EP1259718A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer nox-regeneration eines nox-speicherkatalysators - Google Patents

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

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EP1259718A1 EP01909616A EP01909616A EP1259718A1 EP 1259718 A1 EP1259718 A1 EP 1259718A1 EP 01909616 A EP01909616 A EP 01909616A EP 01909616 A EP01909616 A EP 01909616A EP 1259718 A1 EP1259718 A1 EP 1259718A1
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Description

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer NOx- Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speιcherkatalysators mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen
Es ist bekannt zur Reinigung eines Abgases von Verbrennungskraftmaschinen eine Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang zu integrieren Die Abgasremigungsanlage umfasst dabei üblicherweise Komponenten wie Partikelfilter oder Katalysatoren Soll eine NOx- Rohemission der Verbrennungskraftmaschine gemindert werden so umfassen diese Katalysatoren einen Reduktionskatalysator Sofern die Massenstrome an reduzierend wirkenden Schadstoffen wie Kohlenmonoxid CO und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen HC im Bereich des Reduktionskatalysators ausreichend hoch sind, wird mit Hilfe der Reduktionsmittel NOx zu Stickstoff konvertiert
Unter dem Gesichtspunkt minimierter Kraftstoffverbrauche hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Verbrennungskraftmaschine bei mageren Luftverhaltnissen zu betreiben Allerdings ist der Betrieb im verbrauchsoptimierten Bereich einerseits mit erhöhter NOx- Emission und andererseits mit verringerten Reduktionsmittelmassenstromen verbunden Zur Vermeidung hoher NOx-Emιssιonen ist daher dem Katalysator ein NOx-Speιcher zugeordnet, der das NOx als Nitrat absorbiert Der NOx-Speιcher kann mit dem Katalysator als sogenannter NOx-Speιcherkatalysator zusammengefasst werden
Eine Speicherkapazität des NOx-Speιcherkatalysators ist naturgemäß mengenmäßig beschrankt, so dass zur Vermeidung von NOx-Durchbruchen in regelmäßigen Abstanden eine NOx-Regeneratιon stattfinden muss Wahrend der NOx-Regeneratιon erfolgt ein Wechsel in den stochiometπschen oder fetten Betrieb Das zuvor in Form von Nitrat absorbierte NOx wird wieder freigesetzt Üblicherweise wird die NOx-Regeneratιon in Gang gesetzt, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx-Speιcherkatalysators oder eine stromab durch eine NOx-sensιtιve Messeinrichtung erfasste NOx-Emιssιon (Durchbruchsemission) überschritten wird Nachteilig hierbei ist, dass die Bestimmung einer Regenerationsnotwendigkeit in allen Betriebsphasen des Kraftfahrzeuges nach den gleichen Kriterien erfolgt Da jedoch in einer Leerlaufphase wesentlich geringere Abgasstrome und damit bei eingeleiteter NOx-Regeneratιon geringere Reduktionsmittelmassenstrome vorhanden sind kann das wieder desorbierte NOx nur noch unvollständig an der Katalysatorkomponente reduziert werden Neben der unerwünscht hohen NOx-Emιssιon wahrend der NOx-Regeneratιon ist ein regenerationsbedingter Mehrverbrauch in der Leerlaufphase hoher als in Phasen hoher Lastanforderungen an die Verbrennungskraftmaschine Weiterhin ist nachteilig dass die NOx-Regeneratιon im Leerlauf häufig mit einer unerwünschten Larmentwicklung einhergeht Zusätzlich dauern NOx-Regeneratιonen im Leerlauf wegen der geringeren Abgasstrome langer und der verbrauchsungunstige Betrieb muss daher auch langer aufrechterhalten werden
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfugung zu stellen mit denen die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können Die gefundene Losung soll sich dabei in einfacher Weise in bereits regelungstechnisch bewahrten Modellen integrieren lassen
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung und das Verfahren zur
Steuerung der NOx-Regeneratιon des NOx-Speιcherkatalysator mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelost Dadurch dass gemäß dem Verfahren
(a) erfasst wird ob die Verbrennungskraftmaschine in einen Leerlauf geschaltet ist und
(b) alternativ oder in beliebiger Kombination
- im Leerlauf der Schwellenwert für den Beladungszustand oder die NOx-Emιssιon erhöht wird
- die NOx-Regeneratιon nur nach Ablauf vorgegebener Zeitintervalle eingeleitet wird und
eine laufende NOx-Regeneratιon beim Wechsel in den Leerlauf unterbrochen wird
kann zum Beispiel eine Magerphase im Leerlaufbet leb bis zur nächsten zwingend erforderlichen NOx-Regeneratιon verlängert werden be ziehungsweise entsprechend den vorgegebenen Zeitintervallen geregelt werden Die erfindungsgemaße Vorrichtung besitzt dabei Mittel, mit denen die geschilderten Verfahrensschritte durchfuhrbar sind Ein solches Mittel ist vorzugsweise ein Steuergerat, in dem eine Prozedur in digitalisierter Form hinterlegt ist, die die Steuerung der NOx- Regeneration im Leerlauf ermöglicht Das Steuergerat kann als selbständige Steuereinheit realisiert werden oder aber auch in ein bereits häufig vorhandenes Motorsteuergerat integriert werden
Wird wahrend eines Wechsels in den Leerlauf gerade eine NOx-Regeneratιon durchgeführt, so wird diese in bevorzugter Weise zu Ende gefuhrt, wenn der Wechsel in den Leerlauf in einer Schubabschaltungsphase erfolgt eine Drehzahl oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt oder eine Kraftfahrzeuggeschwindigkeit noch eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit übersteigt Bei Unterbrechung der NOx-Regeneratιon wird ein Merker gesetzt, der dazu fuhrt, dass die NOx-Regeneratιon in einer sich anschließenden Beschleunigungsphase fortgeführt wird Selbstverständlich wird der Merker zurückgenommen, wenn bereits eine NOx-Regeneratιon im Leerlaufbetrieb durchgeführt werden musste
Weiterhin ist bevorzugt, die NOx-Regeneratιon unter Vorgabe eines Lambdawertes im Bereich von 0,85 bis 1 ,0 durchzufuhren Auf alle Falle sollte die NOx-Regeneratιon jedoch weniger fett als bei sonst üblichen NOx-Regeneratιonen durchgeführt werden Hierdurch lasst sich die Larmentwicklung im Vergleich zur "normalen" NOx-Regeneratιon bei Lambdawerten die deutlich geringer sind als 0,85, herabsetzen In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine NOx-Regeneratιon im Leerlauf immer dann eingeleitet, wenn aus irgendeinem Grund ein Wechsel in einen λ=1 -Betrieb erforderlich ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Druck in einem Bremskraftverstarker erhöht werden soll
Insgesamt kann durch die genannten Maßnahmen eine Anzahl an NOx-Regeneratιonen im Leerlaufbetrieb gegenüber den sonstigen Betriebsphasen des Kraftfahrzeuges gemindert werden, so dass Kraftstoffverbrauch, NOx-Emιssιon wahrend der NOx-Regeneratιon und die Larmentwicklung verringert werden
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteranspruchen genannten Merkmalen Die Erfindung wird nachfolgenc in einem Ausfuhrungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen naher erläutert Es ..eigen
Figur 1 ein Pnnzipschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einem im Abgasstrang angeordneten NOx-Speιcherkatalysator und
Figur 2 ein Blockschaltbild zur Steuerung einer NOx-Regeneratιon des NOx-
Speicherkatalysators im Leerlauf
Die Figur 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem nachfolgend im Abgasstrang 12 angeordneten NOx-Speιcherkatalysator 14 Hierbei ist dem Abgasstrang 12 eine geeignete Sensorik zur Erfassung der Luftverhaltnisse im Abgas oder der Anteile spezifischer Schadstoffkomponeπten zugeordnet So kann beispielsweise ein Gasseπsor 16 als Lambdasonde und ein Gassensor 18 als NOx-sensιtιve Messeinrichtung vorgesehen sein Die durch die Sensorik erfassten Daten werden in bekannter Weise in einem Motorsteuergerat 20 zur Verfugung gestellt In dem Motorsteuergerat 20 sind in digitalisierter Form Modelle hinterlegt, mit denen Stellgroßen für der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordneten Komponenten ermittelt werden Die Komponenten erlauben eine Beeinflussung des Verbrennungsvorganges hinsichtlich eines Luftverhaltnisses, eines Zundwinkels oder auch einer eingespritzten Kraftstoffmasse So kommen beispielsweise als Stellgroßen in Frage ein Offnungswinkel eines Abgasruckfuhrventils 22 oder eine Stellung einer Drosselklappe 24 Die Vorrichtung und das Verfahren zur Regulierung des Verbrennungsvorganges sind hinreichend bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht naher erläutert
Daneben werden weitere Zustandsparameter, wie zum Beispiel eine Drosselklappenstellung oder ein Fahrpedalwinkel, in das Motorsteuergerat 20 eingelesen, mit denen in bekannter Weise ermittelt werden kann, ob sich das Kraftfahrzeug in einer Phase des Leerlaufes befindet Dieser Status des Kraftfahrzeuges wird anschließend in ein Steuergerat 36 eingelesen, das hier in dem Motorsteuergerat 20 implementiert ist
Herrscht ein Sauerstoffuberschuss wahrend des Verbrennungsvorganges eines Luft- Kraftstoff-Gemisches, ist eine NOx-Rohemιssιon der Verbrennungskraftmaschine 10 erhöht und gleichzeitig sind die zur Konvertierung von NOx benotigten Reduktionsmittel Kohlenmonoxid CO und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC gemindert Da sich dieser Betriebsbereich als besonders verbrauchsgunstig erwiesen hat, muss zur Vermeidung von NOx-Emιssιonen das NO in einer Speicherkomponente des NOx- Speicherkatalysators 14 absorbiert werden Erfolgt ein Wechsel in den stochiometπschen oder fetten Betrieb wird das in Form von Nitrat gespeicherte NOx zumindest unmittelbar nach Wechsel der atmosphärischen Bedingungen im NOx-Speιcherkatalysator 14 wieder sehr schnell desorbiert Bei zu niedrigen Reduktionsmittelmassenstromen ist dann eine Bereitstellung der Reduktionsmittel an der Katalysatorkomponente des NOx- Speicherkatalysators nicht in dem notwendigen Maße möglich so dass unerwünschte NOx- Emissionen auftreten können
Mit Hilfe des nachfolgend geschilderten Verfahrens (siehe Figur 2) ist es unter anderem möglich in der durch niedrige Abgasstrome gekennzeichneten Leerlaufphase den Magerbetrieb langer aufrechtzuerhalten und damit eine Anzahl von NOx-Regeneratιonen im Leerlaufbetrieb gegenüber anderen Betriebsphasen zu reduzieren Weiterhin kann eine Larmentwicklung durch die NOx-Regeneratιon unterdruckt werden
Zunächst wird in einer ersten Abfrage ermittelt, ob sich das Kraftfahrzeug in einer Leerlaufphase befindet (Schritt S1 ) Ist dies zu verneinen, so kann die NOx-Regeneratιon des NOχ-Speιcherkatalysators 14 nach einem herkömmlichen Verfahren gesteuert werden Dazu kann beispielsweise ein Beladungszustand des NOx-Speιcherkatalysators 14 oder eine NOx-Emιssιon stromab des NOx-Speιcherkatalysators 14 überwacht werden (Schritt S2) Beim Überschreiten eines Schwellenwertes für diese Große wird die NOx-Regeneratιon durch einen Wechsel in den stochiometπschen oder fetten Betrieb initiiert
Liegt eine Leerlaufphase vor so wird zunächst in einer sich anschließenden Abfrage (Schritt S3) ermittelt ob der Wechsel in den Leerlauf wahrend einer laufenden NOx-Regeneratιon stattfindet Ist dies zu bejahen so wird im Schritt S4 ermittelt ob eine Schubabschaltungsphase vorliegt und/oder das Kraftfahrzeug noch eine Geschwindigkeit aufweist, die oberhalb einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit liegt, und/oder eine Drehzahl einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt Liegen diese Randbedingungen vor, so wird zunächst die NO -Regeneratιon zu Ende gefuhrt (Schritt S5) Ansonsten wird die laufende NOx-Regeneratιon unterbrochen und ein Merker gesetzt (Schritt S6) Mit Hilfe des Merkers wird sichergestellt, dass nach Ende der Leerlaufphase beispielsweise in einer sich anschließenden Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeuges, die NOx-Regeneratιon wieder aufgenommen wird
Den Schritten S5 und S6 oder wenn der Wechsel in den Leerlauf nicht wahrend einer laufenden NOx-Regeneratιon erfolgt (Schritt S3) schließt sich eine Neufestlegung der Schwellenwerte zur Bestimmung der Regenerationsnotwendigkeit an (Schritt S7) Dazu werden die in den herkömmlichen Verfahren genutzten Schwellenwerte für den Beladungszustand beziehungsweise die NOx-Emιssιon erhöht Selbstverständlich sind die Werte so festzulegen, dass es im Leerlauf nicht zu erheblichen NOx-Durchbruchen kommen kann Aufgrund der geringen Abgasmassenstrome kann dies jedoch auch mit höheren Schwellenwerten als für die anderen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine 10 sichergestellt werden
Alternativ zu letzterer Vorgehensweise kann im Schritt S7 ein festes Zeitintervall vorgegeben werden, nach dessen Ablauf die NOx-Regeneratιon durchgeführt werden muss Neben der geschilderten Vorgehensweise zur Regelung der NOx-Regeneratιon im Leerlauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Luftverhaltnis wahrend der NOx-Regeneratιon auf einen Wert im Bereich von λ = 0,85 bis 1 ,0 und zumindest weniger fett als bei sonst üblichen NOx- Regenerationen festzulegen, da dann die Larmentwicklung wesentlich geringer ist
BEZUGSZEICHENLISTE
Verbrennungskraftmaschine Abgasstrang NOx-Speιcherkatalysator Gassensor Gassensor Motorsteuergerat Abgasruckfuhrventil Drosselklappe Steuergerat

Claims

P A T E N TA N S P R Ü C H E
Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneratιon eines im Abgasstrang (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx- Speicherkatalysators (14), wobei die NOx-Regeneratιon zumindest dann eingeleitet wird, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx- Speicherkatalysators (14) oder eine NOx-Emιssιon stromab des NOx- Speicherkatalysators (14) überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) erfasst wird, ob die Verbrennungskraftmaschine (10) in einen Leerlauf geschaltet ist und
(b) alternativ oder in beliebiger Kombination
im Leerlauf der Schwellenwert für den Beladungszustand oder die NOx- Emission erhöht wird,
- die NOx-Regeneratιon nur nach Ablauf vorgegebener Zeitintervalle eingeleitet
eine laufende NOx-Regeneratιon beim Wechsel in den Leerlauf unterbrochen
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine laufende NOx- Regeneration beim Wechsel in den Leerlauf nicht unterbrochen wird, wenn eine Schubabschaltungsphase vorliegt, eine Kraftfahrzeuggeschwindigkeit eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit übersteigt oder eine Drehzahl oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterbrechung einer laufenden NOx-Regeneratιon ein Merker gesetzt wird, der dazu fuhrt, dass die NOx- Regeneration in einer sich anschließenden Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeuges fortgeführt wird Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Merker zurückgenommen wird, wenn bereits eine NOx-Regeneratιon im Leerlaufbetrieb durchgeführt werden musste.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regeneratιon im Leerlaufbetrieb unter Vorgabe eines Lambdawertes im Bereich von 0,85 bis 1 ,0, auf alle Fälle aber weniger fett als bei sonst üblicher NOx- Regeneration, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regeneratιon eingeleitet wird, wenn aus irgendeinem Grund ein Wechsel in den Λ.=1 -Betrieb erforderlich ist.
Vorrichtung zur Steuerung einer NOx-Regeneratιon eines im Abgasstrang (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-
Speicherkatalysators (14), mit der die NOx-Regeneratιon zumindest dann eingeleitet wird, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx- Speicherkatalysators (14) oder eine NOx-Emιssιon stromab des NOx- Speicherkatalysators (14) überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit denen
(a) erfasst wird, ob die Verbrennungskraftmaschine (10) in einen Leerlauf geschaltet ist und
(b) alternativ oder in beliebiger Kombination
im Leerlauf der Schwellenwert für den Beladungszustaπd oder die NO - Emission erhöht wird,
- die NOx-Regeneration nur nach Ablauf vorgegebener Zeitintervalle eingeleitet wird und
eine laufende NOx-Regeneration beim Wechsel in den Leerlauf unterbrochen wird Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein Steuergerat (36) umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der NOx-Regeneratιon des NOx-Speιcherkatalysators (14) im Leerlauf in digitalisierter Form hinterlegt ist
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerat (36) in ein Motorsteuergerat (20) integriert ist
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