WO2001051778A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer nox-regeneration eines nox-speicherkatalysators - Google Patents

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Ekkehard Pott
Sören HINZE
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F02D2200/0811—NOx storage efficiency

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for controlling a NO x regeneration of a NO x storage catalytic converter arranged in the exhaust line of an internal combustion engine for motor vehicles with the features mentioned in the independent claims
  • pollutants such as carbon monoxide CO, unburned hydrocarbons HC or nitrogen oxides NO x are produced to different extents.
  • oxidation catalysts converts to carbon dioxide and water.
  • NO x is reduced by the reducing agents CO and HC on the NO x storage catalyst.
  • the catalyst is assigned a so-called NO x storage device which absorbs the NO x under these conditions (summarized with the catalyst component to form the NO x storage catalyst).
  • a storage capacity of the NO x storage catalytic converter is naturally limited, so that a NO x regeneration must be initiated at regular intervals by changing to a rich atmosphere.
  • a rich target value is usually specified for this purpose, until a downstream of the NO x Lambda probe arranged below a predetermined rich threshold value Then normal operation of the internal combustion engine is resumed
  • the object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method with which the NO x regeneration can be controlled in such a way that a complete emptying of the NO x store is ensured.
  • the device has means with which the aforementioned method steps can be carried out.
  • These means can include a control device in which a procedure for controlling the multiple NO x regeneration is stored in digitized form.
  • the control device can be integrated into an already frequently existing engine control device become
  • the multiple NO x regeneration is preferably implemented in that a NO x storage catalytic converter is initially charged n times with an exhaust gas in accordance with a rich target specification (rich phases).
  • the lean target specification can also be specified as a function of the value of the rich target specification.
  • Such a lean target specification is preferably to be selected to be at least 0.04 units larger than the rich target specification.
  • the number (n) of fat phases can in principle be predefined. However, it has proven to be advantageous to determine this as a function of the extent of the deviation in the state parameters. If, for example, the absorbency of the current lean phase has dropped significantly compared to a previous lean phase, the number is consequently increased. In order to prevent an increase against infinity, this number can preferably be limited by specifying a maximum value.
  • the success of previous multiple NO x regenerations can also be taken into account. This can be done, for example, by comparing the state parameters before and after the previous multiple NO x regeneration. If the multiple NO x regeneration has not led to an improvement in the storage properties of the NO x storage catalytic converter to the desired extent, the number of rich phases for the next multiple NO x regeneration can be increased.
  • Such a determination can be implemented in a particularly preferred and simple manner by specifying threshold values for the success of the previous multiple NO x regeneration. If these threshold values are undershot, the number (n) is then increased. A reduction in the number (n) of the fat phases can of course take place in the same way per se, in that the number is reduced again in the case of previous "successful multiple NO x regeneration", of course only up to a minimum number of two fat phases.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with an exhaust gas purification system that includes a NO x storage catalyst;
  • FIG. 2 shows a curve of an absorption capacity as a function of a NO x .
  • FIG. 3 shows a course of a NO x breakthrough emission as a function of time
  • FIG. 4 shows the course of the air conditions downstream and upstream of the NO x .
  • Figure 5 is a flowchart for controlling the multiple NO x regeneration
  • FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine 10 with an exhaust gas cleaning system 14 arranged in the exhaust line 12.
  • the exhaust gas cleaning system 14 comprises a pre-catalytic converter 16, for example in the form of a three-way catalytic converter and a NO x storage catalytic converter 18 arranged downstream thereof.
  • the exhaust line 12 is equipped with a sensor This allows the local air conditions, gas compositions and temperatures to be recorded.
  • a sensor 24 is, for example, a lambda probe, which then provides information about an air ratio directly after the internal combustion engine 10 there is the gas sensor 26 carries a NO x sensor measuring device, so that NO x emissions downstream of the NO x storage catalytic converter 18 (NO x breakthrough emissions) can be detected.
  • NO x sensor usually also enables a g simultaneous determination of the air conditions, thus provides a lambda value downstream of the NO x storage catalytic converter 18
  • the signals detected by the Sensonk are usually passed on to an engine control unit 28.
  • the engine control unit 28 can, among other things, store procedures in digital form that allow control of a combustion process in the internal combustion engine 10 Intake volume in an intake manifold 32 with a throttle valve 34 and an injection system (not shown here) are influenced in such a way that rich, stoichiometric or lean mixtures are set up. Such a control is known and is therefore not to be explained in more detail here
  • the catalyst has a NO x storage device which binds NO x as nitrate. Diffusion causes the nitrate to migrate into deeper layers of the NO storage with increasing duration of the lean phase. For complete NO x regeneration, the nitrate bound in the deeper layers must be therefore first diffuse in the direction of an interface between the exhaust gas and the NO x storage catalyst 18. Since this process is much slower than the reaction with the reducing agents CO and HC, there is a diffusion inhibition at the end of the NO x regeneration To ensure constant emptying of the NO x storage device, proceed as follows
  • At least one state parameter of the NO x storage catalyst 18 is determined on the basis of the measured or calculated NO x raw emissions m ro h and the NO x breakthrough emissions m detected by the NO x sensitive measuring device Deviation of the state parameters of a current lean operating phase and the state parameters in a previous lean operating phase are determined and, if there is a need for regeneration of the NO x storage catalyst 18, the NO x regeneration is carried out n times as a function of the deviation (multiple NO x regeneration)
  • a NO x absorption factor A of the NO x storage catalytic converter 18 with a predetermined NO x raw emission m r0 h / ⁇ is suitable as the state parameter, for example.
  • the determination of a deviation ⁇ A j can be seen in FIG. 2.
  • the NO x absorption capacity A also decreases increasing raw emission m ron
  • the NO x absorption factor A can ideally reach a value of 1, that is to say the entire raw emission is bound in the NO x storage catalytic converter 18 and no breakthrough emission m
  • the absorption capacity A drops, since the nitrate bound to the interface must first diffuse into deeper layers of the NO x storage.
  • Curve 40 shows a curve of absorption capacity A with a fresh and unloaded NO x storage catalytic converter 18
  • Curve 42 shows the course of the absorption capacity A in a NO x storage catalytic converter 18, the storage capacity of which is already reduced compared to the fresh state, for example by thermal damage or sulfur loading.
  • the curve 44 has been recorded in time following the curve 42, and here is the absorption capacity further reduced In intersections 46, 48, 50 with the given raw emission m ron , the values AQ, A 'and A "for the absorption capacity are available.
  • FIG. 3 shows the time course of the breakthrough emission m of a fresh storage catalytic converter (curve 52), a course in a current lean phase (curve 56) and a course in a previous lean phase (curve 54)
  • the time interval t begins with a complete regeneration (NO x - or SO x regeneration) and ends when a predetermined breakthrough emission m ⁇ is reached.
  • the intersections 58, 60, 62 with the curves 52, 54, 56 therefore make it possible to determine the time intervals Determine tg, t 'and t "By forming the difference, one obtains a deviation ⁇ t- j between the time intervals t' and t"
  • the deviations ⁇ A- j , ⁇ t- j can be read into a map whose output size is a number n of the fat phases of the multiple NO x regeneration is at very small deviations ⁇ A-], ⁇ t-
  • n is set to the value 1, so that the NO x regeneration is carried out in a manner known per se
  • the solid bold line represents the lambda value in front of the NO x storage catalytic converter 18, and the dashed line shows the course of the lambda value downstream of it
  • the internal combustion engine 10 is operated under lean conditions, the state parameters being continuously ascertained in the aforementioned manner.
  • a change to a first rich phase by regulating the internal combustion engine 10 to a rich target specification SVf.
  • the absorbed NO x is converted in the area the interface and the interface of nearby layers of the NO x storage instead of From a point in time T2 ⁇ continues to decrease.
  • the reducing agents CO and HC formed to an increased extent by the change in a rich atmosphere are therefore no longer used in full to reduce NO x
  • a lean exhaust gas is again provided on the engine side, namely in accordance with a lean target value SV m - j.
  • the NO x -Rohem ⁇ ss ⁇ on m ro f- emitted by the internal combustion engine 10 is relatively low or can be largely compensated for by the reducing agents CO, HC still present, so that a new absorption in the NO x storage takes place only to a very small extent
  • a number n of the fat phases during the multiple NO x regeneration can preferably be determined in such a way that a value is output with the aid of the characteristic diagram as a function of a height of the deviations (for example ⁇ A-], ⁇ t ⁇ ).
  • a value is output with the aid of the characteristic diagram as a function of a height of the deviations (for example ⁇ A-], ⁇ t ⁇ ).
  • the number n depending on the state parameters A, m, t, m raw before ur
  • a corresponding multiple NO x regeneration is to be determined from FIG. 5.
  • a corresponding flowchart can be seen in FIG. 5.
  • step S1 the extent to which the state parameters of a current lean phase differ from a previous lean phase is recorded If there is only a slight deviation, the number n is set to 1 (step S2) and a NO x regeneration of a conventional type is carried out. With larger deviations, the number n is set to a value greater than 1 (step S3)
  • step S4 it is checked whether a previous multiple NO x regeneration has been successfully carried out.
  • the state parameters before and after the multiple NO x regeneration are compared, with an increasing success, in principle, with increasing positive deviation , ie a larger NO x storage capacity is available for the next lean phase.
  • Such a query can be carried out in such a way that threshold values S ⁇ N j ⁇ , SW

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Abstract

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

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer NOx- Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-Speιcherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen
Wahrend eines Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine entstehen in unterschiedlichem Ausmaße Schadstoffe wie Kohlenmonoxid CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC oder Stickoxide NOx Zur Reinigung des Abgases ist es bekannt, das Abgas durch im Abgasstrang angeordnete Katalysatoren zu leiten Dazu wird üblicherweise CO und HC mit Sauerstoff an so genannten Oxidationskatalysatoren zu Kohlendioxid und Wasser konvertiert NOx dagegen wird durch die Reduktionsmittel CO und HC am NOx-Speιcherkatalysator reduziert Im Magerbetrieb, insbesondere im verbrauchsoptimierten Bereich von Ottomotoren, bei einem Luftverhaltnis von λ zirka 1 , 1 reichen die Reduktionsmittelmassenstrome nicht mehr aus, um eine vollständige Umsetzung des NO zu gewahren Daher ist dem Katalysator ein so genannter NOx-Speιcher zugeordnet der das NOx unter diesen Bedingungen absorbiert (zusammengefasst mit der Katalysatorkomponente zum NOx-Speιcherkatalysator)
Eine Speicherkapazität des NOx-Speιcherkatalysators ist naturgemäß begrenzt, so dass in regelmäßigen Abstanden eine NOx-Regeneratιon durch einen Wechsel in fette Atmosphäre eingeleitet werden muss Üblicherweise wird dazu ein fetter Sollwert vorgegeben, und zwar so lange, bis eine stromab des NOx-Speιcherkatalysators angeordnete Lambdasonde einen vorgegebenen fetten Schwellwert unterschreitet Anschließend wird ein Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wieder aufgenommen
Nach dem Wechsel in fette Atmosphäre erfolgt, wie geschildert, die Desorption des eingelagerten NOx und gleichzeitige Reduktion desselben mit den nun in ausreichendem Maße vorhandenen Reduktionsmitteln an der Katalysatorkomponente des NOx- Speicherkatalysators Zu Beginn der NOx-Regeneratιon verlauft dieser Prozess kinetisch kontrolliert, da an einer Grenzflache zwischen dem Abgas und dem NOx-Speιcherkatalysator NOx in ausreichendem Maße vorhanden ist. Mit zunehmender Dauer der Fettphase kommen allerdings in immer größerem Maße Diffusionsvorgänge zum Tragen, die deutlich langsamer ablaufen. Eine solche Diffusionshemmung steigt mit zunehmendem NOx-Beladungsgrad und mit zunehmender Schichtdicke des NOx-Speichers. So muss am Ende der Fettphase das in Form von Nitrat gespeicherte NOx zunächst aus tieferen Schichten des NOx-Speichers in Richtung der Grenzfläche diffundieren. Die Diffusionshemmung wird bei den herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der NOx-Regeneration nicht berücksichtigt, weil hier angenommen wird, dass nach dem Erreichen des fetten Schwellenwertes bereits vollständige NOx- Regeneration gegeben sei. Insbesondere bei hohen Beladungsraten ist tatsächlich jedoch die NOx-Regeneration nur unvollständig, so dass sich eine anschließende Magerphase verkürzt und damit einhergehend zumeist auch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die NOx-Regeneration so gesteuert werden kann, dass eine vollständige Entleerung des NOx-Speichers sichergestellt ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen können die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Gemäß dem Verfahren wird
(a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine und einer stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung erfassten NOx-Durchbruchsemission im
Abgas ermittelt,
(b) eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase von den Zustandsparametem einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelt und
(c) beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit in Abhängigkeit von der Abweichung die NOx-Regeneration n-mal durchgeführt (Mehrfach-NOx-Regeneration).
Somit wird unter Beachtung ausgewählter Zustandsparameter des NOx- Speicherkatalysators in bestimmten Betriebssituationen eine Mehrfach-NOx-Regeneration eingeleitet, die die vollständige Entleerung des NOx-Katalysators bewirken. Die Vorrichtung weist dazu Mittel auf, mit denen die genannten Verfahrensschritte durchgeführt werden können Diese Mittel können ein Steuergerat umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der Mehrfach-NOx-Regeneratιon in digitalisierter Form hinterlegt ist Das Steuergerat kann in ein bereits häufig vorhandenes Motorsteuergerat integriert werden
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden als Zustandsparameter
eine NOx-Absorptιonsfahιgkeιt des NOx-Speιcherkatalysator bei einer vorgegebenen NOx-Rohemιssιon und/oder
eine NOx-Durchbruchsemιssιon bei einer vorgegebenen NOx-Rohemιssιon und/oder
ein Zeitintervall, beginnend mit einer vollständigen Regeneration (NOx- oder SOx- Regeneration) bis zum Erreichen einer vorgegebenen NOx-Durchbruchsemιssιon und/oder
eine NOx-Rohemιssιon bei einer vorgegebenen NOx-Absorptιonsfahιgkeιt
ermittelt
Die genannten Großen erlauben eine besonders sichere Bestimmung einer Notwendigkeit, die Mehrfach-NOx-Regeneratιon einzuleiten Auf diese Weise kann eine unnötige Mehrfach- NOχ-Regeneratιon und damit ein unnötiger Mehrverbrauch an Kraftstoff vermieden werden
In bevorzugter Weise wird die Mehrfach-NOx-Regeneratιon dadurch realisiert, dass zunächst ein NOx-Speιcherkatalysator n-mal mit einem Abgas entsprechend einer fetten Sollvorgabe beaufschlagt wird (Fettphasen) Die Fettphase endet jeweils, wenn stromab des NOχ-Speιcherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 (fetter Schwellenwert) erreicht wird Mit Ende der Fettphasen wird der NOx-Speιcherkatalysator (n- 1 )-mal bis n-mal mit einem Abgas entsprechend einer mageren Sollvorgabe beaufschlagt, und zwar so lange, bis stromab des NOx-Speιcherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 1 ,001 bis 1 ,2 (magerer Schwellenwert) erreicht wird Die magere Sollvorgabe hegt bevorzugt in einem Bereich von λ = 1 ,05 bis 1 ,5, also deutlich unter den Luftverhaltnissen, wie sie in einem Normalbetrieb in einer verbrauchsoptimierten Magerphase herrschen, so dass mit nur sehr geringen zusätzlichen NOx-Emιssιonen zu rechnen ist Diese kurze Magerphase wird bereits abgebrochen, wenn der Lambdawert den mageren Schwellenwert erreicht ist, also auch eine Sauerstoffbeladung des NOx-Speιcherkatalysators weitestgehend abgeschlossen ist. Alternativ dazu kann die Vorgabe der mageren Sollvorgabe auch in Abhängigkeit von dem Wert der fetten Sollvorgabe erfolgen. Bevorzugt ist eine solche magere Sollvorgabe um zumindest 0,04 Einheiten größer zu wählen als die fette Sollvorgabe.
Die Anzahl (n) der Fettphasen kann prinzipiell fest vorgegeben werden. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, diese in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichung der Zustandsparameter zu bestimmen. Ist beispielsweise die Absorptionsfähigkeit der aktuellen Magerphase im Vergleich zu einer vorhergehenden Magerphase stark abgefallen, so wird konsequenterweise die Anzahl erhöht. Vorzugsweise lässt sich diese Anzahl, um ein Anwachsen gegen unendlich zu verhindern, durch Vorgabe eines Maximalwertes begrenzen.
Alternativ oder in Kombination zu vorgenannter Vorgehensweise bei der Bestimmung der Anzahl der Fettphasen kann auch ein Erfolg vorhergehender Mehrfach-NOx-Regenerationen berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Zustandsparameter vor und nach der vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration verglichen werden. Hat die Mehrfach-NOx-Regeneration nicht im gewünschten Ausmaß zu einer Verbesserung der Speichereigenschaften des NOx-Speicherkatalysators geführt, so kann die Anzahl der Fettphasen für die nächste Mehrfach-NOx-Regeneration erhöht werden. In besonders bevorzugter und einfacher Weise kann eine solche Festlegung durch Vorgabe von Schwellenwerten für den Erfolg der vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration realisiert werden. Beim Unterschreiten dieser Schwellenwerte wird dann die Anzahl (n) erhöht. Eine Minderung der Anzahl (n) der Fettphasen kann selbstverständlich in an sich gleicher Art und Weise erfolgen, indem bei vorhergehender "erfolgreicher Mehrfach-NOx- Regeneration" die Anzahl wieder zurückgeführt wird, natürlich nur bis zu einer Mindestanzahl von zwei Fettphasen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage, die einen NOx-Speicherkatalysator beinhaltet; Figur 2 einen Verlauf einer Absorptionsfähigkeit in Abhängigkeit von einer NOx-
Rohemission,
Figur 3 einen Verlauf einer NOx-Durchbruchsemιssιon in Abhängigkeit von der Zeit,
Figur 4 die Verlaufe der Luftverhaltnisse stromab und stromauf des NOx-
Speicherkatalysators wahrend einer Mehrfach-NOx-Regeneratιon und
Figur 5 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung der Mehrfach-NOx-Regeneratιon
Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer im Abgasstrang 12 angeordneten Abgasreinigungsanlage 14 Die Abgasreinigungsanlage 14 umfasst einen Vorkatalysator 16, beispielsweise in Form eines Dreiwegekatalysators und einen stromab dazu angeordneten NOx-Speιcherkatalysator 18 Ferner ist der Abgasstrang 12 mit einer Sensonk ausgestattet, die es erlaubt, die örtlichen Luftverhaltnisse, Gaszusammensetzungen und Temperaturen zu erfassen Dazu sind einerseits bis zu zwei Temperatursensoren 20, 22 als auch zwei Gassensoren 24, 26 im Abgasstrang 12 integriert Der Gassensor 24 ist beispielsweise eine Lambdasonde, die dann Auskunft über ein Luftverhaltnis unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine 10 gibt Der Gassensor 26 tragt eine NOx-sensιtιve Messeinrichtung, so dass NOx-Emιssιonen stromab des NOx- Speicherkatalysators 18 (NOx-Durchbruchsemιssιonen) detektiert werden können Ein solcher NOx-Sensor ermöglicht zumeist auch eine gleichzeitige Bestimmung der Luftverhaltnisse, liefert also einen Lambdawert stromab des NOx-Speιcherkatalysators 18
Die durch die Sensonk erfassten Signale werden üblicherweise an ein Motorsteuergerat 28 weitergegeben In dem Motorsteuergerat 28 können unter anderem Prozeduren in digitaler Form hinterlegt sein, die eine Steuerung eines Verbrennungsvorgangs in der Verbrennungskraftmaschine 10 erlauben Durch Vorgabe geeigneter Stellgroßen können beispielsweise eine Abgasruckfuhrrate einer Abgasruckfuhreinnchtung 30, ein Ansaugvolumen in einem Saugrohr 32 mit einer Drosselklappe 34 und ein hier nicht dargestelltes Einspritzsystem derart beeinflusst werden, dass sich wahlweise fette, stochiometπsche oder magere Gemische einstellen Eine derartige Steuerung ist bekannt und soll daher an dieser Stelle nicht naher erläutert werden
Ferner ist ein Steuergerat 36 vorhanden - hier in das Motorsteuergerat 28 integriert -, in dem ebenfalls die durch die Sensonk erfassten Signale bereitgestellt werden In dem Steuergerat 36 ist eine Prozedur zur Steuerung einer Mehrfach-NOx-Regeneratιon des NOx- Speicherkatalysators 18 in digitalisierter Form hinterlegt
Wahrend eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 unter mageren Bedingungen, insbesondere unter verbrauchsoptimierten Gesichtspunkten, ist zumeist eine NOx- Rohemission mrorι erhöht Die zur Konvertierung des NOx notwendigen Reduktionsmittel Kohlenmonoxid CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC stehen unter solchen Bedingungen nicht in einem ausreichenden Maße zur Verfugung Zur Abhilfe weist der Katalysator einen NOx-Speιcher auf, der NOx als Nitrat bindet Durch Diffusion wandert das Nitrat mit zunehmender Dauer der Magerphase auch in tiefere Schichten des NO - Speichers Zur vollständigen NOx-Regeneratιon muss das in den tieferen Schichten gebundene Nitrat demnach zunächst in Richtung einer Grenzflache zwischen dem Abgas und dem NOx-Speιcherkatalysator 18 diffundieren Da dieser Prozess sehr viel langsamer ist als die Umsetzung mit den Reduktionsmitteln CO und HC, besteht am Ende der NOx- Regeneration eine Diffusionshemmung Um dennoch eine weitestgehend vollständige Entleerung des NOx-Speιchers sicherzustellen, muss wie folgt vorgegangen werden
Zunächst wird in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine 10 zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speιcherkatalysators 18 anhand der gemessenen oder berechneten NOx-Rohemιssιon mroh und der durch die NOx-sensιtιve Messeinrichtung erfassten NOx-Durchbruchsemιssιon m ermittelt Im Weiteren wird eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase und den Zustandsparametem in einer vorhergehenden mageren Betriebsphase bestimmt und beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit des NOx-Speιcherkatalysators 18 in Abhängigkeit von der Abweichung die NOx-Regeneratιon n-mal durchgeführt (Mehrfach- NOx-Regeneratιon)
Als Zustandsparameter eignet sich beispielsweise eine NOx-Absorptιonsfahιgkeιt A des NOx-Speιcherkatalysators 18 bei einer vorgegebenen NOx-Rohemιssιon mr0h /\ Die Ermittlung einer Abweichung ΔA-j ist der Figur 2 zu entnehmen Die NOx- Absorptionsfahigkeit A sinkt mit zunehmender Rohemission mron Zu Beginn, also nach Ende einer vorhergehenden Regeneration, kann die NOx-Absorptιonsfahιgkeιt A idealerweise einen Wert 1 erreichen, das heißt, die gesamte Rohemission wird in dem NOx- Speicherkatalysator 18 gebunden und am Gassensor 26 kann keine Durchbruchsemission m detektiert werden Mit zunehmender Beladung sinkt die Absorptionsfähigkeit A, da zunächst das an der Grenzflache gebundene Nitrat in tiefere Schichten des NOx-Speιchers diffundieren muss Ist insgesamt eine NOx-Speιcherkapazιtat bereits durch Verschwefelung oder unvollständige NOx-Regeneratιon gemindert, so sinkt die NOx-Absorptιonsfahιgkeιt A starker ab Exemplarisch sind hierzu drei Kurven 40, 42, 44 eingetragen Die Kurve 40 zeigt dabei einen Verlauf der Absorptionsfähigkeit A bei einem frischen und unbeladenen NOx- Speicherkatalysator 18 Die Kurve 42 zeigt den Verlauf der Absorptionsfähigkeit A bei einem NOx-Speιcherkatalysator 18, dessen Speicherkapazität bereits gegenüber dem Frischzustand gemindert ist, indem beispielsweise eine thermische Schädigung oder Schwefelbeladung vorliegt Die Kurve 44 ist zeitlich nachfolgend zur Kurve 42 erfasst worden, und hier ist die Absorptionsfähigkeit noch weiter gemindert In den Schnittpunkten 46, 48, 50 mit der gegebenen Rohemission mron stehen damit die Werte AQ, A' und A" für die Absorptionsfähigkeit zur Verfugung Durch Differenzbildung der aktuellen Große A" und der Große A' aus der vorhergehenden Magerphase ergibt sich eine Abweichung ΔA^
In eben gleicher Weise kann als Zustandsparameter ein Zeitintervall t dienen Die Figur 3 zeigt dazu die zeitlichen Verlaufe der Durchbruchsemission m eines frischen Speicherkatalysators (Kurve 52), einen Verlauf in einer aktuellen Magerphase (Kurve 56) und einen Verlauf in einer dazu vorhergehenden Magerphase (Kurve 54) Das Zeitintervall t beginnt mit einer vollständigen Regeneration (NOx- oder SOx-Regeneratιon) und endet mit Erreichen einer vorgegebenen Durchbruchsemission m^ Aus den Schnittpunkten 58, 60, 62 mit den Kurven 52, 54, 56 lassen sich demnach die Zeitintervalle tg, t' und t" bestimmen Durch Differenzbildung erhalt man eine Abweichung Δt-j zwischen den Zeitintervallen t' und t"
Neben den vorgenannten Zustandsparametem sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen dass selbstverständlich auch andere die Speicherfähigkeit des NOx- Speicherkatalysators 18 charakterisierende Parameter genutzt werden können So ist beispielsweise denkbar, dazu eine Durchbruchsemission m bei einer vorgegebenen Rohemission mron m oder eine Rohemission mron bei einer vorgegebenen Absorptionsfähigkeit Am roή zu bestimmen Zur Erhöhung der Genauigkeit können die nachfolgend ermittelten Abweichungen der eintretenden Zustandsparameter noch miteinander kombiniert werden Zum besseren Vergleich können die erfassten Zustandsparameter mit den Zustandsparametem eines frischen Speicherkatalysators normiert werden
In Abhängigkeit von den zuvor bestimmten Abweichungen ΔA<| oder Δt-| kann nun bestimmt werden, ob die Bedingungen zur Initiierung der Mehrfach-NOx-Regeneratιon erfüllt sind Dazu können die Abweichungen ΔA-j , Δt-j in ein Kennfeld eingelesen werden, dessen Ausgangsgroße eine Anzahl n der Fettphasen der Mehrfach-NOx-Regeneratιon ist Bei sehr geringen Abweichungen ΔA-] , Λt-| wird n auf den Wert 1 gesetzt, so dass die NOx- Regeneration in an sich bekannter We-se durchgeführt wird
Die Figur 4 zeigt einen Verlauf der Lambdawerte stromauf und stromab des NOx- Speicherkatalysators 18 wahrend einer Mehrfach-NOx-Regeneratιon mit zwei Fettphasen (n = 2) Die durchgezogene fette Linie steht für den Lambdawert vor dem NOx- Speicherkatalysator 18, und die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf des Lambdawertes stromab desselben
Zunächst wird die Verbrennungskraftmaschine 10 unter mageren Bedingungen betrieben, wobei laufend die Zustandsparameter in vorgenannter Weise ermittelt werden Nachdem eine Regenerationsnotwendigkeit ermittelt wurde, erfolgt ab einem Zeitpunkt T-| ein Wechsel in eine erste Fettphase, indem die Verbrennungskraftmaschine 10 auf eine fette Sollvorgabe SVf eingeregelt wird Mit durch ein Totvolumen verursachter Zeitverzogerung fallt der Lambdawert stromab des NOx-Speιcherkatalysators 18 auf λ = 1 In dieser Zeit findet eine Umsetzung des absorbierten NOx im Bereich der Grenzflache und der Grenzflache nahegelegener Schichten des NOx-Speιchers statt Ab einem Zeitpunkt T2 fallt λ weiter ab Die durch den Wechsel in fetter Atmosphäre im erhöhten Ausmaß gebildeten Reduktionsmittel CO und HC werden also nicht mehr im vollen Umfang zur Reduzierung von NOx genutzt
Nach dem Unterschreiten eines fetten Schwellenwertes SWf (Zeitpunkt T3) wird motorseitig wieder ein mageres Abgas bereitgestellt, und zwar entsprechend einer mageren Sollvorgabe SVm -j Der fette Schwellenwert egt insbesondere im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 und die magere Sollvorgabe SVm <] in einem Bereich von λ = 1 ,05 bis 1 ,5 Unter letzteren Bedingungen ist die von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierte NOx-Rohemιssιon mrof-, relativ gering beziehungsweise kann weitestgehend durch die noch vorhandenen Reduktionsmittel CO, HC kompensiert werden, so dass eine erneute Absorption in dem NOx-Speιcher nur in sehr geringem Umfang stattfindet
Entsprechend dem Wechsel der atmosphärischen Bedingungen ändert sich auch der Lambdawert stromab des NOx-Speιcherkatalysators 18 Er steigt dabei zunächst auf einen Wert von λ = 1 und verharrt auf diesem, bis eine Sauerstoffbeladung des NOx-Speιchers abgeschlossen ist (Zeitpunkt T4) Wenn der Lambdawert in einem Zeitpunkt T5 einen vorgegebenen mageren Schwellenwert SWm 1 überschreitet, wird das Luft-Kraftstoff- Gemisch motorseitig wieder entsprechend der fetten Sollvorgabe SVf eingestellt Der magere Schwellenwert SWm -j liegt in einem Bereich von λ = 1 ,001 bis 1 ,2 Wenn zu einem Zeitpunkt Tß der Lambdawert stromab des NOx-Speιcherkatalysators 18 erneut unter den Schwellenwert SWf fallt, wird wieder ein Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 freigeschaltet Unter bestimmten Umstanden kann es sinnvoll sein, statt eines direkten Überganges in den Normalbetrieb zunächst noch einmal den Speicherkatalysator 18 entsprechend der mageren Sollvorgabe SVm -| zu beaufschlagen und erst ab einem Zeitpunkt, in dem der magere Schwellenwert SWm -j überschritten wird, den Normalbetrieb wieder aufzunehmen Die Anzahl der mageren und fetten Sollvorgaben SVm <| , SVf ist dann gleich
Neben dem vorab geschilderten bevorzugten Bereich für den Wert der mageren Sollvorgabe SVm -| ist es auch denkbar, den Wert in Abhängigkeit von der Lage der fetten Sollvorgabe SVf zu bestimmen Eine magere Sollvorgabe SVm 2 übersteigt dabei die fette Sollvorgabe SVf um zumindest 0,04, so dass gegebenenfalls auch SVm 2 noch im fetten Bereich egen kann Selbstverständlich muss für letzteren Fall auch ein neuer Schwellenwert SWm 2 festgelegt werden, der zwischen den beiden Sollvorgaben SVm 2, SVf egt
Eine Anzahl n der Fettphasen wahrend der Mehrfach-NOx-Regeneratιon lasst sich vorzugsweise derart ermitteln, dass in Abhängigkeit von einer Hohe der Abweichungen (zum Beispiel ΔA-] , Δtη ) ein Wert mit Hilfe des Kennfeldes ausgegeben wird Alternativ oder in Kombination dazu kann die Anzahl n in Abhängigkeit von den Zustandsparametem A, m, t, mroh vor ur|d nacn eιner vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneratιon bestimmt werden Der Figur 5 ist ein entsprechendes Ablaufdiagramm zu entnehmen Zunächst wird in einem Schritt S1 in der bereits geschilderten Art und Weise erfasst, in welchem Umfang sich die Zustandsparameter einer aktuellen Magerphase von einer vorhergehenden Magerphase unterscheiden Ist lediglich eine geringfügige Abweichung vorhanden, so wird die Anzahl n auf 1 gesetzt (Schritt S2) und es wird eine NOx-Regeneratιon herkömmlicher Art durchgeführt Bei größeren Abweichungen wird die Anzahl n auf einen Wert großer als 1 gesetzt (Schritt S3)
In einer sich anschließenden Abfrage wird überprüft, ob eine vorhergehende Mehrfach-NOx- Regeneration erfolgreich durchgeführt wurde (Schritt S4) Dazu werden die Zustandsparameter vor der Mehrfach-NOx-Regeneratιon und nach derselben verglichen, wobei prinzipiell mit steigender positiver Abweichung ein erhöhter Erfolg, das heißt eine für die nächste Magerphase größere NOx-Speιcherkapazιtat bereitsteht Eine solche Abfrage lasst sich derart ausfuhren, dass Schwellenwerte S\N j\ , SW|\/| m, SWM ,t unc' ^^M,m,roh vorgegeben werden bei deren Unterschreiten die Anzahl n auf n = n + 1 erhöht wird Liegt die Abweichung oberhalb letztgenannter Schwellenwerte, so wird in einer Abfrage S6 überprüft, ob die Anzahl n um 1 gemindert werden kann, ohne dass der Wert kleiner als 2 wird. Ist dies zu bejahen, wird die Anzahl n auf n = n - 1 festgelegt (Schritt S8). Ansonsten wird die Anzahl n auf n = 2 gesetzt (Schritt S7). Gegebenenfalls wird der ermittelte Wert noch auf einen Maximalwert nmax begrenzt (Schritt S9).

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftfahrzeuge angeordneten NOx-
Speicherkatalysators, bei dem
(a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysators anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission (mroh) der Verbrennungskraftmaschine und einer stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung erfassten NOx-
Druchbruchsemission (m) im Abgas ermittelt wird,
(b) eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren
Betriebsphase von den Zustandsparametem einer vorhergehenden mageren Betriebsphase ermittelt wird und
(c) beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit in Abhängigkeit von der Abweichung die NOx-Regeneration n-mal durchgeführt wird (Mehrfach-NOx-
Regeneration).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsparameter
- eine NOx-Absorptionsfähigkeit (A) des NOx-Speicherkatalysators bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission (mro[-* / ) und/oder
- eine NOx-Durchbruchsemission (m) bei einer vorgegebenen NOx-Rohemission (mroh,m) und/oder
ein Zeitintervall (t) beginnend mit einer vollständigen Regeneration (NOx- oder SOχ-Regeneration) bis zum Erreichen einer vorgegebenen NOx- Durchbruchsemission (m^) und/oder
- eine NOx-Rohemission (mron) bei einer vorgegebenen NOx-Absorptionsfähigkeit
(Am, roh) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Zustandsparameter (A, m, t, mroh) auf Zustandsparameter eines frischen NOx- Speicherkatalysators (AQ, mg, tg, mroh.O) normiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Mehrfach-NOx-Regeneration der NOx-Speicherkatalysator
- n-mal mit einem Abgas entsprechend einer fetten Sollvorgabe (SVf) beaufschlagt wird (Fettphasen), bis jeweils stromab des NOx- Speicherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 0,999 bis 0,95 (fetter Schwellenwert SWf) erreicht wird und
- jeweils beginnend mit Ende der Fettphasen der NOx-Speicherkatalysator (n-1 )- mal bis n-mal mit einem Abgas entsprechend einer mageren Sollvorgabe (SVm,l . SVm 2) beaufschlagt wird, bis stromab des NOx-Speicherkatalysators ein Lambdawert im Bereich von λ = 1 ,001 bis 1 ,2 (magerer Schwellenwert SWm -| , SWm 2) erreicht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magere Sollvorgabe (SVm ι ) im Bereich von λ = 1 ,05 bis 1 ,5 liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magere Sollvorgabe (SVm 2) einen Lambdawert aufweist, der zumindest um 0,04 über der fetten
Sollvorgabe (SVf) liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Fettphasen in Abhängigkeit von einer Höhe der Abweichung der Zustandsparameter (A, m, t, mron) bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) durch einen vorgegebenen Maximalwert (nmax)begrenzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Fettphasen in Abhängigkeit von den Zustandsparametem (A, m, t, mroh) vor und nach einer vorhergehenden Mehrfach-NOx-Regeneration bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) erhöht wird, wenn eine Abweichung der Zustandsparameter (A, m, t, mron) vor der Mehrfach-
NOx-Regeneration und nach derselben einen vorgegebenen Schwellenwert (SW^ A, SWM m, SWM t, SWM m roh) unterschreitet.
11. Vorrichtung zur Steuerung einer NOx-Regeneration eines im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine für Kraftzeuge angeordneten NOx-Speicherkatalysators, bei der Mittel vorhanden sind, mit denen
(a) in jeder mageren Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine ein Zustandsparameter des NOx-Speicherkatalysator anhand einer gemessenen oder berechneten NOx-Rohemission (mron) der Verbrennungskraftmaschine und einer stromab durch eine NOx-sensitive Messeinrichtung erfassten NOx- Druchbruchsemission (m) im Abgas ermittelbar ist,
(b) eine Abweichung der Zustandsparameter einer aktuellen mageren Betriebsphase von den Zustandsparametem einer vorhergehenden mageren
Betriebsphase ermittelbar ist und
(c) beim Vorliegen einer Regenerationsnotwendigkeit in Abhängigkeit von der Abweichung die NOx-Regeneration n-mal durchführbar ist (Mehrfach-NOx- Regeneration).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel ein Steuergerät (36) umfassen, in dem eine Prozedur zur Steuerung der Mehrfach-NOx- Regeneration in digitalisierter Form hinterlegt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (36) Teil eines Motorsteuergerätes (28) ist.
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