DE102015200751A1

DE102015200751A1 - Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors sowie Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage

Info

Publication number: DE102015200751A1
Application number: DE102015200751.0A
Authority: DE
Inventors: Brendan Carberry; Daniel Roettger; Frederik De Smet
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015200751B4

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungsanlage (3) eines für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotors (1), die einen NOx-Speicherkatalysator (5) umfasst, werden in einer Regenerationsphase im NOx-Speicherkatalysator (5) gespeicherte Stickoxide durch Zuführung eines Reduktionsmittels reduziert, in der Regenerationsphase wird stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (5) ein erstes Luftverhältnis (λ1) erfasst, ein Durchbruchszeitpunkt (t2), zu dem das erfasste erste Luftverhältnis (λ1) einen vorbestimmbaren Schwellwert (λS) unterschreitet, wird ermittelt, und aus mindestens einer vom Durchbruchszeitpunkt (t2) abhängigen charakteristischen Größe wird auf die Funktionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators (5) geschlossen. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage (3) eines für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotors (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungs-anlage eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage.
Verbrennungsmotoren erzeugen beim Betrieb häufig erhebliche Mengen von Stickoxiden (NO_x). Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Diesel- und Otto-Motoren liegen die Stickoxid-Mengen im Abgas in der Regel über den zulässigen Grenzwerten, so dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der NO_x-Emissionen notwendig ist. Bei vielen Motoren erfolgt die Reduktion der Stickoxide durch die im Abgas enthaltenen nicht-oxidierten Bestandteile, nämlich durch Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), mit Hilfe eines Dreiwegekatalysators. Insbesondere bei Diesel- und Otto-Magermotoren steht dieses Verfahren jedoch nicht zur Verfügung, da durch den hohen Sauerstoffanteil im Abgas die Reduzierung von NO_x nicht bzw. kaum erfolgt. Bei Magermotoren wird daher gemäß einem verbreiteten Verfahren ein NO_x-Speicherkatalysator (Lean NO_x Trap, LNT) eingesetzt, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide aufnimmt und speichert. Von Zeit zu Zeit erfolgt eine Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators, wofür ein Kraftstoffüberschuss in dem durch den NO_x-Speicherkatalysator geleiteten Abgas erzeugt wird.
Die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators nimmt jedoch mit zunehmender Betriebsdauer ab, was unter anderem auf eine Kontamination des Speicherkatalysators mit dem im Abgas enthaltenen Schwefel zurückzuführen ist, sowie auf thermische Alterung in Folge hoher Temperaturen, wie sie beispielweise bei einer regelmäßig vorzunehmenden Entschwefelung auftreten. Es ist daher notwendig, die Funktionsfähigkeit eines im Abgassystem vorgesehenen NO_x-Speicherkatalysators zu überwachen.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 936 140 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei stromaufwärts und stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems jeweils eine Lambdasonde angeordnet wird und zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Abgasnachbehandlungssystems die Brennkraftmaschine in einen Betrieb überführt wird, in dem die Abgase eine hohe Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweisen. Dabei wird von einer Funktionsuntüchtigkeit des Abgasnachbehandlungssystems ausgegangen, falls die von den beiden Lambdasonden erfassten, aufgrund der hohen HC-Konzentration fehlerhaften Luftverhältnisse im Wesentlichen gleich groß sind.
Gemäß DE 10 2012 218 728 A1 wird zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines NO_x-Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1) überführt und durch jeweils eine stromaufwärts bzw. stromaufwärts des Speicherkatalysators angeordnete Lambdasonde das Luftverhältnis erfasst. Dabei wird die Anfettung, d. h. die Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, derart begrenzt, dass die Sonden fehlerfrei arbeiten. Bei einem voll funktionstüchtigen Speicherkatalysator werden die infolge der Anfettung stromaufwärts des Katalysators im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe beim Durchströmen des Katalysators vollständig oxidiert, so dass sich stromabwärts des Katalysators keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas befinden. Ist die Funktionstüchtigkeit des NO_x-Speicher-katalysators eingeschränkt, so werden keine oder weniger im Abgas befindliche unverbrannte Kohlenwasserstoffe durch Freigabe von gespeicherten Stickoxiden oxidiert. Aus dem zeitlichen Verlauf des von der stromabwärts des Speicherkatalysators angeordneten Lambdasonde erfassten Luftverhältnisses während der Phase der Anfettung sowie insbesondere aus dem zeitlichen Verlauf der aus den Signalen der Sonden ermittelten, über ein kurzes Zeitintervall integrierten Massenströme an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas lassen sich Aussagen hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators treffen.
Aus KR 10 2011 006 3140 A ist es bekannt, dass aus den Signalen von zwei Lambdasonden, von denen eine stromaufwärts und die andere stromabwärts eines NO_x-Speicherkatalysators angeordnet ist, die Menge des Reduziermittels ermittelt wird, die dem Speicherkatalysator zugeleitet wird, und die Menge des Reduziermittels, die nach Durchgang durch den Speicherkatalysator im Abgas vorhanden ist. Aus dem derart ermittelten Durchgangs- oder Schlupfverhältnis (Slip Ratio) wird die Alterung des NO_x-Speicherkatalysators ermittelt.
Die bekannten Überwachungsverfahren liefern nicht unter allen Betriebsbedingungen des NO_x-Speicherkatalysators zuverlässige Aussagen über dessen Funktionsfähigkeit, beispielsweise sind die bekannten Verfahren in hohem Maße temperaturabhängig. Dies ist insbesondere deshalb problematisch, weil zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators und zur Einhaltung der vorgeschriebenen Überwachungsabläufe (In-Use Performance Requirements, IUPR) die entsprechenden Überwachungsmaßnahmen während des Betriebs eines mit dem NO_x-Speicherkatalysator ausgestatten Kraftfahrzeugs mindestens mit einer vorgegebenen Häufigkeit durchgeführt werden müssen, so dass beispielsweise die Einhaltung eines engen Temperaturbereichs nicht immer gewährleistet werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotors, sowie eine entsprechende Steuerungseinrichtung für eine derartige Abgasnachbehandlungsanlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Steuerungseinrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors bezieht sich insbesondere auf einen für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotor, beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Otto-Magermotor, insbesondere einen Diesel- bzw. Ottomotor mit Direkteinspritzung. Vorzugsweise handelt es sich um den Verbrennungsmotor und die Abgasnachbehandlungsanlage eines Kraftfahrzeugs. Der Ausdruck "Magerbetrieb" bedeutet, dass der Verbrennungsmotor mit Luftüberschuss betrieben wird, d.h., dass der Lambdawert (Luftverhältnis) einen Wert λ > 1 einnimmt. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst einen NO_x-Speicherkatalysator zur Reduktion der im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide (NO_x). Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators.
Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, der der Magerbetrieb ist, speichert der NO_x-Speicherkatalysator die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide. Zur Regeneration, d.h. zur Erneuerung der Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators, sind gelegentliche Regenerationsphasen notwendig, in denen mit Hilfe eines dem Abgasstrom zugeführten Reduktionsmittels die im NO_x-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide reduziert werden und in Form unschädlicher Gase freigesetzt werden. Als Reduktionsmittel kann insbesondere Kraftstoff dienen, wozu in der Regenerationsphase der durch den NO_x-Speicherkatalysator geleitete Abgasstrom mit unverbranntem Kraftstoff angereichert wird, etwa durch Kraftstoffeinspritzung in die Abgasnachbehandlungsanlage stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators oder durch entsprechende Ansteuerung des Verbrennungsmotors, insbesondere einer Einspritzanlage des Verbrennungsmotors. Dies bedeutet, dass in der Regenerationsphase ein Kraftstoffüberschuss bzw. eine unterstöchiometrische Sauerstoffkonzentration vorliegt, d.h., dass der Lambdawert kleiner als 1 ist, λ < 1. Eine derartige Regeneration wird auch als "Rich Purge" bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird während der Regenerationsphase stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators ein erstes Luftverhältnis erfasst, ein Durchbruchszeitpunkt ermittelt, zu dem das erfasste Luftverhältnis einen vorbestimmbaren Schwellwert unterschreitet, und aus mindestens einer vom Durchbruchszeitpunkt abhängigen charakteristischen Größe auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators geschlossen. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass bei einer Regeneration das in hoher Konzentration zugeführte Reduktionsmittel zur Reduktion der im NO_x-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide sowie durch Reaktion mit dem ebenfalls darin gespeicherten Sauerstoff verbraucht wird und der Abgasstrom nach Durchströmen des NO_x-Speicherkatalysators keinen oder einen geringeren Anteil des Reduktionsmittels enthält. Im Verlauf der Regeneration nimmt daher auch die Menge der im NO_x-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide, ebenso wie die Menge des gespeicherten Sauerstoffs, ab. Im Verlauf der Regeneration wird deshalb ein Zeitpunkt erreicht, zu dem das zugeführte Reduktionsmittel nicht mehr vollständig für die Reduktion der Stickoxide bzw. die Reaktion mit dem gespeicherten Sauerstoff verbraucht wird und beginnt, in unverbrauchter Form aus dem NO_x-Speicherkatalysator wieder auszutreten. Ein solcher Reduktionsmittelaustritt wird auch als Reduktionsmittelschlupf bezeichnet. Der Zeitpunkt innerhalb einer Regenerationsphase, zu dem der Reduktionsmittelaustritt beginnt, wird hier als "Durchbruchszeitpunkt" bezeichnet.
Der Durchbruchszeitpunkt wird dadurch detektiert, dass das stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators erfasste erste Luftverhältnis einen vorbestimmbaren Schwellwert unterschreitet. Das erste Luftverhältnis wird somit zumindest vom Beginn der Regenerationsphase, der durch einen Startzeitpunkt definiert sein kann, bis zum Unterschreiten des Schwellwerts erfasst. Der Schwellwert für das Luftverhältnis ist insbesondere auf einen Wert λ < 1 vorbestimmt, der einen Überschuss an Kraftstoff bzw. an Reduktionsmittel anzeigt und dadurch die Erfassung des Durchbruchs ermöglicht. Der Schwellwert kann beispielsweise auf Werte im Bereich von etwa 0,96 bis etwa 0,98 vorbestimmt sein.
Erfindungsgemäß wird aus einer vom Durchbruchszeitpunkt abhängigen charakteristischen Größe auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators geschlossen. Eine solche charakteristische Größe kann beispielsweise die vom Beginn der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt verstrichene Zeit sein, die bis dahin während der Regenerationsphase dem Abgasstrom zugeführte Reduktionsmittelmenge bzw. Kraftstoffmenge oder eine andere vom Durchbruchszeitpunkt abhängige charakteristische Größe, die während der Regenerationsphase erfasst wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Durchbruchszeitpunkt mit zunehmender Alterung des NO_x-Speicherkatalysators immer früher liegt und somit eine vom Durchbruchszeitpunkt abhängige charakteristische Größe einen Rückschluss auf den Alterungszustand bzw. die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators zulässt. Insbesondere kann durch Vergleich der vom Durchbruchszeitpunkt t₂ abhängigen charakteristischen Größe mit charakteristischen Größen von NO_x-Speicherkatalysatoren mit bekannten Alterungszuständen auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (5) geschlossen werden und beispielsweise ein Alterungsparameter ermittelt werden, der ein Maß für die Alterung bzw. für die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators darstellt.
Dadurch, dass während einer Regenerationsphase stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators ein erstes Luftverhältnis erfasst wird, ein Zeitpunkt des Durchbruchs von Reduktionsmittel durch Unterschreiten eines vorbestimmbaren Schwellwerts des ersten Luftverhältnisses ermittelt wird und aus mindestens einer vom Durchbruchszeitpunkt abhängigen charakteristischen Größe auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators geschlossen wird, wird eine Möglichkeit zur zuverlässigen Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators geschaffen. Insbesondere kann hierdurch eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators unter solchen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors ermöglicht werden, unter denen die bekannten Verfahren kein zuverlässiges Ergebnis liefern. Hierdurch wird eine verbesserte und insbesondere den Anforderungen an die Häufigkeit der Überwachungsmaßnahmen genügende Überwachung der Abgasnachbehandlungsanlage des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine charakteristische Größe der Zeitabstand zwischen einem Startzeitpunkt der Regenerationsphase und dem Durchbruchszeitpunkt. Der Startzeitpunkt gibt beispielsweise den Beginn der Anreicherung des Abgasstroms mit Reduktionsmittel oder den Beginn des Eintritts von Reduktionsmittel in einer hohen Konzentration in den NO_x-Speicherkatalysator an und kann etwa aus einem Signal eines dem Abgasnachbehandlungssystem zugeordneten Sensors ermittelt werden oder auch durch ein Signal einer Steuerung, die die Regenerationsphase einleitet bzw. die Anreicherung des Abgasstroms mit Reduktionsmittel steuert, gegeben werden. Der Durchbruchszeitpunkt liegt insbesondere umso früher, je weiter die Alterung des NO_x-Speicherkatalysators fortgeschritten ist und je mehr dessen Funktionsfähigkeit eingeschränkt ist. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise eine zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine charakteristische Größe die von dem Startzeitpunkt der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt dem Abgasstrom bzw. dem NO_x-Speicherkatalysator zugeführte Reduktionsmittelmenge. Die zugeführte Reduktionsmittelmenge kann beispielsweise aus einem Signal eines dem Abgasnachbehandlungssystem zugeordneten Sensors ermittelt werden oder auch durch ein Signal einer Steuerung, die die Zuführung von Reduktionsmittel in den Abgasstrom steuert, gegeben werden. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist erkannt worden, dass die während der Regeneration zugeführte Menge an Reduktionsmittel, bis das Reduktionsmittel wieder aus dem NO_x-Speicherkatalysator austritt, einen besonders genauen Rückschluss auf den Alterungszustand bzw. die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht. Es kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der Zeitabstand zwischen dem Startzeitpunkt und dem Durchbruchszeitpunkt, als auch die in diesem Zeitraum zugeführte Reduktionsmittelmenge als Grundlage der Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators dienen; hierdurch kann eine weiter verbesserte Zuverlässigkeit der Überwachung erzielbar sein.
Vorzugsweise wird stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators ein zweites Luftverhältnis erfasst. Weiterhin vorzugsweise wird die vom Startzeitpunkt der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt zugeführte Reduktionsmittelmenge mittels des Integrals der Differenz zwischen dem stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators erfassten zweiten Luftverhältnis und dem stromabwärts erfassten ersten Luftverhältnis ermittelt, wobei das Integral vom Startzeitpunkt der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt berechnet wird. Aus der Differenz zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts erfassten Luftverhältnis lässt sich auf die zum jeweiligen Zeitpunkt zugeführte Reduktionsmittelmenge schließen, und aus der über die Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt, insbesondere vom Startzeitpunkt bis zum Durchbruchszeitpunkt, integrierten Differenz lässt sich daher die insgesamt während der Regenerationsphase dem Abgasstrom bzw. dem NO_x-Speicherkatalysator zugeführte Reduktionsmittelmenge ermitteln. Diese zugeführte Reduktionsmittelmenge ist insbesondere umso geringer, je weiter die Alterung des NO_x-Speicherkatalysators fortgeschritten ist und je mehr dessen Funktionsfähigkeit eingeschränkt ist. Hierdurch wird auf einfache Weise eine besonders zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators ein zweites Luftverhältnis erfasst und als Startzeitpunkt derjenige Zeitpunkt bestimmt, zu dem das stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators erfasste zweite Luftverhältnis den vorbestimmbaren Schwellwert unterschreitet, dessen Unterschreitung durch das stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators erfasste erste Luftverhältnis den Durchbruchszeitpunkt definiert. Der Schwellwert ist insbesondere auf einen Wert λ < 1 vorbestimmt, beispielsweise auf Werte im Bereich von etwa 0,96 bis etwa 0,98. Das erfasste zweite Luftverhältnis kann wie zuvor beschrieben auch zur Ermittlung der vom Startzeitpunkt der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt zugeführten Reduktionsmittelmenge verwendet werden. Hierdurch kann auf einfache Weise die Genauigkeit der Bestimmung des Startzeitpunkts und damit die Zuverlässigkeit der Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators weiter verbessert werden.
In vorteilhafter Weise umfasst die Abgasnachbehandlungsanlage mindestens einen zweiten Sauerstoffsensor, der stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordnet ist, d. h. im Abgasstrom vor dem NO_x-Speicherkatalysator, und aus dem Signal des mindestens einen zweiten Sauerstoffsensors wird das zweite Luftverhältnis ermittelt. Hierdurch kann die Genauigkeit der Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators weiter verbessert werden.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das zweite Luftverhältnis aus einem Luftmassenstrom und Daten der Motorsteuerung, insbesondere aus den Einspritzparametern, ermittelt wird; hierdurch ist eine besonders kostengünstige Lösung erreichbar.
Vorzugsweise umfasst die Abgasnachbehandlungsanlage mindestens einen ersten Sauerstoffsensor, der stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordnet ist, d.h. beispielsweise in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors im Abgasstrom nach dem NO_x-Speicherkatalysator, und aus dem Signal des mindestens einen ersten Sauerstoffsensors wird das erste Luftverhältnis ermittelt. Hierdurch wird auf einfache Weise eine genaue Bestimmung des Luftverhältnisses stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators und damit eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht.
Der mindestens eine erste und/oder der mindestens eine zweite Sauerstoffsensor können als Lambdasonden, insbesondere als Breitband-Lambdasonden bzw. UEGO(Universal Exhaust Gas Oxygen)-Sensoren, ausgebildet sein.
In dem Fall, dass der Verbrennungsmotor eine Niederdruckabgasrückführung aufweist, kann der mindestens eine stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordnete erste Sauerstoffsensor in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, einen solchen im Ansaugtrakt vorhandenen Sensor zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators zu nutzen. Dies ist insbesondere dann in vorteilhafter Weise möglich, wenn eine Regeneration in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfolgt, in dem ein hoher Anteil des Abgases oder sogar der gesamte Abgasstrom rückgeführt wird, etwa in einer Brems- oder Verzögerungsphase des Kraftfahrzeugs. Hierdurch wird auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Überwachung der Abgasnachbehandlungsanlage bzw. des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der Regenerationsphase ein Reduktionsmittelschlupfverhältnis erfasst und aus dem erfassten Reduktionsmittelschlupfverhältnis zusätzlich auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (5) geschlossen. Zur Erfassung des Reduktionsmittelschlupfverhältnisses kann insbesondere mindestens ein Sauerstoffsensor, beispielsweise eine Lambdasonde, stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordnet sein, d.h. im Abgasstrom vor dem NO_x-Speicherkatalysator, und mindestens ein Sauerstoffsensor, beispielsweise eine Lambdasonde, stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators; insbesondere können hierfür der zuvor erwähnte erste und zweite Sauerstoffsensor dienen. Das Reduktionsmittelschlupfverhältnis wird durch Vergleich der von dem mindestens einen stromaufwärts und dem mindestens einen stromabwärts angeordneten Sauerstoffsensor erfassten Luftverhältnisse ermittelt. Hierdurch kann eine zusätzliche Aussage über die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht werden. Ferner kann eine zusätzliche Aussage über die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators durch weitere Verfahren ermöglicht werden, die beispielsweise aus der Patentanmeldung DE 10 2012 218 728 A1 bekannt sind, die diesbezüglich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Vorzugsweise wird die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators ermittelt. Insbesondere wird die Temperatur mit Hilfe mindestens eines dem NO_x-Speicherkatalysator zugeordneten Temperatursensors erfasst oder auch mit Hilfe eines Modells aus anderen Messdaten des Abgasstroms und/oder Daten der Motorsteuerung ermittelt. Die Funktionsfähigkeit bzw. der Alterungsparameter des NO_x-Speicherkatalysators wird gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung in einem niedrigeren Temperaturbereich aus dem Reduktionsmittelschlupfverhältnis in der Regenerationsphase und in einem höheren Temperaturbereich aus der mindestens einen vom Durchbruchszeitpunkt abhängigen charakteristischen Größe ermittelt. Der niedrigere Temperaturbereich kann beispielsweise bis ca. 250–350 ºC reichen und der höhere Temperaturbereich bei der betreffenden Temperatur beginnen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Temperaturbereiche einander überlappen oder dass beide Verfahren gemeinsam zur Ermittlung der Funktionsfähigkeit bzw. des Alterungsparameters des NO_x-Speicherkatalysators genutzt werden, wobei die jeweils ermittelten Alterungsparameter in Abhängigkeit von der Temperatur gewichtet werden. Hierdurch wird eine in einem erweiterten Temperaturbereich besonders zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors, der für einen Magerbetrieb ausgelegt ist, ist zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Überwachung der Abgasnachbehandlungsanlage eingerichtet. Die Steuerungseinrichtung kann Speichermittel zur Speicherung von Referenzwerten des Durchbruchszeitpunkts und/oder der während einer Regenerationsphase bis zum Durchbruch von Reduktionsmittel zugeführten Reduktionsmittelmenge umfassen sowie Prozessormittel zur Ermittlung des Durchbruchszeitpunkts und/oder der bis zum Durchbruchszeitpunkt zugeführten Reduktionsmittelmenge und zur Ermittlung der Funktionsfähigkeit, insbesondere eines Alterungsparameters des Speicherkatalysators. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung des mindestens einen ersten und/oder zweiten Sauerstoffsensors bzw. der als derartige Sensoren dienenden Lambdasonden eingerichtet, um die jeweiligen Sensorsignale zu verarbeiten und die jeweiligen Luftverhältnisse zu ermitteln und diese in der oben beschriebenen Weise weiter auszuwerten. Ein derart ermitteltes Ergebnis der Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators bzw. ein ermittelter Alterungsparameter kann beispielsweise für eine Anzeige für einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs, das mit dem Verbrennungsmotor ausgestattet ist, bereitgestellt werden und/oder in einem Fehlerspeicher abgelegt werden. Die Steuerungseinrichtung kann ferner eingerichtet sein, eine Einspritzung von Reduktionsmittel, insbesondere Kraftstoff, in den Abgasstrang stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators zu steuern, um die Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators zu veranlassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung zur Kommunikation mit einer Motorsteuerungseinrichtung des Verbrennungsmotors ausgelegt sein, um durch Ansteuerung des Verbrennungsmotors bzw. der Einspritzanlage des Verbrennungsmotors eine Anreicherung des Abgasstroms mit Kraftstoff zur Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators zu bewirken. Die Steuerungseinrichtung kann Teil einer elektronischen Motorsteuerung des Verbrennungsmotors sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 in symbolischer Form einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasnachbehandlungsanlage, die einen NO_x-Speicherkatalysator umfasst;
2 beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Luftverhältnisses λ stromaufwärts bzw. stromabwärts eines NO_x-Speicherkatalysators bei einer Regeneration für einen neuen NO_x-Speicherkatalysator;
3 dieselbe Darstellung wie in 2, jedoch für einen gealterten NO_x-Speicherkatalysator;
4 beispielhaft die bei einer Regeneration bis zum Durchbruch zugeführte Reduktionsmittelmenge für verschiedene Alterungszustände eines NO_x-Speicherkatalysators;
5 beispielhaft die bei einer Regeneration bis zum Durchbruch des Reduktionsmittels verstrichene Zeit für verschiedene Alterungszustände eines NO_x-Speicherkatalysators.
Wie in 1 beispielhaft symbolisch dargestellt, werden die Abgase eines Verbrennungsmotors 1 über einen Auspuffkrümmer 2 zu einer Abgasnachbehandlungsanlage 3 geleitet. Die Abgasnachbehandlungsanlage 3 weist im Abgasstrang 4, der eine Mehrzahl von Rohrabschnitten umfasst, einen NO_x-Speicherkatalysator 5 auf, durch den der Abgasstrom geleitet wird. Stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ist eine erste Lambdasonde 7 und stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 eine zweite Lambdasonde 6 angeordnet. Die Lambdasonden 6, 7 erfassen jeweils einen Sauerstoffgehalt des Abgasstroms vor dem Eintritt in den und nach dem Austritt aus dem NO_x-Speicherkatalysator 5. Aus den Signalen der Lambdasonden 6, 7 kann mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuerungseinrichtung jeweils ein Luftverhältnis λ ermittelt werden. Die Abgasnachbehandlungsanlage 3 kann weitere, ebenfalls nicht dargestellte Komponenten umfassen. Insbesondere können weitere Filter bzw. Katalysatoren vorhanden sein sowie weitere Sensoren, beispielsweise können anstelle der ersten Lambdasonde 7 zwei erste Lambdasonden 7 stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 vorgesehen sein.
In 2 sind für einen neuen, voll funktionsfähigen NO_x-Speicherkatalysator 5 beispielhaft das aus dem Signal der stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 der Abgasnachbehandlungsanlage 3 angeordneten zweiten Lambdasonde 6 ermittelte zweite Luftverhältnis λ₂ (Kurve 8) und das aus dem Signal der stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 angeordneten ersten Lambdasonde 7 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ (Kurve 9) über der Zeit t dargestellt. Vor dem in 2 dargestellten Zeitraum befindet sich der Verbrennungsmotor 1 im Magerbetrieb, der dem Normalbetrieb der Abgasnachbehandlungsanlage 3 bzw. des Verbrennungsmotors 1 entspricht, wobei im Abgasstrom ein Sauerstoffüberschuss vorhanden ist, d.h. λ₂ > 1. Zur Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 5 wird das Abgas angefettet, indem beispielsweise eine Einspritzanlage des Verbrennungsmotors 1 derart angesteuert wird, dass der Abgasstrom mit unverbranntem Kraftstoff angereichert wird, oder indem in den Auspuffkrümmer 2 oder in den Abgasstrang 4 stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 Kraftstoff eingespritzt wird. Dies zeigt sich darin, dass das aufgrund des Signals der zweiten Lambdasonde 6 ermittelte zweite Luftverhältnis λ₂ (Kurve 8) auf Werte unterhalb von 1 fällt. Typischerweise dauert die Regenerationsphase einige Sekunden, beispielsweise etwa 2 bis 6 Sekunden. Nach Ende der Regenerationsphase steigt das stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ermittelte zweite Luftverhältnis λ₂ (Kurve 8) wieder auf Werte oberhalb von 1 an, d.h. der Verbrennungsmotor 1 und die Abgasnachbehandlungsanlage 3 gehen am Ende des in 2 dargestellten Zeitraums wieder in den Normal- bzw. Magerbetrieb über.
Das aus dem Signal der ersten Lambdasonde 7 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ (Kurve 9) liegt im anfänglichen Magerbetrieb ebenfalls oberhalb von 1, d.h. λ₁ > 1, da der Abgasstrom auch nach Durchtritt durch den NO_x-Speicherkatalysator 5 einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Zu Beginn der Regenerationsphase und während eines Teils der Dauer der Regenerationsphase liegt das stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ dicht unterhalb von 1 und fällt im weiteren Verlauf der Regenerationsphase weiter ab. Dies kommt dadurch zustande, dass der unverbrannte Kraftstoff, mit dem der in den NO_x-Speicherkatalysator 5 eintretende Abgasstrom während der Regenerationsphase angereichert ist, zunächst zur Reduktion der im NO_x-Speicherkatalysator 5 gespeicherten Stickoxide sowie durch Reaktion mit dem ebenfalls darin gespeicherten Sauerstoff verbraucht wird. Mit dem Fortschreiten der Regeneration wird ein zunehmender Anteil der im NO_x-Speicherkatalysator 5 gespeicherten Stickoxide und des gespeicherten Sauerstoffs reduziert, so dass zunächst in geringem und im Verlauf der Regenerationsphase zunehmendem Maße Kraftstoff durch diesen hindurchtritt und dementsprechend das stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ im Verlauf der Regenerationsphase abfällt, beispielsweise von Werten λ₁ > 0,98 auf Werte λ₁ < 0,98 und schließlich sogar auf Werte λ₁ < λ₂.
Der Beginn des Austritts des Kraftstoffs aus dem NO_x-Speicherkatalysator 5 in wesentlichem Maße, d.h. der Durchbruch des Kraftstoffs durch den NO_x-Speicherkatalysator 5, wird dadurch detektiert, dass das stromabwärts ermittelte Luftverhältnis λ₁ einen Schwellwert λ_S unterschreitet. In dem in 2 dargestellten Beispiel hat dieser Schwellwert den Wert λ_S = 0,98. Der Zeitpunkt, zu dem das stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ (Kurve 9) den Schwellwert λ_S unterschreitet, ist der Durchbruchszeitpunkt t₂. Der Beginn der Regenerationsphase wird, wie in 2 gezeigt, dadurch detektiert, dass das stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 ermittelte zweite Luftverhältnis λ₂ den Schwellwert λ_S = 0,98 unterschreitet; dieser Zeitpunkt ist der Startzeitpunkt t₁ der Regenerationsphase. Der Zeitabstand ∆t = t₂ – t₁ gibt somit die Dauer der Regenerationsphase bis zum Durchbruch des Kraftstoffs an. Im dargestellten Beispiel beträgt dieser Zeitabstand ∆t für einen neuen NO_x-Speicherkatalysator 5 etwas mehr als zwei Sekunden.
In 3 sind entsprechend wie in 2 ebenfalls das aus dem Signal der stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 der Abgasnachbehandlungsanlage 3 angeordneten zweiten Lambdasonde 6 ermittelte zweite Luftverhältnis λ₂ (Kurve 8) und das aus dem Signal der stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 5 angeordneten ersten Lambdasonde 7 ermittelte erste Luftverhältnis λ₁ (Kurve 9) während der Regenerationsphase über der Zeit t dargestellt, jedoch für den Fall, dass der NO_x-Speicherkatalysator 5 gealtert und nur noch eingeschränkt funktionsfähig ist. Wie in 3 zu erkennen ist, fällt das erste Luftverhältnis im dargestellten Beispiel ebenfalls von Werten λ₁ > 0,98 auf Werte λ₁ < 0,98 und schließlich sogar auf Werte λ₁ < λ₂ ab, im Vergleich mit 2 tritt der durch das Unterschreiten des Schwellwerts λ_S = 0,98 detektierte Durchbruch von Kraftstoff jedoch schon früher ein. Der Zeitabstand ∆t = t₂ – t₁ zwischen dem Startzeitpunkt t₁ der Regenerationsphase und dem Durchbruchszeitpunkt t₂ ist daher kürzer als in dem in 2 dargestellten Fall, dass der NO_x-Speicherkatalysator 5 neu bzw. voll funktionsfähig ist; im dargestellten Beispiel ist ∆t für den gealterten NO_x-Speicherkatalysator 5 etwas weniger als eine Sekunde. Aus dem Zeitabstand ∆t = t₂ – t₁ lässt sich somit ein Rückschluss auf den Alterungszustand bzw. auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 5 ziehen.
Ebenso lässt sich aus einem Vergleich der 2 und 3 erkennen, dass die Differenz zwischen dem ersten Luftverhältnis λ₁ (Kurve 9) und dem zweiten Luftverhältnis λ₂ (Kurve 8) bei einem neuen NO_x-Speicherkatalysator (2) größer ist als bei einem gealterten (3). Das Integral I über diese Differenz vom Startzeitpunkt t₁ bis zum Durchbruchszeitpunkt t₂
ist ein Maß für die in der Regenerationsphase bis zum Durchbruch insgesamt dem Abgasstrom zugeführte Kraftstoffmenge M_R, die besonders empfindlich vom Alterungszustand des NO_x-Speicherkatalysators 5 abhängt. Aus dem Wert des Integrals I kann somit besonders zuverlässig auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 5 geschlossen werden.
Dies ist auch aus den 4 und 5 ersichtlich, worin die in einer Regenerationsphase bis zum Durchbruch dem Abgasstrom zugeführte, aus dem Integral I ermittelte Kraftstoffmenge M_R (4) bzw. die vom Startzeitpunkt t₁ bis zum Durchbruchszeitpunkt t₂ verstrichene Zeit ∆t (5) jeweils über der Temperatur T für unterschiedliche Alterungszustände des NO_x-Speicherkatalysators 5 dargestellt ist, wobei hier der Schwellwert λ_S = 0,96 ist. Die angegebene Temperatur T ist dabei die Temperatur in einem Eintrittsabschnitt des NO_x-Speicherkatalysators, die durch einen dort oder stromaufwärts desselben angeordneten Temperatursensor erfasst werden kann. Die unterschiedlichen Alterungszustände sind, wie jeweils links oben in 4 und 5 angedeutet, durch eine vorangegangene Erwärmung des NO_x-Speicherkatalysators 5 für jeweils einen Zeitraum von zehn Stunden auf unterschiedliche hohe Temperaturen, nämlich auf 650 ºC, 850 ºC oder 950 ºC, erzeugt worden. Die durch Punkte dargestellten Messwerte für die Kraftstoffmenge M_R bzw. den Zeitabstand ∆t, die einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen umfassen, gruppieren sich bei Temperaturen oberhalb von ca. 200 ºC, insbesondere oberhalb von ca. 250 ºC, für die unterschiedlichen Alterungszustände in unterschiedlichen Bereichen. So liegen die Messwerte für einen NO_x-Speicherkatalysator mit der geringsten Alterung (Alterung bei 650 ºC) bei einer jeweiligen Temperatur T jeweils in einem oberen Bereich, die für einen mittleren Alterungszustand (bei 850 ºC) in einem mittleren Bereich und die Messwerte bei der höchsten Alterung (bei 950 ºC) in einem unteren Bereich.
Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, ist somit durch Erfassung des Integrals I, woraus sich die bis zum Durchbruch zugeführte Menge M_R des Reduktionsmittels bzw. des Kraftstoffs ermitteln lässt, sowie durch Erfassung des Zeitabstands ∆t zwischen dem Startzeitpunkt t₁ und dem Durchbruchszeitpunkt t₂ ein Rückschluss auf den Alterungszustand des NO_x-Speicherkatalysators 5 möglich, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von ca. 200–250 ºC. Hierdurch kann eine zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 5 auch bei Betriebsbedingungen ermöglicht werden, bei denen mit bekannten Verfahren keine derartige Überwachung möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Auspuffkrümmer
3: Abgasnachbehandlungsanlage
4: Abgasstrang
5: NO_x-Speicherkatalysator
6: Lambdasonde
7: Lambdasonde
8: Kurve
9: Kurve
I: Integral
t₁: Durchbruchszeitpunkt
t₂: Startzeitpunkt
∆t: Zeitabstand
λ₂: Luftverhältnis
λ₁: Luftverhältnis
λ_S: Schwellwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1936140 A1 [0004]
DE 102012218728 A1 [0005, 0025]
KR 1020110063140 A [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Abgasnachbehandlungsanlage (3) eines für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotors (1), die einen NO_x-Speicherkatalysator (5) umfasst, wobei in einer Regenerationsphase im NO_x-Speicherkatalysator (5) gespeicherte Stickoxide durch Zuführung eines Reduktionsmittels reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regenerationsphase stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators (5) ein erstes Luftverhältnis (λ₁) erfasst, ein Durchbruchszeitpunkt (t₂), zu dem das erste Luftverhältnis (λ₁) einen vorbestimmbaren Schwellwert (λ_S) unterschreitet, ermittelt und aus mindestens einer vom Durchbruchszeitpunkt (t₂) abhängigen charakteristischen Größe auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (5) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine charakteristische Größe der Zeitabstand (∆t) zwischen einem Startzeitpunkt (t₁) der Regenerationsphase und dem Durchbruchszeitpunkt (t₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine charakteristische Größe die von einem Startzeitpunkt (t₁) der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt (t₂) zugeführte Reduktionsmittelmenge ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators (5) ein zweites Luftverhältnis (λ₂) erfasst wird und dass die vom Startzeitpunkt (t₁) bis zum Durchbruchszeitpunkt (t₂) zugeführte Reduktionsmittelmenge mittels des Integrals (I) der Differenz (∆λ) zwischen dem zweiten Luftverhältnis (λ₂) und dem ersten Luftverhältnis (λ₁) vom Startzeitpunkt (t₁) der Regenerationsphase bis zum Durchbruchszeitpunkt (t₂) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators (5) ein zweites Luftverhältnis (λ₂) erfasst wird und dass der Startzeitpunkt (t₁) der Zeitpunkt ist, zu dem das zweite Luftverhältnis (λ₂) den vorbestimmbaren Schwellwert (λ_S) unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Luftverhältnis (λ₂) mittels mindestens eines zweiten Sauerstoffsensors, der stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysators (5) angeordnet ist, erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Luftverhältnis (λ₂) aus einem Luftmassenstrom und Daten der Motorsteuerung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Luftverhältnis (λ₁) mittels eines ersten Sauerstoffsensors erfasst wird, der stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators (5) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) eine Niederdruckabgasrückführung aufweist und dass der mindestens eine erste Sauerstoffsensor in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittelschlupfverhältnis des NO_x-Speicherkatalysators (5) erfasst wird und aus dem erfassten Reduktionsmittelschlupfverhältnis auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (5) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators (5) erfasst wird und dass in einem niedrigeren Temperaturbereich aus dem Reduktionsmittelschlupfverhältnis und in einem höheren Temperaturbereich aus der mindestens einen vom Durchbruchszeitpunkt (t₂) abhängigen charakteristischen Größe auf die Funktionsfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (5) geschlossen wird.
Steuerungseinrichtung für eine Abgasnachbehandlungsanlage (3) eines für einen Magerbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotors (1), wobei die Abgasnachbehandlungsanlage (3) einen NO_x-Speicherkatalysator (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung der Abgasnachbehandlungsanlage (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.