine Minderung der Anzahl (n) der Fettphasen kann selbstverständlich in an sich gleicher Art und Weise erfolgen, indem bei vorhergehender "erfolgreicher Mehrfach-NOx-Regeneration" die Anzahl wieder zurückgeführt wird, natürlich nur bis zu einer Mindestanzahl von zwei Fettphasen.
    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
    ein Prinzipschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage, die einen NOx-Speicherkatalysator beinhaltet;
    Figur 2
    einen Verlauf einer Absorptionsfähigkeit in Abhängigkeit von einer NOx- Rohemission;
    Figur 3
    einen Verlauf einer NOx-Durchbruchsemission in Abhängigkeit von der Zeit;
    Figur 4
    die Verläufe der Luftverhältnisse stromab und stromauf des NOx- Speicherkatalysators während einer Mehrfach-NOx-Regeneration und
    Figur 5
    ein Ablaufdiagramm zur Steuerung der Mehrfach-NOx-Regeneration.
    Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer im Abgasstrang 12 angeordneten Abgasreinigungsanlage 14. Die Abgasreinigungsanlage 14 umfasst einen Vorkatalysator 16, beispielsweise in Form eines Dreiwegekatalysators und einen stromab dazu angeordneten NOx-Speicherkatalysator 18. Ferner ist der Abgasstrang 12 mit einer Sensorik ausgestattet, die es erlaubt, die örtlichen Luftverhältnisse, Gaszusammensetzungen und Temperaturen zu erfassen. Dazu sind einerseits bis zu zwei Temperatursensoren 20, 22 als auch zwei Gassensoren 24, 26 im Abgasstrang 12 integriert. Der Gassensor 24 ist beispielsweise eine Lambdasonde, die dann Auskunft über ein Luftverhältnis unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine 10 gibt. Der Gassensor 26 trägt eine NOx-sensitive Messeinrichtung, so dass NOx-Emissionen stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 (NOx-Durchbruchsemissionen) detektiert werden können. Ein solcher NOx-Sensor ermöglicht zumeist auch eine gleichzeitige Bestimmung der Luftverhältnisse, liefert also einen Lambdawert stromab des NOx-Speicherkatalysators 18.
    Die durch die Sensorik erfassten Signale werden üblicherweise an ein Motorsteuergerät 28 weitergegeben. In dem Motorsteuergerät 28 können unter anderem Prozeduren in digitaler Form hinterlegt sein, die eine Steuerung eines Verbrennungsvorgangs in der Verbrennungskraftmaschine 10 erlauben. Durch Vorgabe geeigneter Stellgrößen können beispielsweise eine Abgasrückführrate einer Abgasrückführeinrichtung 30, ein Ansaugvolumen in einem Saugrohr 32 mit einer Drosselklappe 34 und ein hier nicht dargestelltes Einspritzsystem derart beeinflusst werden, dass sich wahlweise fette, stöchiometrische oder magere Gemische einstellen. Eine derartige Steuerung ist bekannt und soll daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
    Ferner ist ein Steuergerät 36 vorhanden - hier in das Motorsteuergerät 28 integriert -, in dem ebenfalls die durch die Sensorik erfassten Signale bereitgestellt werden. In dem Steuergerät 36 ist eine Prozedur zur Steuerung einer Mehrfach-NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 in digitalisierter Form hinterlegt.
    Während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 unter mageren Bedingungen, insbesondere unter verbrauchsoptimierten Gesichtspunkten, ist zumeist eine NOx-Rohemission mroh erhöht. Die zur Konvertierung des NOx notwendigen Reduktionsmittel Kohlenmonoxid CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC stehen unter solchen Bedingungen nicht in einem ausreichenden Maße zur Verfügung. Zur Abhilfe weist der Katalysator einen NOx-Speicher auf, der NOx als Nitrat bindet. Durch Diffusion wandert das Nitrat mit zunehmender Dauer der Magerphase auch in tiefere Schichten des NOx-Speichers. Zur vollständigen NOx-Regeneration muss das in den tieferen Schichten gebundene Nitrat demnach zunächst in Richtung einer Grenzfläche zwischen dem Abgas und dem NOx-Speicherkatalysator 18 diffundieren. Da dieser Prozess sehr viel langsamer ist als die Umsetzung mit den Reduktionsmitteln CO und HC, besteht am Ende der NOx-Regeneration eine Diffusionshemmung. Um dennoch eine weitestgehend vollständige Entleerung des NOx-Speichers sicherzustellen, muss wie folgt vorgegangen werden:
    Zunächst wird in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine 10 zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators 18 anhand der gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission mroh und der durch die NOx-sensitive Messeinrichtung erfassten NOx-Durchbruchsemission m ermittelt. Im Weiteren wird eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase und den Zustandsparametern in einer vorhergehenden mageren Betriebsphase bestimmt und beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit des NOx-Speicherkatalysators 18 in Abhängigkeit von der Abweichung die NOx-Regeneration n-mal durchgeführt (Mehrfach-NOx-Regeneration).
    Als Zustandsparameter eignet sich beispielsweise eine NOx-Absorptionsfähigkeit A des NOx-Speicherkatalysators 18 bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission mroh,A. Die Ermittlung einer Abweichung ΔA1 ist der Figur 2 zu entnehmen. Die NOx-Absorptionsfähigkeit A sinkt mit zunehmender Rohemission mroh. Zu Beginn, also nach Ende einer vorhergehenden Regeneration, kann die NOx-Absorptionsfähigkeit A idealerweise einen Wert 1 erreichen, das heißt, die gesamte Rohemission wird in dem NOx-Speicherkatalysator 18 gebunden und am Gassensor 26 kann keine Durchbruchsemission m detektiert werden. Mit zunehmender Beladung sinkt die Absorptionsfähigkeit A, da zunächst das an der Grenzfläche gebundene Nitrat in tiefere Schichten des NOx-Speichers diffundieren muss. Ist insgesamt eine NOx-Speicherkapazität bereits durch Verschwefelung oder unvollständige NOx-Regeneration gemindert, so sinkt die NOx-Absorptionsfähigkeit A stärker ab. Exemplarisch sind hierzu drei Kurven 40, 42, 44 eingetragen. Die Kurve 40 zeigt dabei einen Verlauf der Absorptionsfähigkeit A bei einem frischen und unbeladenen NOx-Speicherkatalysator 18. Die Kurve 42 zeigt den Verlauf der Absorptionsfähigkeit A bei einem NOx-Speicherkatalysator 18, dessen Speicherkapazität bereits gegenüber dem Frischzustand gemindert ist, indem beispielsweise eine thermische Schädigung oder Schwefelbeladung vorliegt. Die Kurve 44 ist zeitlich nachfolgend zur Kurve 42 erfasst worden, und hier ist die Absorptionsfähigkeit noch weiter gemindert. In den Schnittpunkten 46, 48, 50 mit der gegebenen Rohemission mroh,A stehen damit die Werte A0, A' und A" für die Absorptionsfähigkeit zur Verfügung. Durch Differenzbildung der aktuellen Größe A" und der Größe A' aus der vorhergehenden Magerphase ergibt sich eine Abweichung ΔA1.
    In eben gleicher Weise kann als Zustandsparameter ein Zeitintervall t dienen. Die Figur 3 zeigt dazu die zeitlichen Verläufe der Durchbruchsemission m eines frischen Speicherkatalysators (Kurve 52), einen Verlauf in einer aktuellen Magerphase (Kurve 56) und einen Verlauf in einer dazu vorhergehenden Magerphase (Kurve 54). Das Zeitintervall t beginnt mit einer vollständigen Regeneration (NOx- oder SOx-Regeneration) und endet mit Erreichen einer vorgegebenen Durchbruchsemission mt. Aus den Schnittpunkten 58, 60, 62 mit den Kurven 52, 54, 56 lassen sich demnach die Zeitintervalle to, t' und t" bestimmen. Durch Differenzbildung erhält man eine Abweichung Δt1 zwischen den Zeitintervallen t' und t".
    Neben den vorgenannten Zustandsparametern sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch andere die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 18 charakterisierende Parameter genutzt werden können. So ist beispielsweise denkbar, dazu eine Durchbruchsemission m bei einer vorgegebenen Rohemission mroh,m oder eine Rohemission mroh bei einer vorgegebenen Absorptionsfähigkeit Am,roh zu bestimmen. Zur Erhöhung der Genauigkeit können die nachfolgend ermittelten Abweichungen der eintretenden Zustandsparameter noch miteinander kombiniert werden. Zum besseren Vergleich können die erfassten Zustandsparameter mit den Zustandsparametern eines frischen Speicherkatalysators normiert werden.
    In Abhängigkeit von den zuvor bestimmten Abweichungen ΔA1 oder Δt1 kann nun bestimmt werden, ob die Bedingungen zur Initiierung der Mehrfach-NOx-Regeneration erfüllt sind. Dazu können die Abweichungen ΔA1, Δt1 in ein Kennfeld eingelesen werden, dessen Ausgangsgröße eine Anzahl n der Fettphasen der Mehrfach-NOx-Regeneration ist. Bei sehr geringen Abweichungen DA1, Δt1 wird n auf den Wert 1 gesetzt, so dass die NOx-Regeneration in an sich bekannter Weise durchgeführt wird.
    Die Figur 4 zeigt einen Verlauf der Lambdawerte stromauf und stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 während einer Mehrfach-NOx-Regeneration mit zwei Fettphasen (n = 2). Die durchgezogene fette Linie steht für den Lambdawert vor dem NOx-Speicherkatalysator 18, und die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf des Lambdawertes stromab desselben.
    Zunächst wird die Verbrennungskraftmaschine 10 unter mageren Bedingungen betrieben, wobei laufend die Zustandsparameter in vorgenannter Weise ermittelt werden. Nachdem eine Regenerationsnotwendigkeit ermittelt wurde, erfolgt ab einem Zeitpunkt T1 ein Wechsel in eine erste Fettphase, indem die Verbrennungskraftmaschine 10 auf eine fette Sollvorgabe SVf eingeregelt wird. Mit durch ein Totvolumen verursachter Zeitverzögerung fällt der Lambdawert stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 auf λ =1. In dieser Zeit findet eine Umsetzung des absorbierten NOx im Bereich der Grenzfläche und der Grenzfläche nahegelegener Schichten des NOx-Speichers statt. Ab einem Zeitpunkt T2 fällt λ weiter ab. Die durch den Wechsel in fetter Atmosphäre im erhöhten Ausmaß gebildeten Reduktionsmittel CO und HC werden also nicht mehr im vollen Umfang zur Reduzierung von NOx genutzt.
    Nach dem Unterschreiten eines fetten Schwellenwertes SWf (Zeitpunkt T3) wird motorseitig wieder ein mageres Abgas bereitgestellt, und zwar entsprechend einer mageren Sollvorgabe SVm. Der fette Schwellenwert liegt SWf insbesondere im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 und die magere Sollvorgabe SVm in einem Bereich von λ = 1,05 bis 1,5. Unter letzteren Bedingungen ist die von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierte NOx-Rohemission mroh relativ gering beziehungsweise kann weitestgehend durch die noch vorhandenen Reduktionsmittel CO, HC kompensiert werden, so dass eine erneute Absorption in dem NOx-Speicher nur in sehr geringem Umfang stattfindet.
    Entsprechend dem Wechsel der atmosphärischen Bedingungen ändert sich auch der Lambdawert stromab des NOx-Speicherkatalysators 18. Er steigt dabei zunächst auf einen Wert von λ = 1 und verharrt auf diesem, bis eine Sauerstoffbeladung des NOx-Speichers abgeschlossen ist (Zeitpunkt T4). Wenn der Lambdawert in einem Zeitpunkt T5 einen vorgegebenen mageren Schwellenwert SWm überschreitet, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch motorseitig wieder entsprechend der fetten Sollvorgabe SVf eingestellt. Der magere Schwellenwert SWm liegt in einem Bereich von λ = 1,001 bis 1,2: Wenn zu einem Zeitpunkt T6 der Lambdawert stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 erneut unter den Schwellenwert SWf fällt, wird wieder ein Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 freigeschaltet. Unter bestimmten Umständen kann es sinnvoll sein, statt eines direkten Überganges in den Normalbetrieb zunächst noch einmal den Speicherkatalysator 18 entsprechend der mageren Sollvorgabe SVm zu beaufschlagen und erst ab einem Zeitpunkt, in dem der magere Schwellenwert SWm überschritten wird, den Normalbetrieb wieder aufzunehmen. Die Anzahl der mageren und fetten Sollvorgaben SVm, SVf ist dann gleich.
    Neben dem vorab geschilderten bevorzugten Bereich für den Wert der mageren Sollvorgabe SVm ist es auch denkbar, den Wert in Abhängigkeit von der Lage der fetten Sollvorgabe SVf zu bestimmen. Eine magere Sollvorgabe SVm* übersteigt dabei die fette Sollvorgabe SVf um zumindest 0,04, so dass gegebenenfalls auch SVm* noch im fetten Bereich liegen kann. Selbstverständlich muss für letzteren Fall auch ein neuer Schwellenwert SWm* festgelegt werden, der zwischen den beiden Sollvorgaben SVm*, SVf liegt.
    Eine Anzahl n der Fettphasen während der Mehrfach-NOx-Regeneration lässt sich vorzugsweise derart ermitteln, dass in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichungen (zum Beispiel ΔA1, Δt1) ein Wert mit Hilfe des Kennfeldes ausgegeben wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann die Anzahl n in Abhängigkeit von den Zustandsparametern A, m, t, mroh vor und nach einer vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration bestimmt werden. Der Figur 5 ist ein entsprechendes Ablaufdiagramm zu entnehmen. Zunächst wird in einem Schritt S1 in der bereits geschilderten Art und Weise erfasst, in welchem Umfang sich die Zustandsparameter einer aktuellen Magerphase von einer vorhergehenden Magerphase unterscheiden. Ist lediglich eine geringfügige Abweichung vorhanden, so wird die Anzahl n auf 1 gesetzt (Schritt S2) und es wird eine NOx-Regeneration herkömmlicher Art durchgeführt. Bei größeren Abweichungen wird die Anzahl n auf einen Wert größer als 1 gesetzt (Schritt S3).
    In einer sich anschließenden Abfrage wird überprüft, ob eine vorhergehende Mehrfach-NOx-Regeneration erfolgreich durchgeführt wurde (Schritt S4). Dazu werden die Zustandsparameter vor der Mehrfach-NOx-Regeneration und nach derselben verglichen, wobei prinzipiell mit steigender positiver Abweichung ein erhöhter Erfolg, das heißt eine für die nächste Magerphase größere NOx-Speicherkapazität bereitsteht. Eine solche Abfrage lässt sich derart ausführen, dass Schwellenwerte SWM,A, SWM,m, SWM,t und SWM,m,roh vorgegeben werden, bei deren Unterschreiten die Anzahl n auf n = n + 1 erhöht wird.
    Liegt die Abweichung oberhalb letztgenannter Schwellenwerte, so wird in einer Abfrage S6 überprüft, ob die Anzahl n um 1 gemindert werden kann, ohne dass der Wert kleiner als 2 wird. Ist dies zu bejahen, wird die Anzahl n auf n = n - 1 festgelegt (Schritt S8). Ansonsten wird die Anzahl n auf n = 2 gesetzt (Schritt S7). Gegebenenfalls wird der ermittelte Wert noch auf einen Maximalwert nmax begrenzt (Schritt S9).

    Claims (17)

    1. Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators (18), bei dem
      (a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators (18) anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission (mroh) der Verbrennungskraftmaschine (10) und einer stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung (26) erfassten NOx-Durchbruchsemission (m) im Abgas ermittelt wird,
      (b) eine Abweichung des mindestens einen Zustandsparameters einer aktuellen mageren Betriebsphase von dem mindestens einen Zustandsparameter einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelt wird und
      (c) bei Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit und in Abhängigkeit von der Abweichung eine Mehrfach-NOx-Regeneration mit einer Anzahl von n Fettphasen durchgeführt wird, wobei n ≥ 2 ist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsparameter eine NOx-Absorptionsfähigkeit (A) des NOx-Speicherkatalysators (18) bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission (mroh,A) umfasst.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsparameter eine NOx-Durchbruchsemission (m) bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission (mroh,m) umfasst.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsparameter ein Zeitintervall (t) beginnend mit einer vollständigen NOx- oder SOx-Regeneration bis zum Erreichen einer vorgegebenen NOx-Durchbruchsemission (mt) umfasst.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsparameter eine NOx-Rohemission (mroh) bei einer vorgegebenen NOx-Absorptionsfähigkeit (Am,roh) umfasst.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ermittelte Zustandsparameter (A, m, t, mroh) auf mindestens einen Zustandsparameter (A0, m0, t0, mroh,0) eines frischen NOx-Speicherkatalysators normiert wird.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Mehrfach-NOx-Regeneration der NOx-Speicherkatalysator (18)
      in n Fettphasen mit einem Abgas entsprechend einer fetten Sollvorgabe (SVf) beaufschlagt wird, bis jeweils stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) ein fetter Schwellenwert (SWf) entsprechend einem Lambdawert im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 erreicht wird und
      jeweils beginnend mit Ende der Fettphasen in n-1 bis n Magerphasen mit einem Abgas entsprechend einer mageren Sollvorgabe (SVm, SVm*) beaufschlagt wird, bis stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) ein magerer Schwellenwert (SWm, SWm*) im Bereich von λ = 1,001 bis 1,2 erreicht wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magere Sollvorgabe (SVm) im Bereich von λ = 1,05 bis 1,5 liegt.
    9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magere Sollvorgabe (SVm*) einen Lambdawert aufweist, der zumindest um 0,04 über der fetten Sollvorgabe (SVf) liegt.
    10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Fettphasen in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichung des mindestens einen Zustandsparameters (A, m, t, mroh) bestimmt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) durch einen vorgegebenen Maximalwert (nmax) begrenzt wird.
    12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Fettphasen in Abhängigkeit von dem mindestens einen Zustandsparameter (A, m, t, mroh) vor und nach einer vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration bestimmt wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) erhöht wird, wenn eine Abweichung des mindestens einen Zustandsparameters (A, m, t, mroh) vor der Mehrfach-NOx-Regeneration und nach derselben einen vorgegebenen Schwellenwert (SWM,A, SWM,m, SWM,t, SWM,m,roh) unterschreitet.
    14. Vorrichtung zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) für Kraftzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators (18), bei der Mittel vorhanden sind, mit denen
      (a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators (18) anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission (mroh) der Verbrennungskraftmaschine (10) und einer stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung (26) erfassten NOX-Durchbruchsemission (m) im Abgas ermittelbar ist,
      (b) eine Abweichung des mindestens einen Zustandsparameters einer aktuellen mageren Betriebsphase von dem mindestens einen Zustandsparameter einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelbar ist und
      (c) bei Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit und in Abhängigkeit von der Abweichung eine Mehrfach-NOx-Regeneration mit einer Anzahl von n Fettphasen und n ≥ 2 durchführbar ist.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel ein Steuergerät (36) umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der Mehrfach-NOx-Regeneration in digitalisierter Form hinterlegt ist.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (36) Teil eines Motorsteuergerätes (28) ist.
    17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) ein zur Bestimmung der Luftverhältnisse geeigneter Gassensor (26) im Abgasstrang (12) angeordnet ist.
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