EP1259718B1 - 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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EP1259718B1
EP1259718B1 EP01909616A EP01909616A EP1259718B1 EP 1259718 B1 EP1259718 B1 EP 1259718B1 EP 01909616 A EP01909616 A EP 01909616A EP 01909616 A EP01909616 A EP 01909616A EP 1259718 B1 EP1259718 B1 EP 1259718B1
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EP
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regeneration
storage catalyst
idling mode
threshold value
combustion engine
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Volkswagen AG
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F02D2250/41—Control to generate negative pressure in the intake manifold, e.g. for fuel vapor purging or brake booster

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 preambles of the independent claims.
  • the catalyst is associated with a NO x storage, which absorbs the NO x as nitrate.
  • the NO x storage can be combined with the catalyst as a so-called NO x storage catalytic converter.
  • a storage capacity of the NO x storage catalytic converter is of course limited in quantity, so that in order to avoid NO x breakthroughs at regular intervals a NO x regeneration must take place. This is described in US Pat. No. 5,992,142 (column 5). During the NO x regeneration, a change to stoichiometric or rich operation takes place. The previously absorbed in the form of nitrate NO x is released again. Usually, the NO x regeneration is started when a threshold value for a load state of the NO x storage catalytic converter or a NO x emission (break-through emission) detected downstream by an NO x -sensitive measuring device is exceeded.
  • the disadvantage here is that the determination of a Regeneration need in all operating phases of the motor vehicle is carried out according to the same criteria.
  • the re-desorbed NO x can only be reduced incomplete on the catalyst component.
  • a regeneration-related excess consumption in the idling phase is higher than in phases of high load requirements for the internal combustion engine.
  • Another disadvantage is that the NO x regeneration in idle often accompanied by an undesirable noise.
  • NO x regenerations in idle take longer due to the lower exhaust flows, and the consumption-less operation must therefore be maintained longer.
  • this object is achieved by the device and the method for controlling the NO x regeneration of the NO x storage catalytic converter with the features mentioned in the independent claims.
  • the device according to the invention has means with which the method steps can be carried out.
  • Such means is preferably a control unit in which a procedure is stored in digitized form, which allows the control of the NO x regeneration at idle.
  • the control unit can be realized as an independent control unit or else integrated into an already frequently existing engine control unit.
  • a NO x regeneration is being carried out during a change to idling, this is preferably completed when the change to idling takes place in a fuel cut-off phase, a rotational speed is above a predetermined threshold value or a motor vehicle speed is still a predetermined limit speed exceeds.
  • a flag is set which causes the NO x regeneration to be continued in a subsequent acceleration phase. Of course, the flag is withdrawn if an NO x regeneration had to be carried out in idle mode already.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 10 with a subsequently arranged in the exhaust line 12 NO x storage catalytic converter 14.
  • the exhaust system 12 is associated with a suitable sensor for detecting the air conditions in the exhaust gas or the shares of specific pollutant components.
  • a gas sensor 16 as a lambda probe and a gas sensor can be for example 18 as a NO x -sensitive measuring device are provided.
  • the data acquired by the sensors are provided in a known manner in an engine control unit 20.
  • models are stored in digitized form, with which manipulated variables for the internal combustion engine 10 associated components are determined.
  • the components allow the combustion process to be influenced with regard to an air ratio, an ignition angle or also an injected fuel mass.
  • an opening angle of an exhaust gas recirculation valve 22 or a position of a throttle valve 24 come into question as control variables.
  • the device and the method for regulating the combustion process are well known and will therefore not be explained in detail here.
  • step S1 it is determined in a first query whether the motor vehicle is in an idling phase (step S1). If this is negative, the NO x regeneration of the NO x storage catalyst 14 may be controlled by a conventional method. For this purpose, a loading state of the NO x storage catalytic converter 14 or a NO x emission downstream of the NO x storage catalytic converter 14 is monitored (step S 2). When a threshold is exceeded for this quantity, the NO x regeneration is initiated by a change to stoichiometric or rich operation.
  • Steps S5 and S6, or if the change in the idling does not take place during an ongoing NO x regeneration (step S3) is followed by a redefinition of the thresholds for determining the need for regeneration (step S7).
  • the thresholds for the load state or the NO x emission used in the conventional methods are increased.
  • the values are to be determined so that no significant NO x breakthroughs can occur at idling.
  • due to the low exhaust gas mass flows this can also be ensured with higher threshold values than for the other operating phases of the internal combustion engine 10.

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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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 Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
  • Es ist bekannt zur Reinigung eines Abgases von Verbrennungskraftmaschinen eine Abgasreinigungsanlage im Abgasstrang zu integrieren. Die Abgasreinigungsanlage umfasst dabei üblicherweise Komponenten wie Partikelfilter oder Katalysatoren. Soll eine NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine gemindert werden, so umfassen diese Katalysatoren einen Reduktionskatalysator. Sofern die Massenströme 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 Kraftstoffverbräuche hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Verbrennungskraftmaschine bei mageren Luftverhältnissen zu betreiben. Allerdings ist der Betrieb im verbrauchsoptimierten Bereich einerseits mit erhöhter NOx-Emission und andererseits mit verringerten Reduktionsmittelmassenströmen verbunden. Zur Vermeidung hoher NOx-Emissionen ist daher dem Katalysator ein NOx-Speicher zugeordnet, der das NOx als Nitrat absorbiert. Der NOx-Speicher kann mit dem Katalysator als sogenannter NOx-Speicherkatalysator zusammengefasst werden.
  • Eine Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators ist naturgemäß mengenmäßig beschränkt, so dass zur Vermeidung von NOx-Durchbrüchen in regelmäßigen Abständen eine NOx-Regeneration stattfinden muss. Dies ist in der US-A-5 992 142 (Spalte 5) beschrieben. Während der NOx-Regeneration erfolgt ein Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb. Das zuvor in Form von Nitrat absorbierte NOx wird wieder freigesetzt. Üblicherweise wird die NOx-Regeneration in Gang gesetzt, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators oder eine stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung erfasste NOx-Emission (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 Abgasströme und damit bei eingeleiteter NOx-Regeneration geringere Reduktionsmittelmassenströme vorhanden sind, kann das wieder desorbierte NOx nur noch unvollständig an der Katalysatorkomponente reduziert werden. Neben der unerwünscht hohen NOx-Emission während der NOx-Regeneration ist ein regenerationsbedingter Mehrverbrauch in der Leerlaufphase höher als in Phasen hoher Lastanforderungen an die Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin ist nachteilig, dass die NOx-Regeneration im Leerlauf häufig mit einer unerwünschten Lärmentwicklung einhergeht. Zusätzlich dauern NOx-Regenerationen im Leerlauf wegen der geringeren Abgasströme länger, und der verbrauchsungünstige Betrieb muss daher auch länger aufrechterhalten werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Die gefundene Lösung soll sich dabei in einfacher Weise in bereits regelungstechnisch bewährten Modellen integneren lassen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung und das Verfahren zur Steuerung der NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysator mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, kann zum Beispiel eine Magerphase im Leerlaufbet ieb bis zur nächsten zwingend erforderlichen NOx-Regeneration verlängert werden beziehungsweise entsprechend den vorgegebenen Zeitintervallen geregelt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt dabei Mittel, mit denen die Verfahrensschritte durchführbar sind. Ein solches Mittel ist vorzugsweise ein Steuergerät, in dem eine Prozedur in digitalisierter Form hinterlegt ist, die die Steuerung der NOx-Regeneration im Leerlauf ermöglicht. Das Steuergerät kann als selbständige Steuereinheit realisiert werden oder aber auch in ein bereits häufig vorhandenes Motorsteuergerät integriert werden.
  • Wird während eines Wechsels in den Leerlauf gerade eine NOx-Regeneration durchgeführt, so wird diese in bevorzugter Weise zu Ende geführt, 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-Regeneration wird ein Merker gesetzt, der dazu führt, dass die NOx-Regeneration in einer sich anschließenden Beschleunigungsphase fortgeführt wird. Selbstverständlich wird der Merker zurückgenommen, wenn bereits eine NOx-Regeneration im Leerlaufbetrieb durchgeführt werden musste.
  • Weiterhin ist bevorzugt, die NOx-Regeneration unter Vorgabe eines Lambdawertes im Bereich von 0,85 bis 1,0 durchzuführen. Auf alle Fälle sollte die NOx-Regeneration jedoch weniger fett als bei sonst üblichen NOx-Regenerationen durchgeführt werden. Hierdurch lässt sich die Lärmentwicklung im Vergleich zur "normalen" NOx-Regeneration bei Lambdawerten, die deutlich geringer sind als 0,85, herabsetzen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine NOx-Regeneration 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 Bremskraftverstärker erhöht werden soll.
  • Insgesamt kann durch die genannten Maßnahmen eine Anzahl an NOx-Regenerationen im Leerlaufbetrieb gegenüber den sonstigen Betriebsphasen des Kraftfahrzeuges gemindert werden, so dass Kraftstoffverbrauch, NOx-Emission während der NOx-Regeneration und die Lärmentwicklung verringert werden.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Prinzipschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einem im Abgasstrang angeordneten NOx-Speicherkatalysator und
    Figur 2
    ein Blockschaltbild zur Steuerung einer NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators im Leerlauf.
  • Die Figur 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem nachfolgend im Abgasstrang 12 angeordneten NOx-Speicherkatalysator 14. Hierbei ist dem Abgasstrang 12 eine geeignete Sensorik zur Erfassung der Luftverhältnisse im Abgas oder der Anteile spezifischer Schadstoffkomponenten zugeordnet. So kann beispielsweise ein Gassensor 16 als Lambdasonde und ein Gassensor 18 als NOx-sensitive Messeinrichtung vorgesehen sein. Die durch die Sensorik erfassten Daten werden in bekannter Weise in einem Motorsteuergerät 20 zur Verfügung gestellt. In dem Motorsteuergerät 20 sind in digitalisierter Form Modelle hinterlegt, mit denen Stellgrößen für der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordneten Komponenten ermittelt werden. Die Komponenten erlauben eine Beeinflussung des Verbrennungsvorganges hinsichtlich eines Luftverhältnisses, eines Zündwinkels oder auch einer eingespritzten Kraftstoffmasse. So kommen beispielsweise als Stellgrößen in Frage ein Öffnungswinkel eines Abgasrückführventils 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 näher erläutert.
  • Daneben werden weitere Zustandsparameter, wie zum Beispiel eine Drosselklappenstellung oder ein Fahrpedalwinkel, in das Motorsteuergerät 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 Steuergerät 36 eingelesen, das hier in dem Motorsteuergerät 20 implementiert ist.
  • Herrscht ein Sauerstoffüberschuss während des Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, ist eine NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine 10 erhöht und gleichzeitig sind die zur Konvertierung von NOx benötigten Reduktionsmittel Kohlenmonoxid CO und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC gemindert. Da sich dieser Betriebsbereich als besonders verbrauchsgünstig erwiesen hat, muss zur Vermeidung von NOx-Emissionen das NOx in einer Speicherkomponente des NOx-Speicherkatalysators 14 absorbiert werden. Erfolgt ein Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb, wird das in Form von Nitrat gespeicherte NOx zumindest unmittelbar nach Wechsel der atmosphärischen Bedingungen im NOx-Speicherkatalysator 14 wieder sehr schnell desorbiert. Bei zu niedrigen Reduktionsmittelmassenströmen 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 Abgasströme gekennzeichneten Leerlaufphase den Magerbetrieb länger aufrechtzuerhalten und damit eine Anzahl von NOx-Regenerationen im Leerlaufbetrieb gegenüber anderen Betriebsphasen zu reduzieren. Weiterhin kann eine Lärmentwicklung durch die NOx-Regeneration unterdrückt 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-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 14 nach einem herkömmlichen Verfahren gesteuert werden. Dazu wird ein Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators 14 oder eine NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators 14 überwacht wird (Schritt S2). Beim Überschreiten eines Schwellenwertes für diese Größe wird die NOx-Regeneration durch einen Wechsel in den stöchiometrischen 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 während einer laufenden NOx-Regeneration 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 NOx-Regeneration zu Ende geführt (Schritt S5). Ansonsten wird die laufende NOx-Regeneration 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-Regeneration wieder aufgenommen wird.
  • Den Schritten S5 und S6 oder wenn der Wechsel in den Leerlauf nicht während einer laufenden NOx-Regeneration 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-Emission erhöht. Selbstverständlich sind die Werte so festzulegen, dass es im Leerlauf nicht zu erheblichen NOx-Durchbrüchen kommen kann Aufgrund der geringen Abgasmassenströme 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-Regeneration durchgeführt werden muss. Neben der geschilderten Vorgehensweise zur Regelung der NOx-Regeneration im Leerlauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Luftverhältnis während der NOx-Regeneration 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 Lärmentwicklung wesentlich geringer ist.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Verbrennungskraftmaschine
    12
    Abgasstrang
    14
    NOx-Speicherkatalysator
    16
    Gassensor
    18
    Gassensor
    20
    Motorsteuergerät
    22
    Abgasrückführventil
    24
    Drosselklappe
    36
    Steuergerät

Claims (7)

  1. Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators (14), wobei die NOx-Regeneration zumindest dann eingeleitet wird, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators (14) oder ein Schwellenwert für eine NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (14) überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    (a) erfasst wird, ob die Verbrennungskraftmaschine (10) in einen Leerlauf geschaltet ist, und,
    (b) falls ein Leerlauf vorliegt, alternativ oder in beliebiger Kombination eine der folgenden Maßnahmen ergriffen wird
    - Erhöhung des Schwellenwertes für den Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators (14) oder für die NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (14),
    - Einleitung der NOx-Regeneration erst nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls und
    - Unterbrechung einer laufenden NOx-Regeneration beim Wechsel in den Leerlauf, wenn mindestens eine der folgenden Randbedingungen vorliegt:
    - es liegt keine Schubabschaltungsphase vor,
    - eine Kraftfahrzeuggeschwindigkeit übersteigt nicht eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit und/oder
    - eine Drehzahl liegt nicht oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterbrechung einer laufenden NOx-Regeneration beim Wechsel in den Leerlauf ein Merker gesetzt wird, der dazu führt, dass die NOx-Regeneration in einer sich anschließenden Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeuges fortgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Merker zurückgenommen wird, wenn bereits eine NOx-Regeneration im Leerlaufbetrieb durchgeführt werden musste.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regeneration im Leerlaufbetrieb unter Vorgabe eines weniger fetten Lambdawertes als bei einer NOx-Regeneration im Nicht-Leerlaufbetrieb durchgeführt wird, insbesondere mit einem Lambdawert im Bereich von 0,85 bis 1,0.
  5. Vorrichtung zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators, mit der die NOx-Regeneration zumindest dann eingeleitet wird, wenn ein Schwellenwert für einen Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators oder eine NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit denen
    (a) erfasst wird, ob die Verbrennungskraftmaschine (10) in einen Leerlauf geschaltet ist, und,
    (b) falls ein Leerlauf vorliegt, alternativ oder in beliebiger Kombination eine der folgenden Maßnahmen ergriffen wird
    - Erhöhung des Schwellenwertes für den Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators (14) oder für die NOx-Emission stromab des NOx-Speicherkatalysators (14),
    - Einleitung der NOx-Regeneration erst nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls und
    - Unterbrechung einer laufenden NOx-Regeneration beim Wechsel in den Leerlauf, wenn mindestens eine der folgenden Randbedingungen vorliegt:
    - es liegt keine Schubabschaltungsphase vor,
    - eine Kraftfahrzeuggeschwindigkeit übersteigt nicht eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit und/oder
    - eine Drehzahl liegt nicht oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein Steuergerät (36) umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (14) im Leerlauf in digitalisierter Form hinterlegt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (36) in ein Motorsteuergerät (20) integriert ist.
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