WO2001000972A1 - Verfahren zur steuerung eines arbeitsmodus einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a working mode of an internal combustion engine with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • gaseous pollutants are produced in varying proportions, which can act on the one hand as a reducing agent and on the other hand as an oxidizing agent.
  • Reducing agents such as CO, HC or H2 are increasingly produced under conditions in which a ratio of oxygen to a fuel is sub-stoichiometric or stoichiometric ( ⁇ ⁇ 1; regeneration mode). If, on the other hand, the oxygen in the air-fuel mixture predominates, the internal combustion engine is in lean operation ( ⁇ > 1) and a proportion of the reducing agents in the exhaust gas decrease.
  • oxidizing agents such as NO x and SO x are also formed during a combustion process. These are reduced on the storage catalyst in the regeneration mode by the reducing agents. In a lean operation, this is no longer possible to a sufficient extent, but the oxidizing agents are stored in the storage catalytic converter under such conditions. NO x absorption takes place until a NO x desorption temperature is reached or until the NO x storage capacity of the storage catalytic converter is exhausted. Before this time, a change to the regeneration mode must take place in order to reduce NO x emissions downstream of the storage catalytic converter. For this purpose, it is known to control the working mode as a function of an average catalyst temperature.
  • the catalyst temperature can be detected, for example, using sensors additionally introduced into the exhaust gas duct, or else can be calculated in a known manner using suitable models. If the catalyst temperature exceeds a predefinable threshold temperature, a switch to regeneration mode is initiated in order to prevent NO x desorption without a simultaneous reduction. On the other hand, the storage catalytic converter must be heated to a minimum operating temperature in order to ensure sufficient NO x storage capacity. It is known to operate the internal combustion engine in regeneration mode until a predeterminable minimum temperature is reached. In such an operation, an exhaust gas temperature is generally higher than in lean operation. However, additional fuel consumption must be accepted. To reduce fuel consumption, it is therefore necessary to keep the duration of the regeneration operation as short as possible.
  • the invention has for its object to provide a method which allows in a particularly simple and flexible manner to take into account an inhomogeneous temperature profile within the storage catalytic converter when controlling the working mode of the internal combustion engine. Along with this, fuel consumption should be reduced.
  • this object is achieved by the method for controlling the working mode of the internal combustion engine with the features mentioned in claim 1.
  • the storage catalytic converter is divided into a number of catalytic converter cells in accordance with a predeterminable matrix;
  • the working mode of the internal combustion engine is determined as a function of the cell temperature of at least one predeterminable catalyst cell
  • the lean operation of the internal combustion engine is preferably set to ⁇ > 1 if the cell temperature in at least one catalyst cell lies between a predeterminable lower limit temperature and a predeterminable upper limit temperature.
  • the lower limit temperature is selected such that the minimum operating temperature is exceeded and the storage catalytic converter has an overall sufficient NO x storage capacity.
  • the upper limit temperature is below the NO x desorption temperature. The lean operation of the internal combustion engine can therefore still be maintained if the average catalyst temperature has already exceeded the upper limit temperature, but is still at least one catalyst cell below the predefinable upper limit temperature, and the internal combustion engine can already start lean operation in at least one catalyst cell after the minimum operating temperature has been exceeded be switched, even if the mean catalyst temperature is below the minimum operating temperature.
  • the NO x storage capacity can be used as a further criterion for maintaining lean operation. For this purpose, it is conceivable on the one hand to specify a threshold value for the NO x storage capacity and to start the regeneration operation of the internal combustion engine when the threshold value is exceeded. On the other hand, a cumulative raw NO x emission of the internal combustion engine over a predeterminable period of time and the NO x desorption of each catalyst cell can be calculated over the same period.
  • a cumulative NO x emission downstream of the storage catalytic converter can be calculated. If the calculated cumulative NO x emission exceeds a predeterminable threshold value, the regeneration operation of the internal combustion engine is also set.
  • the cell temperature is exceeded in at least one catalyst cell above the minimum desulfurization temperature.
  • the desulfurization can also be made dependent on a predeterminable threshold value for the SO x loading state. In this way, it is possible to initiate the desulfurization even before an average minimum desulfurization temperature is exceeded, thus shortening a heating-up phase.
  • a duration of the heating phase to reach the minimum desulfurization temperature in further downstream catalyst cells can be calculated depending on the cell temperature of further upstream catalyst cells, since these transfer their excess heat (difference between the cell temperature and the minimum desulfurization temperature) downstream during the desulfurization. This shortens the desulfurization time and reduces the additional consumption due to desulfurization.
  • Regeneration rate a course of the NO x storage capacity, a course of the NO ⁇ , SO x or 02 loading state or a combination thereof.
  • Figure 1 shows an arrangement of a NO x storage catalyst in one
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a profile of a lambda value during NO x regeneration
  • Figure 4 is a schematic representation of the course of the lambda value during a heating phase shortly after the start of the internal combustion engine
  • FIG. 5 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of the method according to the invention for controlling a working mode of the internal combustion engine
  • FIG. 6 shows a flow chart of an exemplary embodiment of the method according to the invention for controlling a working mode of the internal combustion engine during desulfurization.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement 10 with an NO storage catalytic converter 12 in an exhaust gas duct 14 of an internal combustion engine 16.
  • the arrangement 10 is only a greatly simplified exemplary embodiment, and additional NO ⁇ storage catalytic converters or precatalysts can also be used in the area of the Exhaust duct 14 are arranged. Such arrangements are known and will not be explained in more detail here.
  • sensors are arranged in the exhaust gas channel, which allow a conclusion to be drawn about a current catalytic converter condition, for example by detecting a content of a gas component in an exhaust gas or a temperature.
  • a gas sensor 18 and a temperature sensor 20 are shown in the arrangement 10, which are located downstream of the NO Sind storage catalytic converter 12.
  • the sensors 18, 20 deliver signals that can be evaluated within an engine control unit 22.
  • means 24 are assigned to the internal combustion engine 16, which enable at least a temporary influencing of at least one operating parameter of the internal combustion engine 16. In this way, an exhaust gas temperature, a working mode of the internal combustion engine 16 and / or the The proportion of the individual gas components in the exhaust gas can be varied. Such influencing of the operating parameters of the internal combustion engine 16 is known and will not be explained in more detail in this context.
  • reducing agents such as CO, HC and H2
  • oxidizing agents such as NO x and SO x
  • a working mode with ⁇ ⁇ 1 rich or stoichiometric atmosphere, regeneration mode
  • a fuel fraction outweighs an oxygen fraction in the air / fuel mixture or these are in stoichiometric ratios.
  • reducing agents are formed to an increased degree.
  • the working mode changes in a range with ⁇ > 1 (lean atmosphere, lean operation)
  • the proportion of reducing agents in the exhaust gas decreases.
  • the reducing agents are oxidized with oxygen. A reduction in a reducing agent emission is therefore always possible to a sufficient extent if an oxygen concentration in the NO x storage catalytic converter 12 is correspondingly high.
  • the oxidizing agents are converted in the NO x storage catalytic converter 12 by the reducing agents. To a sufficient degree, this can only be done in a working mode with ⁇ ⁇ 1. In a lean atmosphere, the NO x is absorbed as nitrate and the SO x as sulfate until the NO ⁇ desorption temperature is reached or the NO x storage capacity is exhausted. Before this point in time, therefore, at least one NO x regeneration must be carried out.
  • SO ⁇ regeneration (desulfurization) generally does not take place during the NO ⁇ regeneration.
  • a working mode with ⁇ ⁇ 1 and a regeneration temperature (depending on the NO ⁇ or SO x desorption temperature) are necessary for regeneration (NO x and SO x regeneration), which together form the regeneration parameters.
  • the regeneration parameters can be set in a known manner by influencing the operating parameters of the internal combustion engine 16. It is also known to determine a need for regeneration of the NO x storage catalytic converter 12. This will not be explained in more detail in this context.
  • FIG. 2 schematically shows a division of the storage catalytic converter 12 into any number of catalytic converter cells on the basis of a predeterminable matrix shown.
  • the matrix for dividing the storage catalytic converter 12 into the catalyst cells can be determined using a storage catalytic converter model.
  • This model can include, for example, a spatial extension of the storage catalytic converter 12, a temperature profile or a profile of a regeneration speed within the storage catalytic converter 12. It is also conceivable to use a curve of the NO ⁇ storage capacity and a curve of a loading state for NO x , SO x or O2 within the storage catalytic converter 12.
  • the loading state is a measure of an absorbed NO x , SO x or 02 mass of a catalyst cell.
  • the storage catalytic converter 12 is Z-
  • FIG. 3 shows a course of the lambda value during the regeneration of the storage catalytic converter 12 (dashed line).
  • a curve of the lambda value according to a conventional method is also shown for clarification.
  • the internal combustion engine 16 is initially in a lean mode for a phase tmi.
  • regeneration mode is stopped, at least until the temperature drops below the threshold again.
  • Lean operation is then started again in a phase t m 2.
  • the course of the lambda value (dashed line) is significantly different.
  • the regeneration operation can be started later on the one hand and ended earlier on the other hand.
  • ' and t m 2 ' the mean catalyst temperature is temporarily above the limit temperature which can be predetermined by the conventional method, but the temperature in selected catalyst cells (cell temperature) can still be low enough to ensure sufficient NO x storage capacity. The type of control is explained in more detail below.
  • FIG. 4 shows a course of the lambda value during a heating phase of the storage catalytic converter 12 (dashed line). Again, a solid line shows the course of the lambda value according to a conventional method.
  • a rich or stoichiometric exhaust gas ⁇ 1 1
  • the regeneration operation is maintained until the average catalyst temperature has exceeded a minimum temperature.
  • a phase tf2 ' is shortened in the process according to the invention, and lean operation can already be started when selected catalyst cells have exceeded the minimum temperature.
  • FIG. 5 shows a flow chart for controlling the working mode of the internal combustion engine 16.
  • the storage catalytic converter 12 is divided into any number of catalytic converter cells in accordance with the predeterminable matrix.
  • the cell temperature for each catalyst cell is subsequently determined in a step S2.
  • the cell temperature is either measured directly, for example using additional temperature sensors, or it is calculated using known models.
  • a step S3 it is determined whether the cell temperature in a selected number of catalytic converter cells, which is dependent on exhaust gas mass flow and lambda and NOx emissions, between a predeterminable lower limit temperature G-
  • represents the minimum operating temperature of the storage catalytic converter 12, which is necessary in order to provide sufficient NO x storage capacity at all.
  • the upper limit temperature G2 is selected such that it is below the NO ⁇ desorption temperature so that NO x emissions downstream of the storage catalytic converter 12 are avoided. If the cell temperature in the selected catalyst cells is below the lower limit temperature G-), a heating measure can optionally be initiated in a step S4, for example by changing to regeneration mode. If the cell temperature in the selected catalyst cells is above the upper limit temperature G2, a cooling measure can optionally be carried out in step S4 by influencing the operating parameters of the internal combustion engine 16 in a known manner.
  • the NO x storage capacity of selected catalyst cells is determined in a step S5. This can in turn be carried out using known storage catalytic converter models for the NO x , SO x or 02 loading state. Reaches the NO x - Storage capacity does not have a predeterminable threshold value S-
  • a cumulative NO x emission downstream of the storage catalytic converter is calculated in a predefinable period.
  • the catalytic converter cells Z4 to ZQ shown in FIG. 2, which are arranged further downstream in the exhaust gas duct 14, may also have to absorb NO x in addition to the NO x raw emission generated by the internal combustion engine 16, which is caused by NO ⁇ desorption in catalyst cells located further ahead (Z-
  • step S7 If the calculated cumulative NO x emission downstream of the storage catalytic converter 12 exceeds a predeterminable threshold value S2, the regeneration operation is started again (step S7). If this is not the case, then the internal combustion engine 16 remains in the lean mode or is adjusted to the lean mode (step S10).
  • FIG. 6 shows a flow chart for controlling the operating mode of the internal combustion engine 16 during the desulfurization.
  • steps S1 and S2 - as already explained - the storage catalytic converter 12 is first divided into individual catalytic converter cells and the cell temperature of selected catalytic converter cells is recorded. If the cell temperature in the selected catalyst cells is below a minimum desulfurization temperature (step S11), no further action is taken (step S12). Otherwise, it is checked in a step S13 whether the SO x loading state exceeds a predeterminable threshold value S3. If necessary, a duration of the heating phase for the desulfurization is then determined in a step S14.
  • the duration of the heating phase for reaching the minimum desulfurization temperature in further downstream catalyst cells can be determined as a function of the cell temperature in further upstream catalyst cells (for example the catalyst cells Z- to Z3 in FIG. 2).
  • a heat flow can also take place within the storage catalytic converter 12 between the individual catalyst cells.
  • the further upstream catalyst cells have a higher cell temperature. Overall, the regeneration time during desulfurization can be significantly reduced in this way.
  • the desulfurization is then carried out in a step S15.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet werden, die in Abhängigkeit von einer berechneten oder gemessenen Katalysatortemperatur wenigstens eines in einem Abgaskanal angeordneten Speicherkatalysators wenigstens einen Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine zur Einstellung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine zumindest temporär beinflussen. Es ist vorgesehen, dass a) der Speicherkatalysator (12) entsprechend einer vorgebbaren Matrix in einer Anzahl von Katalysatorzellen aufgeteilt wird; b) eine Zellentemperatur für jede Katalysatorzelle ermittelt wird und c) der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) in Abhängigkeit von der Zellentemperatur von wenigstens einer vorgebbaren Katalysatorzelle bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Zur Steuerung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine ist bekannt, der Verbrennungskraftmaschine Mittel zuzuordnen, die durch eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine eine Einstellung des Arbeitsmodus erlauben. Ferner ist bekannt, ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine durch geeignete Katalysatoren, die in einem Abgaskanal angeordnet sind, zu reinigen. Derartige Katalysatoren umfassen unter anderem NOx- Speicherkatalysatoren.
Während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine entstehen in wechselnden Anteilen gasförmige Schadstoffe, die einerseits als Reduktionsmittel und andererseits als Oxidationsmittel wirken können. Reduktionsmittel, wie CO, HC oder H2, entstehen in einem vermehrten Maße unter Bedingungen, in denen ein Verhältnis von Sauerstoff zu einem Kraftstoff unterstöchiometrisch oder stöchiometrisch ist (λ < 1 ; Regenerationsbetrieb). Überwiegt dagegen der Sauerstoff im Luft-Kraftstoff-Gemisch, so befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in einem Magerbetrieb (λ > 1), und ein Anteil der Reduktionsmittel am Abgas sinkt. In einem dynamischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist es meist dennoch möglich, die Reduktionsmittel in dem Katalysator in einem ausreichenden Maße mit Sauerstoff zu oxidieren.
Während eines Verbrennungsvorganges werden daneben auch Oxidationsmittel, wie NOx und SOx, gebildet. Diese werden an dem Speicherkatalysator im Regenerationsbetrieb durch die Reduktionsmittel reduziert. In einem Magerbetrieb ist dies nicht mehr in ausreichendem Maße möglich, jedoch werden unter solchen Bedingungen die Oxidationsmittel in dem Speicherkatalysator eingelagert. Eine NOx- Absorption findet dabei solange statt, bis eine NOx-Desorptionstemperatur erreicht oder eine NOx-Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators erschöpft ist. Vor diesem Zeitpunkt muß demnach ein Wechsel in den Regenerationsbetrieb stattfinden, um eine NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators zu vermindern. Dazu ist es bekannt, den Arbeitsmodus in Abhängigkeit von einer mittleren Katalysatortemperatur zu steuern. Die Katalysatortemperatur kann dabei beispielsweise über zusätzlich in den Abgaskanal eingebrachte Sensoren erfaßt werden oder aber auch in bekannter Weise über geeignete Modelle berechnet werden. Überschreitet dabei die Katalysatortemperatur eine vorgebbare Schwellentemperatur, so wird ein Wechsel in den Regenerationsbetrieb initiiert, um eine NOx-Desorption ohne gleichzeitige Reduktion zu verhindern. Auf der anderen Seite muß der Speicherkatalysator, um eine ausreichende NOx-Speicherfähigkeit zu gewähren, auf eine Mindestbetriebstemperatur aufgeheizt werden. So ist bekannt, die Verbrennungskraftmaschine bis zum Erreichen einer vorgebbaren Mindesttemperatur im Regenerationsbetrieb zu betreiben. Dabei ist eine Abgastemperatur in einem solchen Betrieb im allgemeinen höher als im Magerbetrieb. Allerdings muß dabei ein Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf genommen werden. Zur Minderung des Kraftstoffverbrauches ist es daher notwendig, eine Dauer des Regenerationsbetriebes möglichst gering zu halten.
Bekannt ist ferner, den Speicherkatalysator je nach Notwendigkeit in bestimmten Abständen zu entschwefeln (SOx-Regeneration). Auch hierzu wird der Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Zur Entschwefelung ist jedoch eine wesentlich höhere Mindestentschwefelungstemperatur notwendig. In dem bisherigen Verfahren wird auch hier lediglich eine gemittelte Mindestentschwefelungstemperatur zugrundegelegt, ab der der Wechsel in den Regenerationsbetrieb erfolgt. Gegebenenfalls kann es jedoch sinnvoll sein, die Entschwefelung bereits einzuleiten, wenn nur einzelne Bereiche des Speicherkatalysators die Mindestentschwefelungstemperatur überschritten haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das in besonders einfacher und flexibler Weise erlaubt, einen inhomogenen Temperaturverlauf innerhalb des Speicherkatalysators bei der Steuerung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine zu berücksichtigen. Damit einhergehend soll der Kraftstoffverbrauch gemindert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Steuerung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß (a) der Speicherkatalysator entsprechend einer vorgebbaren Matrix in einer Anzahl von Katalysatorzellen aufgeteilt wird;
(b) eine Zellentemperatur für jede Katalysatorzelle ermittelt wird und
(c) der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Zellentemperatur von wenigstens einer vorgebbaren Katalysatorzelle bestimmt wird,
ist es möglich, den Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine einem tatsächlichen Katalysatorzustand anzupassen.
In bevorzugter Weise wird dabei der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine mit λ > 1 eingestellt, wenn in wenigstens einer Katalysatorzelle die Zellentemperatur zwischen einer vorgebbaren unteren Grenztemperatur und einer vorgebbaren oberen Grenztemperatur liegt. Dabei ist die untere Grenztemperatur derart gewählt, daß die Mindestbetriebstemperatur überschritten wird und eine insgesamt ausreichende NOx- Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators besteht. Die obere Grenztemperatur liegt unterhalb der NOx-Desorptionstemperatur. Der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine kann daher noch aufrechterhalten werden, wenn die mittlere Katalysatortemperatur bereits die obere Grenztemperatur überschritten hat, aber noch wenigstens eine Katalysatorzelle unterhalb der vorgebbaren oberen Grenztemperatur liegt, und die Verbrennungskraftmaschine kann bereits nach dem Überschreiten der Mindestbetriebstemperatur in wenigstens einer Katalysatorzelle in den Magerbetrieb geschaltet werden, auch wenn die mittlere Katalysatortemperatur unterhalb der Mindestbetriebstemperatur liegt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in Abhängigkeit von dem NOx- und SOx- Beladungszustand und der Zellentemperatur die NOx-Speicherfähigkeit für jede Katalysatorzelle zu ermitteln. Die NOx-Speicherfähigkeit kann als ein weiteres Kriterium für eine Aufrechterhaltung des Magerbetriebes herangezogen werden. Dazu ist es zum einen denkbar, einen Schwellenwert für die NOx-Speicherfähigkeit vorzugeben und beim Überschreiten des Schwellenwertes den Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine aufzunehmen. Zum anderen kann eine kumulierte NOx- Rohemission der Verbrennungskraftmaschine über einen vorgebbaren Zeitraum sowie die NOx-Desorption jeder Katalysatorzelle über den gleichen Zeitraum berechnet werden. Anschließend kann in Abhängigkeit von der NOx-Speicherfähigkeit, der NOx- Desorption und einer räumlichen Lage jeder Katalysatorzelle sowie der kumulierten NOx-Rohemission eine kumulierte NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators berechnet werden. Übersteigt die berechnete kumulierte NOx-Emission einen vorgebbaren Schwellenwert, so wird ebenfalls der Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt.
Vorteilhaft ist auch, beim Überschreiten der Zellentemperatur in wenigstens einer Katalysatorzelle über die Mindestentschwefelungstemperatur die Entschwefelung einzuleiten. Selbstverständlich kann dabei die Entschwefelung zusätzlich abhängig von einem vorgebbaren Schwellenwert für den SOx-Beladungszustand gemacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, bereits vor dem Überschreiten einer mittleren Mindestentschwefelungstemperatur die Entschwefelung einzuleiten und so eine Aufheizphase zu verkürzen.
Eine Dauer der Aufheizphase zum Erreichen der Mindestentschwefelungstemperatur in weiter stromab gelegenen Katalysatorzellen kann dabei in Abhängigkeit von der Zellentemperatur weiter stromauf gelegener Katalysatorzellen berechnet werden, da diese ihre Überschußwärme (Differenz aus der Zellentemperatur und der Mindestentschwefelungstemperatur) während der Entschwefelung stromab weiterleiten. Damit wird eine Entschwefelungsdauer verkürzt und ein entschwefelungsbedingter Mehrverbrauch gemindert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die zur Einteilung des Speicherkatalysators benötigte Matrix anhand eines Speicherkatalysatormodells für eine räumliche Erstreckung, einen Temperaturverlauf, einen Verlauf einer
Regenerationsgeschwindigkeit, einen Verlauf der NOx-Speicherfähigkeit, einen Verlauf des NOχ-, SOx- oder 02-Beladungszustandes oder eine Kombination derselben festzulegen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines NOx-Speicherkatalysators in einem
Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Aufteilung des
Speicherkatalysators anhand einer Matrix;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufes eines Lambdawertes während einer NOx-Regeneration;
Figur 4 eine schematische Darstellung des Verlaufes des Lambdawertes während einer Aufheizphase kurz nach Start der Verbrennungskraftmaschine;
Figur 5 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine und
Figur 6 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine während einer Entschwefelung.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 10 mit einem NO - Speicherkatalysator 12 in einem Abgaskanal 14 einer Verbrennungskraftmaschine 16. Selbstverständlich ist die Anordnung 10 lediglich ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel, und es können ebenso auch zusätzliche NOχ- Speicherkatalysatoren oder Vorkatalysatoren im Bereich des Abgaskanals 14 angeordnet werden. Derartige Anordnungen sind bekannt und sollen hier nicht näher erläutert werden.
In dem Abgaskanal werden zusätzlich Sensoren angeordnet, die einen Rückschluß auf einen aktuellen Katalysatorzustand erlauben, indem sie beispielsweise einen Gehalt einer Gaskomponente in einem Abgas oder eine Temperatur erfassen. In der Anordnung 10 sind dazu beispielhaft ein Gassensor 18 und ein Temperatursensor 20 dargestellt, die stromab des NOχ-Speicherkatalysators 12 liegen. Die Sensoren 18, 20 liefern Signale, die innerhalb eines Motorsteuergerätes 22 ausgewertet werden können. Ferner sind der Verbrennungskraftmaschine 16 Mittel 24 zugeordnet, die eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine 16 ermöglichen. Auf diese Weise kann eine Abgastemperatur, ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 und/oder der Anteil der einzelnen Gaskomponenten im Abgas variiert werden. Eine derartige Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 ist bekannt und soll in diesem Zusammenhang nicht näher erläutert werden.
Während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine 16 entstehen in wechselnden Anteilen Reduktionsmittel, wie CO, HC und H2, und Oxidationsmittel, wie NOx und SOx. In einem Arbeitsmodus mit λ < 1 (fette oder stöchiometrische Atmosphäre, Regenerationsbetrieb) überwiegt ein Kraftstoffanteil einen Sauerstoffanteil in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch oder diese liegen in stöchiometrischen Verhältnissen vor. Infolgedessen werden in einem erhöhten Maße Reduktionsmittel gebildet. Wechselt der Arbeitsmodus in einem Bereich mit λ > 1 (magere Atmosphäre, Magerbetrieb), so sinkt der Anteil der Reduktionsmittel am Abgas. Im NOx-Speicherkatalysator 12 werden die Reduktionsmittel mit Sauerstoff oxidiert. Damit ist eine Verminderung einer Reduktionsmittelemission in einem ausreichenden Maße immer dann möglich, wenn eine Sauerstoffkonzentration im NOx- Speicherkatalysator 12 entsprechend hoch ist.
Die Oxidationsmittel werden dagegen in dem NOx-Speicherkatalysator 12 durch die Reduktionsmittel umgesetzt. In einem ausreichenden Maße kann dies nur in einem Arbeitsmodus mit λ < 1 erfolgen. In magerer Atmosphäre wird das NOx als Nitrat und das SOx als Sulfat absorbiert und zwar so lange, bis eine NOχ-Desorptionstemperatur erreicht oder eine NOx-Speicherfähigkeit erschöpft ist. Vor diesem Zeitpunkt muß demnach zumindest eine NOx-Regeneration durchgeführt werden.
Aufgrund einer höheren SOx-Desorptionstemperatur findet eine SOχ-Regeneration (Entschwefelung) im allgemeinen während der NOχ-Regeneration nicht statt. Insgesamt sind jedoch für eine Regeneration (NOx- und SOx-Regeneration) ein Arbeitsmodus mit λ < 1 und eine Regenerationstemperatur (in Abhängigkeit von der NOχ- beziehungsweise SOx-Desorptionstemperatur) notwendig, die zusammengefaßt die Regenerationsparameter bilden. Eine Einstellung der Regenerationsparameter kann in bekannter Weise durch die Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 erfolgen. Ebenso ist bekannt, eine Regenerationsnotwendigkeit des NOx-Speicherkatalysators 12 zu bestimmen. Dies soll in diesem Zusammenhang nicht näher erläutert werden.
In der Figur 2 ist in schematischer Weise eine Aufteilung des Speicherkatalysators 12 in eine beliebige Anzahl von Katalysatorzellen anhand einer vorgebbaren Matrix dargestellt. Die Matrix zur Aufteilung des Speicherkatalysators 12 in die Katalysatorzellen kann anhand eines Speicherkatalysatormodells festgelegt werden. Dieses Modell kann beispielsweise eine räumliche Erstreckung des Speicherkatalysators 12, einen Temperaturverlauf oder einen Verlauf einer Regenerationsgeschwindigkeit innerhalb des Speicherkatalysators 12 umfassen. Denkbar ist auch, einen Verlauf der NOχ-Speicherfähigkeit und einen Verlauf eines Beladungszustandes für NOx, SOx oder O2 innerhalb des Speicherkatalysators 12 zu nutzen. Der Beladungszustand ist dabei ein Maß für eine absorbierte NOx-, SOx- oder 02-Masse einer Katalysatorzelle. Selbstverständlich ist es möglich, eine Kombination der genannten Parameter in eine Berechnung der Matrix einfließen zu lassen. In dem dargestellten Beispiel ist der Speicherkatalysator 12 in insgesamt sechs Katalysatorzellen Z-| bis ZQ (Zonen) aufgeteilt worden, wobei die Zelle Z-| an einer der Verbrennungskraftmaschine 16 zugewandten Seite angeordnet ist.
Die Figur 3 zeigt einen Verlauf des Lambdawertes während der Regeneration des Speicherkatalysators 12 (gestrichelte Linie). Zur Verdeutlichung ist auch ein Verlauf des Lambdawertes nach einem herkömmlichen Verfahren (durchgezogene Linie) dargestellt. Hierbei ist die Verbrennungskraftmaschine 16 zunächst für eine Phase tmi im Magerbetrieb. Nach einem Überschreiten einer vorgebbaren Schwellentemperatur für die gemittelte Katalysatortemperatur des Speicherkatalysators 12 wird in einer Phase tf-| der Regenerationsbetrieb eingestellt, und zwar mindestens solange, bis die Schwellentemperatur wieder unterschritten wird. Anschließend wird wieder in einer Phase tm2 der Magerbetrieb aufgenommen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Verlauf des Lambdawertes (gestrichelte Linie) deutlich abweichend. So kann der Regenerationsbetrieb in einer Phase tf -j ' zum einen später aufgenommen werden und zum anderen früher beendet werden. Zwar mag in den Magerphasen tm-|' und tm2' die mittlere Katalysatortemperatur zeitweise oberhalb der nach dem herkömmlichen Verfahren vorgebbaren Grenztemperatur liegen, jedoch kann die Temperatur in ausgewählten Katalysatorzellen (Zellentemperatur) noch niedrig genug sein, um eine ausreichende NOx-Speicherfähigkeit zu gewähren. Art und Weise der Steuerung werden nachfolgend noch näher erläutert.
In der Figur 4 ist ein Verlauf des Lambdawertes während einer Aufheizphase des Speicherkatalysators 12 dargestellt (gestrichelte Linie). Wiederum zeigt eine durchgezogene Linie den Verlauf des Lambdawertes nach einem herkömmlichen Verfahren. Um den Speicherkatalysator 12 kurz nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine 16 auf eine notwendige Betriebstemperatur zu bringen, wird dieser zunächst für eine Phase tf2 mit einem fetten oder stöchiometrischen Abgas (λ ≤ 1 ) beaufschlagt, da hier im allgemeinen die Abgastemperaturen deutlich erhöht sind. Der Regenerationsbetrieb wird solange aufrechterhalten, bis die mittlere Katalysatortemperatur eine Mindesttemperatur überschritten hat. Dagegen wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine Phase tf2' verkürzt, und ein Magerbetrieb kann bereits aufgenommen werden, wenn ausgewählte Katalysatorzellen die Mindesttemperatur überschritten haben.
In der Figur 5 ist ein Flußdiagramm zur Steuerung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 dargestellt. Zunächst wird in einem Schritt S1 der Speicherkatalysator 12 entsprechend der vorgebbaren Matrix in eine beliebige Anzahl von Katalysatorzellen aufgeteilt. Nachfolgend wird in einem Schritt S2 die Zellentemperatur für jede Katalysatorzelle ermittelt. Die Zellentemperatur wird entweder direkt gemessen, beispielsweise über zusätzlich eingebrachte Temperatursensoren, oder sie wird anhand bekannter Modelle berechnet.
In einem Schritt S3 wird ermittelt, ob die Zellentemperatur in einer ausgewählten, von Abgasmassenstrom und Lambda und NOx-Rohemissionen abhängigen Anzahl von Katalysatorzellen zwischen einer vorgebbaren unteren Grenztemperatur G-| und einer vorgebbaren oberen Grenztemperatur G2 liegt. Die untere Grenztemperatur G-| stellt dabei die Mindestbetriebstemperatur des Speicherkatalysators 12 dar, die notwendig ist, um überhaupt eine ausreichende NOx-Speicherfähigkeit zu gewähren. Die obere Grenztemperatur G2 ist derart gewählt, daß sie unterhalb der NOχ- Desortionstemperatur liegt, damit NOx-Emissionen stromab des Speicherkatalysators 12 vermieden werden. Liegt die Zellentemperatur in den ausgewählten Katalysatorzellen unterhalb der unteren Grenztemperatur G-) , so kann gegebenenfalls in einem Schritt S4 eine Heizmaßnahme, beispielsweise durch Wechsel in Regenerationsbetrieb, initiiert werden. Ist die Zellentemperatur in den ausgewählten Katalysatorzellen oberhalb der oberen Grenztemperatur G2, so kann gegebenenfalls in dem Schritt S4 eine Abkühlmaßnahme durch eine Beeinflussung der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 16 in bekannter weise erfolgen.
In einem Schritt S5 wird die NOx-Speicherfähigkeit ausgewählter Katalysatorzellen ermittelt. Dies kann wiederum anhand von bekannten Speicherkatalysatormodellen für den NOx-, SOx- oder 02-Beladungszustand durchgeführt werden. Erreicht die NOx- Speicherfähigkeit nicht einen vorgebbaren Schwellenwert S-| (Schritt S6), so wird in einem Schritt S7 der Regenerationsbetrieb aufgenommen.
In einem Schritt S8 wird in Abhängigkeit von der NOx-Speicherfähigkeit, der NOx- Desorption und einer räumlichen Lage jeder Katalysatorzelle sowie einer NOx- Rohemission der Verbrennungskraftmaschine 16 in einem vorgebbaren Zeitraum eine kumulierte NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators berechnet. So müssen die in der Figur 2 gezeigten Katalysatorzellen Z4 bis ZQ, die weiter stromab im Abgaskanal 14 angeordnet sind, gegebenenfalls neben der durch die Verbrennungskraftmaschine 16 erzeugten NOx-Rohemission auch NOx aufnehmen, das durch NOχ-Desorption in weiter vorne liegenden Katalysatorzellen (Z-| bis Z3) freigesetzt wird. Überschreitet die berechnete kumulierte NOx-Emission stromab des Speicherkatalysators 12 einen vorgebbaren Schwellenwert S2, so wird wiederum der Regenerationsbetrieb (Schritt S7) aufgenommen. Ist dies nicht der Fall, so verbleibt die Verbrennungskraftmaschine 16 in dem Magerbetrieb beziehungsweise wird auf den Magerbetrieb eingeregelt (Schritt S10).
Die Figur 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Steuerung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 16 während der Entschwefelung. In den Schritten S1 und S2 wird - wie bereits erläutert - zunächst der Speicherkatalysator 12 in einzelne Katalysatorzellen aufgeteilt und die Zellentemperatur ausgewählter Katalysatorzellen erfaßt. Liegt die Zellentemperatur in den ausgewählten Katalysatorzellen unterhalb einer Mindestentschwefelungstemperatur (Schritt S11 ), so wird keine weitere Maßnahme ergriffen (Schritt S12). Ansonsten wird in einem Schritt S13 überprüft, ob der SOx- Beladungszustand einen vorgebbaren Schwellenwert S3 überschreitet. Gegebenenfalls wird dann in einem Schritt S14 eine Dauer der Aufheizphase für die Entschwefelung festgelegt. Die Dauer der Aufheizphase zum Erreichen der Mindestentschwefelungstemperatur in weiter stromab gelegenen Katalysatorzellen (beispielsweise den Katalysatorzellen Z4 bis ZQ der Figur 2) kann in Abhängigkeit von der Zellentemperatur weiter stromauf gelegener Katalysatorzellen (beispielsweise den Katalysatorzellen Z-\ bis Z3 der Figur 2) bestimmt werden. Neben einem Wärmefluß über das Abgas kann nämlich auch ein Wärmefluß innerhalb des Speicherkatalysators 12 zwischen den einzelnen Katalysatorzellen stattfinden. Im allgemeinen weisen die weiter stromauf liegenden Katalysatorzellen eine höhere Zellentemperatur auf. Insgesamt kann auf diese Weise die Regenerationsdauer während der Entschwefelung deutlich verkürzt werden. In einem Schritt S15 wird dann die Entschwefelung durchgeführt.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
Verfahren zur Steuerung eines Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet werden, die in Abhängigkeit von einer berechneten oder gemessenen Katalysatortemperatur wenigstens eines in einem Abgaskanal angeordneten Speicherkatalysators wenigstens einen Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine zur Einstellung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine zumindest temporär beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) der Speicherkatalysator (12) entsprechend einer vorgebbaren Matrix in einer Anzahl von Katalysatorzellen aufgeteilt wird;
(b) eine Zellentemperatur für jede Katalysatorzelle ermittelt wird und
(c) der Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (16) in Abhängigkeit von der Zellentemperatur von wenigstens einer vorgebbaren Katalysatorzelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (16) mit λ > 1 eingestellt wird, wenn in wenigstens einer Katalysatorzelle die Zellentemperatur zwischen einer vorgebbaren unteren Grenztemperatur (G-|) und einer vorgebbaren oberen Grenztemperatur (G2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) in Abhängigkeit von einem NOχ- und SOx-Beladungszustand und der Zellentemperatur eine NOx-Speicherfähigkeit für jede Katalysatorzelle ermittelt wird;
(b) ein Schwellenwert (S-|) für die NOx-Speicherfähigkeit vorgegeben wird und (c) beim Überschreiten des Schwellenwertes (S-| ) ein Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (16) mit λ < 1 eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) in Abhängigkeit von dem NOx- und SOx-Beladungszustand und der Zellentemperatur die NOx-Speicherfähigkeit für jede Katalysatorzelle ermittelt wird;
(b) für einen vorgebbaren Zeitraum eine kumulierte NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine (16) und eine Änderung des NOx- Beladungszustandes ausgewählter Katalysatorzellen berechnet wird;
(c) in Abhängigkeit von der NOx-Speicherfähigkeit, der Änderung des NOx- Beladungszustandes und einer räumlichen Lage der ausgewählten Katalysatorzellen sowie der kumulierten NOx-Rohemission eine kumulierte NOχ-Emission stromab des Speicherkatalysators (12) berechnet wird;
(d) ein Schwellenwert (S2) für die kumulierte NOx-Emission vorgegeben wird und
(e) beim Überschreiten des Schwellenwertes (S2) der Regenerationsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (16) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten der Zellentemperatur in wenigstens einer Katalysatorzelle über eine Mindestentschwefelungstemperatur ein Entschwefelung eingeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschwefelung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Schwellenwert (S3) für den SOx- Beladungszustand initiiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dauer einer Aufheizphase zum Erreichen der Mindestentschwefelungstemperatur in weiter stromab gelegenen Katalysatorzellen in Abhängigkeit von der Zellentemperatur weiter stromauf gelegener Katalysatorzellen bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix zur Aufteilung des Speicherkatalysators (12) in die Katalysatorzellen anhand eines Speicherkatalysatormodells für eine räumliche Erstreckung, einen Temperaturverlauf, einen Verlauf einer Regenerationsgeschwindigkeit, einen Verlauf der NOx-Speicherfähigkeit, einen Verlauf des NOx-, SOx- oder 02-Beladungszustandes oder einer Kombination derselben festgelegt wird.
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