EP1367245A2 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit NOx-Speicherkatalysator - Google Patents

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EP1367245A2
EP1367245A2 EP03005886A EP03005886A EP1367245A2 EP 1367245 A2 EP1367245 A2 EP 1367245A2 EP 03005886 A EP03005886 A EP 03005886A EP 03005886 A EP03005886 A EP 03005886A EP 1367245 A2 EP1367245 A2 EP 1367245A2
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EP
European Patent Office
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catalyst
state variable
internal combustion
combustion engine
sulfur
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Withdrawn
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EP03005886A
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EP1367245A3 (de
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Ekkehardt Dr.-Ing. Pott
Heidereich Dr.-Ing. V. Biedersee
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Publication of EP1367245A3 publication Critical patent/EP1367245A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/027—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0275—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a NOx trap or adsorbent
    • F02D41/028—Desulfurisation of NOx traps or adsorbent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • F02D2200/0806—NOx storage amount, i.e. amount of NOx stored on NOx trap
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    • F02D2200/0811—NOx storage efficiency
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D2200/50—Input parameters for engine control said parameters being related to the vehicle or its components
    • F02D2200/501—Vehicle speed

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a motor vehicle a lean-burn internal combustion engine according to the preamble of claim 1
  • NOx storage catalytic converters are modern with lean running Internal combustion engines equipped motor vehicles to reduce the Nitrogen oxide emissions used. As is known, such a NOx storage catalytic converter can due to sulfur contained in the fuel or engine oil Lose all or part of NOx storage and regeneration efficiency. one Such sulfur poisoning can be caused by desulfurization of the NOx storage catalyst be counteracted. The desulfurization can be on natural way by driving at high loads and catalyst temperatures, for example, a highway trip. Desulfurization can also be active done by an operation of the internal combustion engine through which in connection with an at least temporary exhaust gas enrichment, the NOx storage catalyst temperature is increased.
  • the well-known active desulfurization processes for NOx storage catalysts rely on increased exhaust gas temperatures of over 550 degrees Celsius in particular> 620 ° C and an exhaust gas composition with a To produce lambda value ⁇ 1 for a given desulfurization time.
  • An internal combustion engine system is described in DE 197 47 22 2 C1 an internal combustion engine with an associated engine exhaust system, one Exhaust gas purification system with a NOx storage catalytic converter arranged in the engine exhaust line, a lambda sensor to record the engine air ratio and means for periodically desulfurizing the NOx storage catalyst increased temperature and rich catalyst-air ratio.
  • the Desulfating agents include, in particular, secondary air supply means Feeding secondary air into the NOx storage catalytic converter. The fed Secondary air is used to increase the temperature of the NOx storage catalytic converter used during desulfation.
  • EP 0860 595 A1 also describes a process for desulfurization Nitrogen oxide trap known in the exhaust system of an internal combustion engine, in which one of the current SOx uptake rate of the nitrogen oxide trap and the corresponding value amount of SOx absorbed by the nitrogen oxide trap is determined and if the amount of SOx ingested has reached a threshold Desulfurization cycle is initiated.
  • the nitrogen oxide trap for one predetermined time brought to a predetermined temperature and the Internal combustion engine during this time with a specified air / Fuel ratio operated.
  • the known active desulfurization processes are therefore characterized by a sulfur concentration-dependent additional consumption of fuel and increased development and application effort. Both translate into increased Production, operation and maintenance costs for one with a NOx catalytic converter equipped motor vehicle.
  • the problem underlying the invention is therefore a simple and safe one Method for operating a motor vehicle with a lean-running system Internal combustion engine with extensive availability of low sulfur or to enable sulfur-free fuel.
  • the problem is characterized by the features of the independent Claim 1 solved.
  • the starting point is the idea that Operate the internal combustion engine in a manner that takes active measures Desulphurization of the NOx storage catalyst can be omitted.
  • Desulphurization of the NOx storage catalyst can be omitted.
  • a desulfurization may be required. This means that both the development and application effort as well as the average fuel consumption as a result of desulfurization compared to previously known methods with comparable security reduced.
  • the invention therefore lies in a process for the desulfurization of a NOx storage catalytic converter of a brake engine of a motor vehicle with a control unit
  • Desulphurization need determines an operator (e.g. driver and / or workshop personnel) and / or only temporarily with the motor vehicle connecting reading device (e.g. diagnostic device) indicates for execution (carried out manually or initiated by the reading device) of the desulfurization.
  • an operator e.g. driver and / or workshop personnel
  • the motor vehicle connecting reading device e.g. diagnostic device
  • Passive desulphurization is used to create one Sulfur discharge without a change in engine efficiency compared to that to overcome of driving resistance understood.
  • passive Desulfurization understood the effect of a sulfur discharge when the Motor efficiency change over at least 30%, but preferably more than 45% or 60% or 75%, but especially 90% of the timeline in the new one European driving cycle (NEDC) does not reach a sufficiently high desulfurization temperature leads.
  • a catalyst temperature for the is not sufficient current NOx storage catalysts with alkaline earth storage of less than 550 Degrees Celsius, preferably 580 degrees Celsius, particularly preferably 600 degrees Celsius, especially 630 degrees Celsius.
  • the engine efficiency change is in this case in each case to those which are required anyway to overcome the driving resistance Engine operating mode related.
  • a desulfurization need the mixture formation be greased, in particular to lambda ⁇ 1, in particular ⁇ 0.98, even if the driving state is so not yet required.
  • the enrichment is advantageously carried out only when the necessary one Desulfurization temperature is at least approximately reached.
  • the value is a characterizing a degree of sulfur poisoning of the NOx storage catalytic converter State variable determined.
  • an adjustment of the internal combustion engine to an operating mode with a rich one Catalyst-air ratio is a characterizing a degree of sulfur poisoning of the NOx storage catalytic converter State variable determined.
  • the proposed methods enable safe and effective Desulphurization of a NOx storage catalytic converter with only minimal influence the operation of the internal combustion engine, in particular, are not special Measures to increase the temperature of the NOx catalyst are necessary. This has the consequence that a corresponding deterioration in the efficiency of the Internal combustion engine can be avoided.
  • the NOx storage activity of the catalyst or that in the catalyst during a Lean phase storable NOx amount selected is selected.
  • the time and duration a release of a lean operating phase of the internal combustion engine depending of the amount of NOx that can be stored in the catalytic converter during a lean phase and the release period of the Lean operating phase selected.
  • the approval period of the Lean operating phase is less than a predetermined threshold, one Sulfur poisoning of the NOx storage catalytic converter is suspected and a corresponding one Status signal formed.
  • This can be a significant simplification and Cost reduction in desulfurization can be achieved because of the usual Methods and devices for controlling or regulating the lean operation of the Internal combustion engine can be used and no complex separate diagnostic measures for sulfur poisoning are required.
  • the lean operating phase is preferred as a function of the temperature of the Catalyst released.
  • the Lean operating phase is locked when the catalyst temperature is less than one predetermined minimum catalyst temperature and greater than a predetermined maximum catalyst temperature is.
  • the status signal as in another embodiment of the invention It is provided information about the time, length and / or intensity of the passive Desulphurization involves doing desulphurization in a simple way done according to needs.
  • a lambda value> 1 in addition to nitrogen oxides, sulfur components in the NOx storage catalytic converter stored.
  • the information relates to catalysts with barium as the main storage component. With other basic chemistry the Catalysts can deviate the values.
  • a lean-burn internal combustion engine preferably with a lambda value> 1 and possibly operated with a high proportion of shift operation. This leads to a faster one Sulfur storage than when operating with a stoichiometric or rich Lambda value.
  • the NOx conversion efficiency is detected in the engine control 3 of the catalyst 7 and a control or regulation of the storage cycle of the NOx storage catalytic converter 7.
  • the lean business can then reach a predetermined level in the NOx storage catalytic converter 7 stored NOx amount can be ended.
  • the duration of a lean interval and a regeneration interval in particular depending on the catalyst temperature. In particular, depending on the catalyst temperature, the release of the Shift operation adapted to the NOx conversion efficiency of the catalyst become.
  • a method for operating a lean-burn internal combustion engine enables one Desulfurization of a NOx storage catalytic converter without active ones Measures to increase the catalyst temperature.
  • the value of a degree of sulfur poisoning of the NOx catalyst 7 characterizing state variable determined.
  • the NOx storage activity of the NOx storage catalytic converter 7 is determined. This can be done, for example, with the help of the downstream of the NOx catalytic converter 7 arranged NOx sensor 10 or one downstream of the NOx storage catalytic converter arranged lambda probe 10 take place.
  • the NOx storage activity is calculated from a model calculation or by means of a upstream sensor, for example 8,8 'or 9 determined.
  • a lean operating or shift operating window narrowed or directly to form a state variable went to step 26.
  • the state variable characterizes, as more precisely the degree of sulfur poisoning of the catalyst.
  • the lean operation is restricted depending on the NOx storage activity limited the duration or intensity of lean operation.
  • the NOx storage catalytic converter is activated stored NOx amount of lean operation ended.
  • the time and duration of the release of a lean operating phase in particular depending on a stratified charge operation of the internal combustion engine 1 determined by the NOx storage activity.
  • the state quantity in step 26 is then depending on the release period of the lean operating phase.
  • the lean operating phase depending on the temperature of the Catalyst released. For example, the lean operating phase is blocked, if the catalyst temperature is less than a predetermined minimum Catalyst temperature and / or greater than a predetermined maximum Catalyst temperature is.
  • the engine control unit 3 Control signals used to restrict lean operation in step 22 used. In this respect, there are no special measures for the formation of the Step 26 formed state variable required.
  • step 26 preferably goes during a predetermined time interval in the catalyst 7 stored amount of sulfur on.
  • step 23 the catalyst temperature and the catalyst-air ratio Lambda determined.
  • the signals of the temperature sensor 13 and the downstream of the NOx storage catalyst Lambda probe 10 evaluated and in step 24 in the NOx storage catalyst 7 stored amount of sulfur calculated. This is also preferably a any sulfur discharge that may have occurred is taken into account.
  • step 25 the calculated one stored amount of sulfur compared with a predetermined limit. Becomes If this limit value is exceeded, a transition is made to step 26.
  • step 26 there is insufficient NOx activity or a release period the lean operating phase, which falls below a predetermined limit and at a Amount of sulfur that exceeds the specified limit a decision to form a status signal to initiate a passive desulfurization operating mode of the internal combustion engine.
  • the status signal can, for example, be stored in the engine control unit 3. Furthermore, the status signal can be displayed to the driver and with a Request to initiate a desulfurization. On The stored status signal can be stored in a special diagnostic device Be picked up in the workshop for a natural desulfurization, for example in the As part of a vehicle inspection by the workshop staff in real traffic or on a specially designed roller device.
  • switching recommendations can be given that cause a high-speed driving style with low engine base loads.
  • the driver of the motor vehicle or the workshop staff be informed about a possible special operating condition, which leads to shortening the duration of the desulfurization is used and the one extreme Efficiency deterioration and corresponding driving deficiencies of the Accepts the vehicle.
  • Step 3 is a schematic representation of the course of another shown inventive method.
  • step 30 the NOx storage activity of the storage catalyst determined.
  • step 31 there is a Check whether the NOx storage activity is insufficient or not. at insufficient NOx storage activity goes to step 33, if necessary beforehand Step 31a gone.
  • Step 31a corresponds to step 22 from Figure 2, i.e. it will The time, intensity and duration of a lean operating phase are determined.
  • step 33 checked whether the NOx storage catalyst temperature is one Desulphurization. It is preferably checked whether this temperature in a predetermined temperature range, i.e. larger than a predetermined one minimum catalyst temperature and / or greater than a predetermined maximum Catalyst temperature is.
  • step 35 If the catalytic converter has a permissible temperature, proceeded to step 35.
  • step 35 there is insufficient NOx storage activity and an allowable catalyst temperature to perform a active desulfurization by setting the internal combustion engine to one Operating mode initiated with a lambda value ⁇ 1.0.
  • step 34 the catalyst temperature is permissible and one is not Inadequate NOx storage activity is a decision on its own natural desulfurization which sets the driving profile in step 36 exploit.
  • step 37 the Sulfur discharge of the NOx storage catalyst determined.
  • step 33 the lambda value of the exhaust gas and the temperature of the catalytic converter used.
  • step 33 the one suitable for desulfurization Catalyst temperature used and on the other hand in step 38 used to check whether the desulfurization of the catalyst a predetermined Criterion is sufficient. If this is not the case, there will be insufficient NOx activity Step 31 from step 38 went back to step 35. With sufficient Desulfurization then takes place in step 39 to end the setting of Lambda values to ⁇ 1.
  • the active desulfurization carried out in step 35 can be automated Gearboxes are supplemented by shifting the switching identifiers compared to normal operation with a driving style with high speeds cause low engine base loads. Accordingly, with a vehicle with a continuously variable transmission an operation with deviating from normal operation Translation maps take place in order to use a high-speed driving style low loads.
  • the invention described above enables low fuel A sufficiently safe and easy desulfurization of a sulfur content NOx storage catalytic converter, without using one too often uncomfortable operation of the vehicle results, which is not for the customer would be acceptable. Because of a lower development and Application effort, development costs can also be saved to achieve a purchase price reduction before the customer.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine mit einem in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordneten NOX-Speicherkatalysator, wobei eine Ermittlung des Wertes einer einen Schwefelvergiftungsgrad des Katalysators charakterisierende Zustandsgröße erfolgt, sind folgende Schritte vorgesehen:
  • Bildung eines Statussignals in Abhängigkeit von dem Wert der Zustandsgröße
  • Speicherung und / oder Anzeige des Statussignals zur Einleitung einer eine passive Entschwefelung des Katalysators bewirkenden Betriebsweise der Brennkraftmaschine.
Ferner wird die Brennkraftmaschine dabei in Abhängigkeit vom Wert der Zustandsgröße auf eine Betriebsweise mit einem Lambdawert < 1 eingestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
NOx-Speicherkatalysatoren werden in modernen mit magerlauffähigen Brennkraftmaschinen ausgestatteten Kraftfahrzeugen zur Verminderung des Stickoxydausstoßes eingesetzt. Bekanntlich kann ein derartiger NOx-Speicherkatalysator durch im Kraftstoff oder Motoröl enthaltenen Schwefel seine NOx-Speicher- und -regenerationseffizienz ganz oder teilweise verlieren. Einer derartigen Schwefelvergiftung kann durch eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators entgegengewirkt werden. Die Entschwefelung kann auf natürlichem Weg durch Fahrt bei hohen Lasten und Katalysatortemperaturen, beispielsweise einer Autobahnfahrt erfolgen. Ferner kann eine Entschwefelung aktiv durch eine Betriebsweise der Brennkraftmaschine erfolgen, durch die in Verbindung mit einer zumindest temporären Abgasanfettung die NOx-Speicherkatalysatortemperatur gesteigert wird. Die gegenwärtig üblichen Schwefelgehalte im Kraftstoff von 30 bis 150 ppm machen eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators zur Gewährleistung der Erfüllung der Abgasgrenzwerte Stufe EU IV etwa alle 500 bis 5000 km erforderlich. Bei einem Verzicht auf eine aktive Entschwefelung besteht bei derartigen Streckenintervallen ein nicht zu vernachlässigendes Risiko, dass die für eine effiziente Abgasreinigung erforderliche Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators nicht oder nicht rechtzeitig erfolgt, da das spontane Fahrverhalten die erforderlichen Bedingungen für eine erfolgreiche Entschwefelung nicht liefert.
Die bekannten aktiven Entschwefelungsverfahren für NOx-Speicherkatalysatoren beruhen darauf, erhöhte Abgastemperaturen von über 550 Grad Celsius insbesondere > 620 °C und eine Abgaszusammensetzung mit einem Lambdawert < 1 für eine vorgegebene Entschwefelungszeit herzustellen.
In der DE 197 47 22 2 C1 wird eine Verbrennungsmotoranlage beschrieben mit einem Verbrennungsmotor mit zugehörigem Motorabgasstrang, einer Abgasreinigungsanlage mit einem im Motorabgasstrang angeordneten NOx-Speicherkatalysator, einer Lambdasonde zur Erfassung des Motorluftverhältnisses und Mitteln zur periodischen Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators bei erhöhter Temperatur und fettem Katalysator-Luftverhältnis. Die Desulfatisierungsmittel umfassen insbesondere Sekundär-Luftzuführungsmittel zur Einspeisung von Sekundärluft in den NOx-Speicherkatalysator. Die zugeführte Sekundärluft wird zur Erhöhung der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators während der Desulfatisierung verwendet.
Aus der EP 0860 595 A1 ist ferner ein Verfahren zur Entschwefelung einer Stickoxidfalle im Abgassystem eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein der aktuellen SOx-Aufnahmerate der Stickoxydfalle entsprechender Wert sowie die durch die Stickoxidfalle aufgenommene SOx-Menge bestimmt wird und wenn die aufgenommene SOx-Menge einen Schwellwert erreicht hat, ein Entschwefelungszyklus initiiert wird. Hierbei wird die Stickoxydfalle für eine vorgegebene Zeit auf eine vorgegebene Temperatur gebracht und der Verbrennungsmotor in dieser Zeit mit einem vorgegebenen Luft- / Kraftstoffverhältnis betrieben.
Die bekannten aktiven Entschwefelungsverfahren sind daher gekennzeichnet durch einen schwefelkonzentrationsabhängigen Mehrverbrauch an Kraftstoff sowie einen erhöhten Entwicklungs- und Applikationsaufwand. Beides schlägt sich in erhöhten Kosten für Produktion, Betrieb und Unterhalt eines mit einem NOx-Katalysator ausgestatteten Kraftfahrzeugs nieder.
Eine Absenkung der Schwefelgehalte im Kraftstoff unter 30 ppm, insbesondere unter 10 ppm, wie in Westeuropa geplant, führt zu immer längeren Entschwefelungsintervallen. So ist bei 10 ppm Schwefelgehalt im Kraftstoff von Entschwefelungsintervallen > 5000 km, insbesondere > 10.000 km auszugehen. Unter diesen Randbedingungen erscheint eine Beibehaltung der bisherigen aufwendigen aktiven Entschwefelungsverfahren nicht sinnvoll. Andererseits kann selbst bei derartig langen Entschwefelungsintervallen nicht davon ausgegangen werden, dass die natürliche Entschwefelung bei einer durchschnittlichen Fahrweise mit genügender Sicherheit eine ausreichende Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators gewährleistet, insbesondere wenn - z.B. bei einem Besuch eines anderen Landes - eine Kraftstoffqualität mit höherem Schwefelgehalt getankt wird.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist daher, ein einfaches und sicheres Verfahren für den Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine bei weitgehender Verfügbarkeit von schwefelarmem oder schwefelfreiem Kraftstoff zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei wird von der Idee ausgegangen, die Brennkraftmaschine in einer Weise zu betreiben, bei der Maßnahmen zur aktiven Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators entfallen können. Jedoch wird durch die Überwachung des Schwefelvergiftungsgrades des NOx-Speicherkatalysators und Bildung eines entsprechenden Statussignals, welches zur Einleitung einer passiven Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators gespeichert und / oder angezeigt wird, dennoch eine ggf. erforderliche Entschwefelung herbeigeführt. Damit wird sowohl der Entwicklungs- und Applikationsaufwand als auch der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch in Folge der Entschwefelung gegenüber den bisher bekannten Verfahren mit vergleichbarer Sicherheit reduziert. Die Erfindung liegt somit in einem Verfahren zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators einer Bremskraftmaschine eine Kraftfahrzeuges wobeieine Steuereinheit eine Entschwefelungsnotwendigkeit feststellt, diese einer Bedienperson (z. B. Fahrer und /oder Werkstattpersonal) und /oder einem nur temporär mit dem Kraftfahrzeug zu verbindenden Auslesegerät (z.B. Diagnosegerät) anzeigt zur Durchführung (manuell durchgeführt oder von dem Auslesegerät initiiert) der Entschwefelung.
Unter einer passiven Entschwefelung wird hier die Herbeiführung eines Schwefelaustrags ohne Motorwirkungsgradänderung gegenüber der zur Überwindung der Fahrwiderstände verstanden. Ebenso wird unter passiver Entschwefelung die Herbeiführung eines Schwefelaustrags verstanden, wenn die Motorwirkungsgradänderung über mindestens 30 %, vorzugsweise jedoch mehr als 45 % oder 60 % oder 75 %, insbesondere aber 90 % der Zeitschiene im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) nicht zu einer genügend hohen Entschwefelungstemperatur führt. Nicht genügend ist dabei eine Katalysatortemperatur für die derzeitigen NOx-Speicherkatalysatoren mit Erdalkalispeicher von weniger als 550 Grad Celsius, vorzugsweise 580 Grad Celsius, besonders bevorzugt 600 Grad Celsius, insbesondere 630 Grad Celsius. Die Motorwirkungsgradänderung ist hierbei jeweils auf die ohnehin zur Überwindung der Fahrwiderstände erforderlichen Motorbetriebsweise bezogen.
Ohne vom Prinzip der passiven Entschwefelung abzurücken, kann beim Vorliegen einer Entschwefelungsnotwendigkeit die Gemischbildung angefettet werden, insbesondere auf Lambda ≤ 1, insbesondere ≤ 0,98, auch wenn der Fahrzustand dies noch nicht erfordert. Vorteilhaft erfolgt die Anfettung erst dann, wenn die notwendige Entschwefelungstemperatur zumindest annähernd erreicht ist.
Dem gegenüber ist die aktive Entschwefelung durch eine Änderung des Motorwirkungsgrades, insbesondere zur Anhebung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Wert einer einen Schwefelvergiftungsgrad des NOx-Speicherkatalysators charakterisierenden Zustandsgröße ermittelt. In Abhängigkeit von dem Wert der Zustandsgröße erfolgt eine Einstellung der Brennkraftmaschine auf eine Betriebsweise mit einem fetten Katalysator-Luft-Verhältnis. Dabei wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei einem beliebigen Betriebspunkt zwischen 50 km/h und 100 km/h gegenüber dem gleichen Betriebspunkt ohne gebildetes Statussignal um höchstens 3 %, vorzugsweise 2 %, besonders bevorzugt 1 % oder 0 %, verschlechtert, insbesondere bei einem Betriebspunkt, der einer Konstantfahrt in der Ebene bei 20 Grad Außentemperatur entspricht.
Die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichen eine sichere und wirksame Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators bei nur minimaler Beeinflussung der Betriebsweise der Brennkraftmaschine, Insbesondere sind keine besonderen Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des NOx-Katalysators notwendig. Dies hat zur Folge, dass eine entsprechende Verschlechterung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine vermieden werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Zustandsgröße die NOx-Speicheraktivität des Katalysators oder die in den Katalysator während einer Magerphase einspeicherbaren NOx-Menge gewählt. Ferner wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Zustandsgröße die in den Katalysator während eines vorgegebenen Zeitintervalls eingespeicherte Schwefelmenge gewählt. Bei einer solchen Wahl der Zustandsgröße lässt sich die. Schwefelvergiftung mit geringem Aufwand in ausreichender Genauigkeit feststellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Zeitpunkt und Dauer einer Freigabe einer Magerbetriebsphase der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der in den Katalysator während einer Magerphase einspeicherbaren NOx-Menge festgelegt und als Zustandsgröße die Freigabedauer der Magerbetriebsphase gewählt. Insbesondere wird, sobald die Freigabedauer der Magerbetriebsphase geringer als ein vorgegebener Schwellwert ist, eine Schwefelvergiftung des NOx-Speicherkatalysators vermutet und ein entsprechendes Statussignal gebildet. Hiermit kann eine bedeutende Vereinfachung und Kostenreduzierung bei der Entschwefelung erreicht werden, da auf die üblichen Verfahren und Einrichtungen zur Steuerung bzw. Regelung des Magerbetriebs der Brennkraftmaschine zurückgegriffen werden kann und keine aufwändigen gesonderten Diagnosemaßnahmen für eine Schwefelvergiftung erforderlich sind.
Bevorzugt wird die Magerbetriebsphase in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators freigegeben. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Magerbetriebsphase gesperrt wird, wenn die Katalysatortemperatur kleiner als eine vorbestimmte minimale Katalysatortemperatur und größer als eine vorgegebene maximale Katalysatortemperatur ist. Mit diesen Maßnahmen wird die Veränderung der Temperaturgrenzen des Katalysators, innerhalb derer eine ausreichend hohe NOx-Konvertierungsrate erreicht werden kann, bei zunehmender Schwefelvergiftung berücksichtigt.
Da während bestimmter Betriebszustände der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Leerlaufphasen oder Stop-and-Go-Phasen Emmissionsprofile entstehen können, die nicht charakteristisch für eine Schwefelschädigung des Katalysators sind, werden derartige Betriebszustände für die Ermittlung der Zustandsgröße ausgeschlossen.
Wenn das Statussignal, wie bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, Angaben über Zeitpunkt, Länge und / oder Intensität der passiven Entschwefelung beinhaltet, kann damit auf eine einfache Weise die Entschwefelung bedarfsgerecht erfolgen.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung zu entnehmen und werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1
eine Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten Abgasanlage
Figur 2
ein Blockschaltbild für ein Entschwefelungsverfahren ohne aktive Entschwefelung
Figur 3
ein Blockschaltbild für ein Entschwefelungsverfahren mit einer auf Anfettung reduzierten aktiven Entschwefelung.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff werden bei einem Lambdawert >1 neben Stickoxyden auch Schwefelkomponenten in den NOx-Speicherkatalysator eingespeichert. Zur Entschwefelung muss eine Mindesttemperatur und ein Lambdawert <=1 vorliegen, wobei die Mindesttemperatur wegen der höheren chemischen Stabilität der eingespeicherten Schwefelverbindungen zwischen 550 und 650 Grad Celsius betragen muss. Die Angaben beziehen sich auf Katalysatoren mit Barium als Hauptspeicherkomponente. Bei anderer Basis-Chemie der Katalysatoren können die Werte abweichen. Die Einlagerung der Schwefelverbindungen, hauptsächlich Sulfate, führt zu einer schleichenden Desaktivierung des NOx-Speicherkatalysators. Verlauf und Intensität dieser Deaktivierung sind abhängig vom Kraftstoff-Schwefelgehalt und von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine. Bei niedrigen bis mittleren Lasten wird eine magerlauffähige Brennkraftmaschine vorzugsweise mit einem Lambdawert >1 und ggf. mit einem hohen Schichtbetriebsanteil betrieben. Dies führt zu einer rascheren Schwefeleinlagerung als bei Betrieb mit einem stöchiometrischen oder fetten Lambdawert.
Die magerlauffähige Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise derart ausgelegt, dass sie zumindest bei Lambda >=1 in einem Schichtlademodus betrieben werden kann. Zusammen mit hohen Abgasrückführraten lassen sich damit hohe Wirkungsgrade bei guter Laufstabilität und relativ niedrigen Schadstoffemissionen erreichen. Entscheidend hierfür ist jedoch aufgrund der im Schichtlademodus anfallenden hohen NOx-Rohemissionen eine optimierte Steuerung bzw. Regelung des NOx-Speicher- und Regenerationsvorgangs im NOx-Speicherkatalysator 7. Insbesondere muss bei einer verminderten NOx-Konversionseffizienz des NOx-Speicherkatalysators 7 eine bedarfsgerechte NOx-Regeneration eingeleitet und ohne Durchbrüche an Reduktionsmitteln wieder beendet werden können. In an sich bekannter Weise erfolgt daher in der Motorsteuerung 3 eine Erfassung der NOx-Konversionseffizienz des Katalysators 7 sowie eine Steuerung bzw. Regelung des Speicherzyklus des NOx-Speicherkatalysators 7. Hierzu kann mittels des NOx-Sensors 10, der stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 7 angeordnet ist, die NOx-Konzentration des Abgases bestimmt werden und die, insbesondere während des Magerbetriebs eingespeicherte NOx-Menge bestimmt werden. Der Magerbetrieb kann dann bei Erreichen einer vorgegebenen im NOx-Speicherkatalysator 7 gespeicherten NOx-Menge beendet werden. Bekannt ist in diesem Zusammenhang auch die zeitliche Dauer eines Magerintervalls sowie eines Regenerationsintervalls, insbesondere in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur festzulegen. Insbesondere kann in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur die Freigabe des Schichtbetriebes an die NOx-Konversionseffizienz des Katalysators angepasst werden.
Das in Figur 2 anhand einer schematischen Blockdarstellung veranschaulichte Verfahren zum Betrieb einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine ermöglicht eine Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators unter Verzicht auf aktive Maßnahmen zur Erhöhung der Katalysatortemperatur. Nach diesem Verfahren wird zunächst in Schritt 20 der Wert einer einen Schwefelvergiftungsgrad des NOx-Katalysators 7 charakterisierenden Zustandsgröße ermittelt. Hierzu wird beispielsweise die NOx-Speicheraktivität des NOx-Speicherkatalysators 7 ermittelt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe des stromabwärts des NOx-Katalysators 7 angeordneten NOx-Sensors 10 oder einer stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Lambdasonde 10 erfolgen. Die NOx-Speicheraktivität wird dabei aus einer Modellrechnung oder mittels eines stromaufwärts angeordneten Sensors, beispielsweise 8,8' oder 9 bestimmt. Bei nicht ausreichender NOx-Speicheraktivität wird ggf. in Schritt 22 ein Magerbetriebs- bzw. Schichtbetriebsfenster eingeengt oder direkt zur Bildung einer Zustandsgröße zu Schritt 26 gegangen. Die Zustandsgröße charakterisiert, wie noch genauer ausgeführt wird, den Schwefelvergiftungsgrad des Katalysators. Wie oben bereits dargestellt, wird bei der Einengung des Magerbetriebs in Abhängigkeit von der NOx-Speicheraktivität die Dauer oder Intensität des Magerbetriebs eingeschränkt. Insbesondere wird bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der in den NOx-Speicherkatalysator eingespeicherten NOx-Menge der Magerbetrieb beendet. Generell werden Zeitpunkt und Dauer der Freigabe einer Magerbetriebsphase, insbesondere eines Schichtladebetriebs der Brennkraftmaschine 1 in Abhängigkeit von der NOx-Speicheraktivität festgelegt. Die Zustandsgröße in Schritt 26 wird dann in Abhängigkeit von der Freigabedauer der Magerbetriebsphase gewählt. Wie an sich bekannt, wird die Magerbetriebsphase in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators freigegeben. Beispielsweise wird die Magerbetriebsphase gesperrt, wenn die Katalysatortemperatur kleiner als eine vorbestimmte minimale Katalysatortemperatur und / oder größer als eine vorgegebene maximale Katalysatortemperatur ist. Vorzugsweise werden dabei die im Motorsteuergerät 3 verwendeten Steuer- bzw. Regelsignale zur Einengung des Magerbetriebs in Schritt 22 verwendet. Insofern sind dann keine besonderen Maßnahmen zur Bildung der in Schritt 26 gebildeten Zustandsgröße erforderlich.
In die Bildung der Zustandsgröße in Schritt 26 geht vorzugsweise die während eines vorgegebenen Zeitintervalls in den Katalysator 7 eingespeicherte Schwefelmenge ein. Hierzu werden in Schritt 23 die Katalysatortemperatur und das Katalysator-Luftverhältnis Lambda ermittelt. Hierzu werden die Signale des Temperatursensors 13 sowie der stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Lambdasonde 10 ausgewertet und in Schritt 24 die in den NOx-Speicherkatalysator 7 eingespeicherte Schwefelmenge berechnet. Hierbei wird vorzugsweise auch eine ggf. erfolgte Schwefelentladung berücksichtigt. In Schritt 25 wird die berechnete gespeicherte Schwefelmenge mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Wird dieser Grenzwert überschritten, erfolgt ein Übergang zum Schritt 26.
In Schritt 26 wird bei nicht ausreichender NOx-Aktivität bzw. einer Freigabedauer der Magerbetriebsphase, die eine vorgegebene Grenze unterschreitet und bei einer Schwefelmenge, die den vorgegebenen Grenzwert überschreitet eine Entscheidung zur Bildung eines Statussignals zur Einleitung einer eine passive Entschwefelung des Katalysators bewirkende Betriebsweise der Brennkraftmaschine getroffen.
Das Statussignal kann beispielsweise im Motorsteuergerät 3 abgespeichert werden. Ferner kann das Statussignal dem Fahrer angezeigt werden und mit einer Aufforderung eine Entschwefelung einzuleiten verbunden werden. Ein gespeichertes Statussignal kann über eine spezielle Diagnosevorrichtung in einer Werkstatt aufgelesen werden, um eine natürliche Entschwefelung beispielsweise im Rahmen einer Fahrzeuginspektion durch das Werkstattpersonal im Realverkehr oder auf einer speziell dafür vorgesehenen Laufrollenvorrichtung durchzuführen.
Bei der Anzeige des Statussignals können Schaltempfehlungen gegeben werden, die eine hochtourige Fahrweise bei niedrigen Motorgrundlasten hervorrufen. Vorzugsweise kann der Fahrer des Kraftfahrzeuges oder das Werkstattpersonal über einen möglichen Sonderbetriebszustand informiert werden, der zur Verkürzung der Dauer der Entschwefelung eingesetzt wird und der eine extreme Wirkungsgradverschlechterung sowie entsprechende Fahrverhaltensmängel des Fahrzeuges in Kauf nimmt.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung des Verlaufs eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Zunächst wird in Schritt 30 die NOx-Speicheraktivität des Speicherkatalysators bestimmt. In Schritt 31 erfolgt eine Prüfung, ob die NOx-Speicheraktivität unzureichend ist oder nicht. Bei unzureichender NOx-Speicheraktivität wird zu Schritt 33, gegebenenfalls vorher zu Schritt 31a gegangen. Schritt 31a entspricht dem Schritt 22 aus Figur 2, d.h. es wird Zeitpunkt, Intensität und Dauer einer Magerbetriebsphase bestimmt. Ferner wird in den Schritt 33 geprüft, ob die NOx-Speicherkätalysatortemperatur eine Entschwefelung zulässt. Bevorzugt wird hierbei geprüft, ob diese Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt, d.h. größer als eine vorbestimmte minimale Katalysatortemperatur und / oder größer als eine vorgegebene maximale Katalysatortemperatur ist. Weist der Katalysator eine zulässige Temperatur auf, wird weiter zu Schritt 35 gegangen. In Schritt 35 wird bei unzureichender NOx-Speicheraktivität und einer zulässigen Katalysatortemperatur die Durchführung einer aktiven Entschwefelung durch Einstellung der Brennkraftmaschine auf eine Betriebsweise mit einem Lambdawert < 1,0 eingeleitet.
Bei nicht unzureichender NOx-Speicheraktivität wird von Schritt 31 zu Schritt 34 gegangen. In Schritt 34 erfolgt bei zulässiger Katalysatortemperatur und einer nicht unzureichenden NOx-Speicheraktivität eine Entscheidung darüber, die sich allein durch das Fahrprofil einstellende natürliche Entschwefelung in Schritt 36 auszunutzen. Ausgehend von Schritt 35 oder Schritt 36 wird in Schritt 37 die Schwefelentladung des NOx-Speicherkatalysators bestimmt. Vorzugsweise werden hierzu der Lambdawert des Abgases und die Temperatur des Katalysators herangezogen. Diese Daten werden einerseits in Schritt 32 und dem inhaltsgleichen Schritt 33 zur Bestimmung der für die Entschwefelung geeigneten Katalysatortemperatur herangezogen und andererseits in Schritt 38 dazu verwendet, zu prüfen ob die Entschwefelung des Katalysators einem vorbestimmten Kriterium genügt. Ist dies nicht der Fall, wird bei unzureichender NOx-Aktivität aus Schritt 31 von Schritt 38 zurück zu Schritt 35 gegangen. Bei ausreichender Entschwefelung erfolgt dann in Schritt 39 die Beendigung der Einstellung des Lambdawerts auf < 1.
Die in Schritt 35 durchgeführte aktive Entschwefelung kann bei automatisierten Getrieben ergänzt werden durch eine Verschiebung der Schaltkennungen gegenüber dem Normalbetrieb um eine Fahrweise mit hohen Drehzahlen mit niedrigen Motorgrundlasten hervorzurufen. Entsprechend kann bei einem Fahrzeug mit einem stufenlosen Getriebe ein Betrieb mit vom Normalbetrieb abweichenden Übersetzungskennfeldern erfolgen, um auch hier eine hochtourige Fahrweise mit niedrigen Lasten hervorzurufen.
Die vorstehend beschriebene Erfindung ermöglicht bei Kraftstoffen mit niedrigen Schwefelgehalten eine ausreichend sichere und einfache Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators, ohne dass durch eine zu häufige Anwendung eine unkomfortable Bedienung des Fahrzeugs resultiert, die für den Kunden nicht akzeptabel wäre. Da aufgrund eines geringeren Entwicklungs- und Applikationsaufwandes Entwicklungskosten eingespart werden können, ist auch eine Kaufpreisminderung vor Kunde zu erreichen.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordneten NOX-Speicherkatalysator, wobei eine Ermittlung des Wertes einer einen Schwefelvergiftungsgrad des Katalysators charakterisierenden Zustandsgröße erfolgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Bildung eines Statussignals in Abhängigkeit von dem Wert der Zustandsgröße
    Speicherung und / oder Anzeige des Statussignals zur Einleitung einer eine passive Entschwefelung des Katalysators bewirkenden Betriebsweise der Brennkraftmaschine.
    und/oder dass
    die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Wert der Zustandsgröße auf eine Betriebsweise mit einem Lambdawert < 1 eingestellt wird, wobei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei einem beliebigen Betriebspunkt zwischen 50 kmlh und 100 km/h gegenüber dem gleichen Betriebspunkt ohne gebildeten Statussignal um höchstens 3 %, vorzugsweise 2 %, besonders bevorzugt 1 % oder 0 % verschlechtert wird, insbesondere bei einem Betriebspunkt, der einer Konstantfahrt in der Ebene bei 20 Grad Celsius Außentemperatur entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von einer NOx-Speicheraktivität des Katalysators gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Speicheraktivität mittels einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde und / oder eines NOx-Sensors ermittelt wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von der in den Katalysator während einer Magerbetriebsphase nach einer Regenerationsphase eingespeicherten NOx-Menge gewählt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von der während eines vorgegebenen Zeitintervalls während einer Magerbetriebsphase nach einer Regenerationsphase in den Katalysator eingespeicherten Schwefelmenge gewählt wird.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Zustandsgröße eine Schwefelentladung des Katalysators berücksichtigt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von einer Katalysatortemperatur gewählt wird.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer einer Freigabe einer Magerbetriebsphase, insbesondere eines Schichtladebetriebs der Brennkraftmaschine, in Abhängigkeit von der NOx-Speicheraktivität insbesondere der in den Katalysator eingespeicherten NOx-Menge festgelegt wird, und dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Freigabedauer der Magerbetriebsphase gewählt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerbetriebsphase, insbesondere zusätzlich in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators freigegeben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerbetriebsphase gesperrt wird, wenn die Katalysatortemperatur kleiner als eine vorbestimmte minimale Katalysatortemperatur oder größer als eine vorgegebenen maximale Katalysatortemperatur ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Zustandsgröße vorgegebene Betriebszustände der Brennkraftmaschine, insbesondere Leerlaufphasen oder Stop-and-Go-Phasen ausgeschlossen werden.
  12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Statussignal Angaben über Zeitpunkt, Länge und /oder Intensität der eine passive Entschwefelung des Katalysators bewirkenden Betriebsweise der Brennkraftmaschine beinhaltet.
  13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße in Abhängigkeit von einem ermittelten Schwefeleintrag gebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefeleintrag mittels zumindest eines stromabwärts oder stromaufwärts des Katalysators angeordneten Schwefelsensors, vorzugsweise eines Infrarotsensors ermittelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefeleintrag geschätzt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung auf einem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine beruht.
  17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer passiven Entschwefelung eine Zurücksetzung des Wertes der Zustandsgröße auf einem dem aktuellen Schwefelvergiftungsgrad des Katalysators entsprechenden Wert erfolgt.
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