Beschreibungdescription
Verfahren zum Adaptieren einer NOx-RohkonzentrationMethod for adapting a raw NOx concentration
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Adaptieren einer NOx-Rohkonzentration einer mit Mager- und Fettphasen arbeitenden Brennkraftmaschine, die mit einem NOx-Speicher- Reduktionskatalysator versehen ist, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet während der Magerphase NOx aus dem Abgas adsorbiert und während der Fettphase das adsorbierte NOx umsetzen kann.The invention relates to a method for adapting a raw NOx concentration of an internal combustion engine working with lean and rich phases, which is provided with a NOx storage reduction catalytic converter which is arranged in an exhaust gas duct of the internal combustion engine and adsorbs NOx from the exhaust gas during the lean phase and during the rich phase can convert the adsorbed NOx.
Um bei Kraftfahrzeugen mit ottomotorischem Antrieb den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, werden immer häufiger Brenn- kraftmaschinen eingesetzt, die in ausgewählten Betriebsbereichen mit einem mageren Gemisch betrieben werden.In order to reduce the fuel consumption in motor vehicles with an petrol engine, internal combustion engines are increasingly being used which are operated with a lean mixture in selected operating areas.
Zur Erfüllung von Abgasgrenzwerten wird bei solchen Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgasnachbehandlung eingesetzt. Dazu werden NOx-Speicher-Reduktionskatalysatoren, im folgenden kurz auch als NOx-Speicherkatalysatoren bezeichnet, verwendet. Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschichtung in der Lage, während einer Speicherphase NOx- Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren. Die Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators wird auch als dessen Beladungsphase bezeichnet. Während einer sich an die Beladungsphase anschließenden Regenerationsphase werden die adsorbierten bzw. gespeicherten NOx-Verbindungen katalytisch in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Als Reduktionsmittel für die Umwandlung wird bei mager betriebenen Otto- Brennkraftmaschinen CO, H2 und HC (Kohlenwasserstoffe) eingesetzt. Die Reduktionsmittel werden durch den kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator in Form von Abgaskomponenten zur Verfügung gestellt, wodurch die gespeicherten NOx- Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.
A special exhaust gas aftertreatment is used in such internal combustion engines to meet exhaust gas limit values. For this purpose, NOx storage reduction catalysts, hereinafter also referred to as NOx storage catalysts, are used. Due to their coating, these NOx storage catalytic converters are able to adsorb NOx compounds from the exhaust gas during a storage phase. The storage phase of the NOx storage catalytic converter is also referred to as its loading phase. During a regeneration phase following the loading phase, the adsorbed or stored NOx compounds are catalytically converted into harmless compounds. CO, H 2 and HC (hydrocarbons) are used as reducing agents for the conversion in lean petrol engines. The reducing agents are generated by briefly operating the internal combustion engine with a rich mixture and made available to the NOx storage catalytic converter in the form of exhaust gas components, as a result of which the stored NOx compounds in the catalytic converter are broken down.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die NOx-Rohkonzentration einer Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln möglichst genau adaptiert werden kann.The object of the invention is to provide a method with which the raw NOx concentration of an internal combustion engine can be adapted as precisely as possible using simple means.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of patent claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Das oben genannte Verfahren führt während eines Adaptionsvorgangs für die NOx-Rohkonzentration die folgenden vier Verfahrensschritte aus. In einem ersten Schritt wird die Dauer einer ersten Magerphase derart verkürzt, daß keine NOx-Emission hinter dem Katalysator während der ersten Magerphase auftritt. Der NOx-Ausstoß im Verlaufe einer Magerphase ist qualitativ bekannt: In einem ersten Abschnitt der Magerphase erfolgt keine oder im wesentlichen keine NOx-Emission hinter dem Katalysator, die ab einem Zeitpunkt stark ansteigt. Die Dauer der ersten Magerphase wird in dem ersten Verfahrensschritt so gewählt, daß die Magerphase beendet ist, bevor es zu einem Anstieg der NOx-Konzentration nach dem Katalysator kommt. In dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die während der Magerphase in den NOx- Speicherkatalysator eingelagerte Speichermenge berechnet. Die Speichermenge entspricht dem korrigierten NOx-Angebot, da hier kein Durchbruchanteil in der ersten Magerphase auftritt. Denn die erste Magerphase ist beendet, bevor es zu einem Durchbruch kommt. In einem weiteren Schritt, der auch gleich- zeitig zu dem zweiten Schritt erfolgen kann, wird die berechnete Speichermenge mit einer für die erste Magerphase mit Hilfe eines Kennfeldes abhängig von den Betriebszuständen modellierten NOx-Beladung des NOx-Speicherkatalysators verglichen. Für die erste Magerphase sollte die unter Vernachlässi- gung des Durchbruchs modellierte NOx-Beladung mit der Speichermenge übereinstimmen, da keine NOx-Emission nach dem Katalysator während der ersten Magerphase stattgefunden hat.
Die Abweichung dieser beiden Größen voneinander wird in einem vierten Schritt für die Adaption verwendet. Nach Adaption der NOx-Rohkonzentration kann die Brennkraftmaschine wieder nach bekannten Verfahren betrieben werden. Vorteilhaft an dem vor- liegenden Verfahren ist, daß durch die Verkürzung der ersten Magerphase mit einfachen Mitteln eine genaue Bestimmung der NOx-Beladung möglich ist.The above process performs the following four process steps during an adaptation process for the raw NOx concentration. In a first step, the duration of a first lean phase is shortened in such a way that no NOx emission occurs behind the catalytic converter during the first lean phase. The NOx emissions in the course of a lean phase are known qualitatively: in a first section of the lean phase there is no or essentially no NOx emission behind the catalytic converter, which increases sharply from one point in time. The duration of the first lean phase is selected in the first process step so that the lean phase has ended before there is an increase in the NOx concentration after the catalyst. In the second step of the method according to the invention, the amount of storage stored in the NOx storage catalytic converter is calculated during the lean phase. The amount of storage corresponds to the corrected NOx supply, since there is no breakthrough percentage in the first lean phase. Because the first lean phase has ended before there is a breakthrough. In a further step, which can also take place at the same time as the second step, the calculated storage quantity is compared with a NOx loading of the NOx storage catalytic converter modeled for the first lean phase using a map, depending on the operating states. For the first lean phase, the NOx loading modeled neglecting the breakthrough should match the amount of storage, since there was no NOx emission after the catalytic converter during the first lean phase. The deviation of these two variables from one another is used in a fourth step for the adaptation. After adaptation of the raw NOx concentration, the internal combustion engine can be operated again using known methods. The advantage of the present method is that the shortening of the first lean phase enables simple determination of the NOx loading with simple means.
Um festzustellen, daß in dem ersten Schritt eine hinreichend kurze Magerphase der Betrachtung zugrunde liegt, wird in dem zweiten Schritt zusätzlich die Speichermenge in einer zweiten Magerphase bestimmt, deren Dauer gegenüber der der ersten Magerphase weiter verkürzt ist. Hierzu werden im wesentlichen die Verfahrensschritte aus dem Adaptionszyklus mit der ersten Magerphase wiederholt. In dieser Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt sich der gesamte Verfahrensablauf als die Wiederholung von zwei Adaptionszyklen mit unterschiedlich langen Magerphasen dar, wobei in dem zweiten Zyklus der erste und der zweite Verfahrensschritt für die zweite Magerphase durchlaufen werden. Für die erste und die zweite Magerphase werden die mittleren Speichermengen pro Zeit, d.h. berechnete Speichermenge dividiert durch die Dauer der Magerphase, miteinander verglichen, um im Fall einer ungefähren Übereinstimmung eine fehlende NOx-Emission in der ersten Ma- gerphase festzustellen. Im Falle der fehlenden Übereinstimmung erfolgt die Beladung nicht proportional mit der Zeit, d.h. während der Magerphase ist beispielsweise die NOx- Konzentration nach dem Katalysator bereits angestiegen und die Durchbruchmenge somit nicht vernachlässigbar. Bei fehlen- der Übereinstimmung werden die erste und die zweite Magerphase weiter verkürzt, wobei bevorzugt der zweite Adaptionszyklus dabei als Basis-Zyklus an die Stelle des ersten tritt.To determine that in the first step a sufficiently short lean phase is the basis for the consideration, in the second step the amount of memory is additionally determined in a second lean phase, the duration of which is further shortened compared to that of the first lean phase. For this purpose, the process steps from the adaptation cycle are essentially repeated with the first lean phase. In this continuation of the method according to the invention, the entire process sequence is represented as the repetition of two adaptation cycles with lean phases of different lengths, the first and second method steps for the second lean phase being carried out in the second cycle. For the first and the second lean phase, the average storage amounts per time, i.e. calculated amount of storage divided by the duration of the lean phase, compared with one another in order to determine a missing NOx emission in the first lean phase in the event of an approximate match. In the event of a mismatch, the loading is not proportional over time, i.e. during the lean phase, for example, the NOx concentration after the catalytic converter has already risen and the breakthrough amount is therefore not negligible. If there is no match, the first and the second lean phase are further shortened, the second adaptation cycle preferably taking the place of the first as the basic cycle.
In einer zweckmäßigen Weiterführung des Verfahrens wird bei einer Verkürzung der Magerphasen bis unterhalb einer vorbestimmten Mindestdauer ein Signal ausgelöst, das eine fehlende Tauglichkeit des NOx-Katalysators für den Magerbetrieb an-
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Speicher freigesetzt werden. Berücksichtigt werden kann das NOx/02-Verhältnis mit Hilfe von Kennlinien.Memory to be freed. The NOx / 0 2 ratio can be taken into account with the aid of characteristic curves.
Alternativ zu der Verwendung eines 02-Sensors ist es eben- falls möglich, einen NOx-Sensor stromabwärts von dem NOx- Speicherkatalysator zu verwenden.As an alternative to using a 0 2 sensor, it is also possible to use a NOx sensor downstream of the NOx storage catalytic converter.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Adaptieren der NOx- Rohkonzentration in dem vierten Schritt über einen Korrektur- faktor für einen Reduktionsfaktor der NOx-Rohkonzentration oder für einen Korrekturfaktor direkt für die NOx- Rohkonzentration .The adaptation of the raw NOx concentration is expediently carried out in the fourth step via a correction factor for a reduction factor of the raw NOx concentration or for a correction factor directly for the raw NOx concentration.
Bevorzugt erfolgt die Änderung proportional zur Differenz zwischen der Speichermenge und der modellierten NOx-Beladung. Ebenfalls ist es möglich, die Änderung proportional zur Differenz von 1 und dem Quotienten aus der modellierten NOx- Beladung und der Speichermenge vorzunehmen.The change is preferably proportional to the difference between the storage quantity and the modeled NOx loading. It is also possible to make the change proportional to the difference of 1 and the quotient from the modeled NOx loading and the storage quantity.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt:A preferred embodiment of the method is described in more detail below using an exemplary embodiment. It shows:
Fig. 1 die NOx-Konzentration stromabwärts eines NOx- Speicherkatalysators abhängig von der Zeit,1 shows the NOx concentration downstream of a NOx storage catalytic converter as a function of time,
Fig. 2 die Berechnung eines Korrekturfaktors für die NOx- Rohkonzentration und2 shows the calculation of a correction factor for the raw NOx concentration and
Fig. 3 die Berechnung eines Korrekturfaktors für einen Reduk- tionsfaktor der NOx-Rohkonzentration.3 shows the calculation of a correction factor for a reduction factor of the raw NOx concentration.
Fig. 1 zeigt die zeitliche Entwicklung der NOx-Konzentration in einem NOx-Speicherkatalysator . Die mit 10 gekennzeichnete Kurve gibt die NOx-Konzentration nach dem Katalysator an. Zum Zeitpunkt t0, der mit 12 gekennzeichnet ist, beginnt im normalen Speicher-/Regenerationsbetrieb die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Die mit 14 gekennzeichnete Fläche
gibt dabei die bis to eingelagerte NOx-Speichermenge (SM) an. Der unterhalb der Kurve 10 liegende Flächenanteil gibt die Durchbruchmenge DB an, also die Menge, die bis zum Zeitpunkt t0 ausgetreten ist. Soll nun eine Adaption der Rohemission erfolgen, so wird die Schwelle 12 zu Beginn nach 18 versetzt. Beispielsweise kann hierzu die Dauer der Magerphase halbiert werden.1 shows the development over time of the NOx concentration in a NOx storage catalytic converter. The curve marked 10 indicates the NOx concentration after the catalytic converter. At time t 0 , which is identified by 12, regeneration of the NOx storage catalytic converter begins in normal storage / regeneration operation. The area marked with 14 specifies the amount of NOx (SM) stored up to. The proportion of the area below curve 10 indicates the breakthrough quantity DB, that is to say the quantity which has escaped up to the point in time t 0 . If the raw emission is now to be adapted, the threshold 12 is initially moved to 18. For example, the duration of the lean phase can be halved.
Um zu überprüfen, ob bei der Dauer 18 der Magerphase eine vernachlässigbare Durchbruchmenge DB vorliegt, wird in einem weiteren Adaptionszyklus die Magerphase bis zu einem Zeitpunkt 20 verkürzt. Wenn die Speichermenge in der verkürzten Magerphase im selben Verhältnis zu der Speichermenge in der längeren Magerphase 14 steht, wie die Zeitdauer der kürzeren Magerphase zu der Zeitdauer der längeren Magerphase, so hat kein Durchbruch stattgefunden und der Speicherkatalysator hat proportional zur Dauer der Magerphase NOx eingelagert.In order to check whether there is a negligible breakthrough amount DB in the duration 18 of the lean phase, the lean phase is shortened to a point in time 20 in a further adaptation cycle. If the amount of storage in the shortened lean phase is in the same ratio to the amount of storage in the longer lean phase 14 as the duration of the shorter lean phase to the duration of the longer lean phase, then no breakthrough has occurred and the storage catalytic converter has stored NOx in proportion to the duration of the lean phase.
Allgemein kann die während einer Magerphase einer Brennkraft- maschine emittierte NOx-Menge in folgende Teile aufgesplittet werden:In general, the amount of NOx emitted during an engine lean phase can be split up into the following parts:
ein erster Teil wird auch im Magerbetrieb von der Abgasreinigungsanlage in unschädliche Substanzen umgewandelt, - ein zweiter Teil wird im NOx-Speicherkatalysator gespeichert (SM) und ein dritter Teil wird an die Umgebung abgegeben (DB) (Durchbruch) .A first part is also converted into harmless substances by the exhaust gas cleaning system in lean operation, - a second part is stored in the NOx storage catalytic converter (SM) and a third part is released into the environment (DB) (breakthrough).
Unabhängig von dem erfindungsgemäß verwendeten Verfahren zur Berechnung der Speichermenge SM wird basierend auf der in Kennfeldern abgelegten NOx-Rohkonzentration und dem Reduktionsfaktor das Integral der korrigierten NOx-Konzentration ü- ber die Magerphase (IKK) berechnet. Der Wert des Integrals ist die Summe aus modellierter NOx-Beladung und (modellierter) Nachkat-Emission. Für die Magerphasen, in denen kein Durchbruch erfolgt, sollte SM gleich IKK sein, falls die mo-
dellierte, korrigierte NOx-Rohkonzentration der tatsächlichen, um den tatsächlichen stationären Reduktionsfaktor verminderten, NOx-Rohkonzentration entspricht.Regardless of the method for calculating the storage quantity SM used according to the invention, the integral of the corrected NOx concentration over the lean phase (IKK) is calculated based on the raw NOx concentration stored in characteristic maps and the reduction factor. The value of the integral is the sum of the modeled NOx loading and (modeled) post-cat emission. For the lean phases in which there is no breakthrough, SM should be equal to IKK if the mo- dellated, corrected raw NOx concentration corresponds to the actual raw NOx concentration reduced by the actual stationary reduction factor.
In dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm wird ein Korrekturfaktor für die NOx-Rohkonzentration (RK) berechnet. Der Korrekturfaktor (RKKF) wird dabei abhängig von der modellierten NOx-Beladung (IKK) und der Speichermenge (SM) ermittelt. In dem in Fig. 2 dargestellten Ablaufdiagramm wird der Fak- tor:In the flow chart shown in FIG. 2, a correction factor for the raw NOx concentration (RK) is calculated. The correction factor (RKKF) is determined depending on the modeled NOx loading (IKK) and the amount of storage (SM). In the flow chart shown in FIG. 2, the factor:
1-IKK / SM1-IKK / SM
mit einem Verstärker 22 verstärkt und mit einem entsprechen- den Korrekturfaktor RKKF (N-l) addiert, um RKKF für die nachfolgende Korrektur der NOx-Rohkonzentration zu ermitteln. Die Adaption erfolgt iterativ, wobei bei einem n-ten Adaptionsschritt der Korrekturfaktor der (n-l)-ten Adaption geändert wird. Die NOx-Rohkonzentration wird mit dem Faktor (1-RF) multipliziert, wobei RF den Reduktionsfaktor für die NOx- Rohkonzentration RK bezeichnet. Der Reduktionsfaktor berücksichtigt beispielsweise abhängig von der Katalysatortemperatur den stationären Umsatz in dem Katalysator. Das Produkt wird als die korrigierte NOx-Rohkonzentration bezeichnet.amplified with an amplifier 22 and added with a corresponding correction factor RKKF (N-1) in order to determine RKKF for the subsequent correction of the raw NOx concentration. The adaptation is carried out iteratively, the correction factor of the (n-l) th adaptation being changed in the case of an nth adaptation step. The raw NOx concentration is multiplied by the factor (1-RF), where RF denotes the reduction factor for the raw NOx concentration RK. Depending on the catalyst temperature, the reduction factor takes into account, for example, the steady state conversion in the catalyst. The product is called the corrected raw NOx concentration.
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm für eine alternative Bestimmung der korrigierten NOx-Rohkonzentration. Bei diesem Verfahren wird die Größe 1-SM / IKK mit einem Verstärker 24 verstärkt und mit einem Korrekturfaktor für den Reduktionsfaktor ad- diert. Der Korrekturfaktor für den Reduktionsfaktor RFKF wird mit dem Reduktionsfaktor RF multipliziert, so daß ein korrigierter Reduktionsfaktor vorliegt. Mit dem Faktor (1-RFKFxRF) wird aus der NOx-Rohkonzentration (RK) die korrigierte NOx- Rohkonzentration berechnet.3 shows a flow chart for an alternative determination of the corrected raw NOx concentration. In this method, size 1-SM / IKK is amplified with an amplifier 24 and added with a correction factor for the reduction factor. The correction factor for the reduction factor RFKF is multiplied by the reduction factor RF, so that a corrected reduction factor is present. With the factor (1-RFKFxRF) the corrected raw NOx concentration is calculated from the raw NOx concentration (RK).
In beiden Verfahren kann alternativ zu dem Quotienten aus SM und IKK auch die Differenz der Werte verwendet werden.
In both methods, the difference between the values can be used as an alternative to the quotient of SM and IKK.