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DE19607151C1 - Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators

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DE19607151C1
DE19607151C1 DE1996107151 DE19607151A DE19607151C1 DE 19607151 C1 DE19607151 C1 DE 19607151C1 DE 1996107151 DE1996107151 DE 1996107151 DE 19607151 A DE19607151 A DE 19607151A DE 19607151 C1 DE19607151 C1 DE 19607151C1
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Willibald Dipl Ing Dr Schuerz
Erwin Dipl Ing Dr Achleitner
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Continental Automotive GmbH
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Siemens AG
Siemens Corp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
NOx-Speicherkatalysatoren werden verwendet, um bei Motorkon­ zepten mit magerer Verbrennung die geforderten Abgasgrenzwer­ te einhalten zu können. Die NOx-Speicherkatalysatoren absor­ bieren die bei magerer Verbrennung erzeugten NOx-Verbin­ dungen. Da jedoch die Speicherkapazität eines NOx-Speicher­ katalysators begrenzt ist, ist es notwendig eine bedarfsge­ rechte Regeneration des Speicherkatalysators durchzuführen. Dies erfolgt durch kurzzeitiges Betreiben des Motors mit ei­ nem fetten Gemisch, wodurch die gespeicherten NOx-Verbin­ dungen im Katalysator abgebaut werden.
Aus der EP 0 597 106 A1 ist bereits ein Verfahren zur Regene­ ration eines NOx-Speicherkatalysators bekannt, bei dem die vom Speicherkatalysator absorbierte Menge an NOx-Verbindungen in Abhängigkeit von der angesaugten Luft und der Motorlast berechnet wird. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenz­ menge von im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten NOx-Ver­ bindungen wird der Brennkraftmaschine ein fettes Gemisch zur Regeneration des Speicherkatalysators zugeführt. Auf diese Weise ist jedoch ein zuverlässiges Einhalten der Abgasgrenz­ werte nicht gewährleistet.
DE 195 11 548 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators, bei dem die Regenerationspha­ se gestartet wird, wenn die vom NOx-Speicherkatalysator aus­ gegebene Menge an NOx-Verbindungen über einen vorgegebenen Grenzwert liegt. Die NOx-Verbindungen werden mit einem Sensor im Abgasstrom nach dem NOx-Speicherkatalysator gemessen. Bei der Regenerationsphase wird der Brennkraftmaschine ein Kraft­ stoffgemisch zugeführt, das einer Luftzahl < 1 vor dem NOx- Speicherkatalysator entspricht.
Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein Verfahren zur Re­ generation eines NOx-Speicherkatalysators zur Verfügung zu stellen, das eine sichere Einhaltung der Abgasgrenzwerte ge­ währleistet und eine verbesserte, bedarfsgerechte Regenerati­ on des NOx-Speicherkatalysators ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung be­ ruht darin, daß die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in Abhängigkeit vom NOx-Ausstoß gestartet wird. Auf diese Weise ist eine sichere Einhaltung der Abgasgrenzwerte gewähr­ leistet.
Vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 ein Verfahren zur Bestimmung des NOx-Ausstoßes und
Fig. 4 ein Verfahren zur Bestimmung der Beladung des Spei­ cherkatalysators.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Eine Brennkraftmaschine 2 ist mit einem Ansaugtrakt 1 und einem Abgastrakt 3 verbunden. Im An­ saugtrakt 1 ist ein Temperaturfühler 9 und eine Lastmeßein­ richtung 11, beispielsweise ein Luftmassenmesser oder ein Druckmesser, angeordnet. Die Brennkraftmaschine 2 umfaßt eine Einspritzanlage mit einer Ventilanordnung und einen Kühl­ kreislauf. Der Abgastrakt 3 führt zu einem NOx-Speicher­ katalysator 4, an dem ein Temperatursensor 13 angeschlossen ist. Der NOx-Speicherkatalysator 4 wird im folgenden kurz als Speicherkatalysator 4 bezeichnet. Weiterhin ist ein Steuerge­ rät 5 mit einem Speicher 6 dargestellt, wobei das Steuergerät 5 über eine Lastmeßleitung 12 mit der Lastmeßeinrichtung 11, über eine Temperaturmeßleitung 10 mit dem Temperaturfühler 9, über eine Daten- und Steuerleitung 8 mit der Brennkraftma­ schine 2 und über eine Meßleitung 7 mit dem Temperatursensor 13 verbunden ist. Zudem ist eine Lambdasonde 14 in den Ab­ gastrakt 3 vor dem Speicherkatalysator 4 eingebracht und über eine zweite Meßleitung 15 mit dem Steuergerät 5 verbunden.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung der NOx-Rohemission NR. Das Steuergerät 5 überprüft bei Programm­ punkt 20 vorzugsweise eine oder mehrere Startbedingungen, be­ vor weitere Berechnungen erfolgen. Dabei wird zuerst über­ prüft, ob sich die Brennkraftmaschine im Betriebszustand "Start" befindet. Ist dies der Fall, so wird keine weitere Berechnung durchgeführt, sondern abgewartet, bis die Brenn­ kraftmaschine 2 den Betriebszustand "Start" verlassen hat. Weiterhin wird überprüft, ob eine Nachstartsteuerung der Brennkraftmaschine 2 vorliegt. Ist dies der Fall, wird mit weiteren Berechnungen so lange gewartet, bis die Nachstart­ steuerung beendet ist. Zudem wird noch überprüft, ob die Ka­ talysatortemperatur KT größer als ein vorgegebener Mindest­ wert ist. Ist dies der Fall, so wird noch überprüft, ob die Luftzahl im Abgas vor dem Katalysator einen Wert größer als 1 aufweist. Sind die genannten Bedingungen erfüllt, so wird nach Programmpunkt 21 verzweigt. In einer einfachen Ausfüh­ rung kann auch auf die bei Programmpunkt 20 abgefragten Be­ dingungen verzichtet werden.
Bei Programmpunkt 21 wird die Berechnung der NOx-Rohemission NR oder der korrigierten NOx-Rohemission NRK durchgeführt. Dies wird anhand eines Unterprogrammes, das in Fig. 3 darge­ stellt ist, ausgeführt.
Nach Programmpunkt 21 folgt bei Programmpunkt 22 die Abfrage, ob die NOx-Emission NA, die den Speicherkatalysator 4 ver­ läßt, größer als ein vorgegebener Grenzwert NE ist. Ist dies der Fall, so wird nach Programmpunkt 23 verzweigt. Die NOx- Emission NA wird nach folgender Formel berechnet:
NA (n) = NRK (n) · TA · (1-KEK(n)) · (1-NO),
wobei NRK die korrigierte Rohemission, TA das vorgegebene Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten n und n+1, KEK den korrigierten Speicherwirkungsgrad, und NO einen Korrekturfak­ tor darstellt, der den Anteil der NOx-Emissionen berücksich­ tigt, der durch den Speicherkatalysator 4 chemisch reduziert wird. In einer einfachen Ausbildung der Erfindung wird an­ stelle der korrigierten NOx-Rohemission NRK die NOx-Roh­ emission NR verwendet werden.
Nach Berechnung der NOx-Emission NA(n) erfolgt die Abfrage, ob die NOx-Emission NA(n) den Grenzwert NG überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so wird nach Programmpunkt 20 zurückver­ zweigt. Überschreitet jedoch die NOx-Emission NA(n) den Grenzwert NG, so wird bei Programmpunkt 23 die Regeneration des Speicherkatalysators 4 eingeleitet, in der der Brenn­ kraftmaschine 2 ein Kraftstoff/Luftgemisch zugeführt wird, das im Abgastrakt 3 vor dem Speicherkatalysator 4 zu einer Luftzahl kleiner als 1 führt. Anschließend wird zu Programm­ punkt 20 zurückverzweigt.
Fig. 3 zeigt einzelne Schritte des Programmpunktes 21 zur Berechnung der NOx-Rohemission NR. Bei Programmpunkt 30 er­ folgt die Abfrage, ob die im Abgastrakt 3 vor dem Speicherka­ talysator 4 gemessene Luftzahl λ größer als ein vorgegebener Startwert LS, beispielsweise 1,0 ist. Ist dies nicht der Fall, so wird nach Programmpunkt 20 zurückverzweigt. Ergibt jedoch die Abfrage bei Programmpunkt 30, daß die Luftzahl λ größer als der vorgegebene Startwert LS ist, so wird bei Pro­ grammpunkt 31 aus einem last- und drehzahlabhängigen ersten Kennfeld die NOx-Rohemissionsmasse NR ausgelesen. Das erste Kennfeld ist im Speicher 6 abgelegt. In einer einfachen Aus­ führung der Erfindung kann nach der Abarbeitung des Programm­ punktes 31 zu Programmpunkt 22 zurückverzweigt werden. Eine Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch da­ durch erreicht, daß mindestens einer der Programmschritte 32, 33, 34 oder 35 durchgeführt wird.
Bei Programmpunkt 32 wird ein Zündwinkelkorrekturfaktor KZ für eine Korrektur der NOx-Rohemissionsmasse NR, unter Be­ rücksichtigung des Parameters Zündwinkel berechnet. Dazu wird zuerst aus dem Speicher 6 aus einem zweiten Kennfeld, das in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl einen Sollzündwin­ kel ZS enthält, entsprechend der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 der vorgegebene Sollzündwinkel ausgele­ sen und der aktuelle Zündwinkel ZG wird gemessen. Zudem wird aus einem dritten Kennfeld in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 ein Korrekturfaktor KF aus dem Speicher 6 ausgelesen. Anschließend wird der Zündwin­ kelkorrekturfaktor KZ nach folgender Formel berechnet:
KZ = 1+KF · (ZG - ZS)
Anschließend wird nach Programmpunkt 36 oder nach Programm­ punkt 33 verzweigt.
Bei Programmpunkt 33 wird ein Luftzahlkorrekturfaktor KL für eine Korrektur der NOx-Rohemission NR ermittelt, bei dem die Luftzahl λ berücksichtigt wird. Dazu wird aus einem vierten Kennfeld in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl eine entsprechend der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 vorgegeben Solluftzahl LS ausgelesen. Zudem wird die tat­ sächliche Luftzahl LG gemessen. Anschließend wird eine Diffe­ renzluftzahl LD nach folgender Formel berechnet:
LD = LS - LG
Anhand der Differenzluftzahl LD und der Motorlast ML wird aus einem fünften Kennfeld im Speicher 6 ein Luftzahlkorrektur­ faktor KL ausgelesen.
Anschließend wird entweder nach Programmpunkt 36 oder nach Programmpunkt 34 verzweigt.
Bei Programmpunkt 34 wird ein Temperaturkorrekturfaktor FT berechnet, bei dem die Kühlwassertemperatur TL und die An­ sauglufttemperatur TA berücksichtigt werden. Anhand der Kühl­ wassertemperatur TL und der Ansauglufttemperatur TA wird aus einem sechsten Kennfeld, das im Speicher 6 abgelegt ist, ein Temperaturkorrekturfaktor FT ausgelesen. Anschließend wird nach Programmpunkt 36 oder nach Programmpunkt 35 verzweigt.
Bei Programmpunkt 35 wird ein Korrekturfaktor für die Ventil­ überschneidung für eine Korrektur der NOx-Rohemission NR un­ ter Berücksichtigung der Ventilüberschneidung bei der Ein­ spritzung berechnet. Dazu wird aus einem siebten Kennfeld, das im Speicher 6 abgelegt ist, ein Sollwert VS in Abhängig­ keit von der Last und der Drehzahl für die Ventilüberschnei­ dung ausgelesen und die Differenz zu einem gemessenen Wert VG für die Ventilüberschneidung berechnet. Aus der Differenz VD = VS - VG wird aus einem achten Kennfeld in Abhängigkeit von der Motorlast ML und der Differenz VD der Ventilüberschnei­ dung eine Korrekturfaktor KV für die Ventilüberschneidung ausgelesen. Anschließend wird nach Programmpunkt 36 ver­ zweigt.
Bei Programmpunkt 36 wird die Korrektur der NOx-Rohemission NR durchgeführt. In Abhängigkeit von den durchgeführten Pro­ grammpunkten 32-35 werden die darin berechneten Korrektur­ faktoren berücksichtigt.
Werden alle in Fig. 3 dargestellten Programmpunkte durchge­ führt, so ergibt sich für die korrigierte NOx-Rohemission NRK folgender Wert:
NRK = NR · KZ · KL · FT · KV.
Ein Fachmann wird bei der Berechnung der korrigierten NOx- Rohemission NRK die Anzahl der zu berücksichtigenden Korrek­ turfaktoren entsprechend den Gegebenheiten wählen, so daß in einfachen Verfahren die NOx-Rohemission z. B. nur mit Tempera­ turkorrekturfaktor KT korrigiert wird, so daß sich für die korrigierte NOx-Rohemission NRK folgende Berechnung ergibt:
NRK = NR · KT.
Nach der Berechnung der korrigierten NOx-Rohemission NRK wird nach Programmpunkt 22 zurückverzweigt.
In Fig. 4 ist schematisch die Berechnung des Beladungszu­ standes des Speicherkatalysators 4 dargestellt, der vorzugs­ weise als Startbedingung für eine Regenerationsphase für den Speicherkatalysator 4 verwendet wird. Bei Programmpunkt 40 berechnet das Steuergerät 5 den Speicherwirkungsgrad KE des Speicherkatalysators 4. Der Speicherwirkungsgrad KE wird in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmasse LM und dem Bela­ dungsgrad KB des Speicherkatalysators aus einem neunten Kenn­ feld im Speicher 6 ausgelesen. Der Beladungsgrad KB des Spei­ cherkatalysators berechnet sich aus der aktuellen Beladung KA bezogen auf die Speicherkapazität KS des Speicherkatalysators 4 durch folgende Formel: KB = KA/KS.
Die Speicherkapazität KS wird aus einem zehnten Kennfeld im Speicher 6 ausgelesen, das von der Katalysatortemperatur KT und der bereits erfolgten Anzahl von Regenerationsphasen SZ abhängt. Die Regenerationsphasen, bei denen dem Speicherkata­ lysators 4 fettes Gemisch zugeführt wird, um die NOx-Spei­ cherung abzubauen, werden vom Steuergerät 5 gezählt und im Speicher 6 als Regenerationszahl abgelegt.
Der Speicherwirkungsgrad KE wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur KT und in Abhängigkeit von den bereits erfolgten Ladezyklen SZ korrigiert, wobei aus einem elften Kennfeld, das von den bereits erfolgten Ladezyklen SZ und der Katalysatortemperatur KT abhängt, ein Korrekturwert KS ausgelesen und der Speicherwirkungsgrad KE damit multipli­ ziert wird:
KEK = KE · KS,
wobei KEK den korrigierten Speicherwirkungsgrad darstellt.
Anschließend wird bei Programmpunkt 41 die aktuelle Beladung KA des Speicherkatalysators 4 nach folgender Formel berech­ net:
KA (n) = KA (n + NRK (n) · TA · KEK (n) · 1(1-NO),
wobei mit KA (n) die Beladung zum Zeitpunkt n, mit KA (n-1) die Beladung zu dem Zeitpunkt n-1, mit NRK die korrigierte NOx-Rohemission, mit TA der Zeitabstand zwischen zwei Berech­ nungszeitpunkten n und n-1, mit KEK der korrigierte Speicher­ wirkungsgrad und mit NO ein Korrekturfaktor bezeichnet ist, der den Anteil der NOx-Emissionen, die durch den Speicherka­ talysator 4 chemisch reduziert werden, berücksichtigt.
Anschließend erfolgt bei Programmpunkt 42 die Abfrage, ob die aktuelle Beladung KA größer als eine vorgegebene Mindestbela­ dung KAM ist. Ist dies der Fall, so wird bei Programmpunkt 43 eine Regenerationsphase für den NOx-Speicherkatalysator 4 ge­ startet. Ist dies nicht der Fall, so wird nach Programmpunkt 40 zurückverzweigt. Nach Durchführung der Regenerationsphase wird von Programmpunkt 43 nach Programmpunkt 40 zurückver­ zweigt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung beruht darin, eine Beladungsermittlung des Speicherkatalysators 4 während einer Regenerationsphase durchzuführen, um die Regenerati­ onsphase rechtzeitig abzubrechen. Während der Regenerati­ onsphase wird die Beladung des Speicherkatalysators 4 um ei­ nen Wert KD dekrementiert und die Regenerationsphase wird be­ endet, wenn die Katalysatorbeladung KA unter einen vorgegebe­ nen Schwellwert fällt. Das Dekrement wird aus einem zwölften Kennfeld ausgelesen, das von der Ansaugluftmasse LM und der vor dem Speicherkatalysator 4 im Abgastrakt 3 gemessenen Luftzahl LG abhängt. Die aktuelle Katalysatorbeladung wird in festgelegten Zeitabständen wie folgt berechnet:
KA (n) = KA (n-1) - KD,
wobei KD das aus dem Kennfeld ausgelesene Dekrement, KA (n) die Beladung zum Zeitpunkt n und KA(n-1) die Beladung zum Zeitpunkt n-1 darstellt.
In dem Speicher 6 ist ein Speicherfeld vorgesehen, in dem die Anzahl der bisher abgelaufenen Regenerationsphasen gezählt und nichtflüchtig als Regenerationszahl abgespeichert werden. Um jedoch den Austausch eines Speicherkatalysators 4 zu be­ rücksichtigen, ist im Speicher 6 ein Bit vorgesehen, das mit Null oder Eins belegt werden kann, wobei bei einer Belegung mit Null die Regenerationszahl auf Null festgelegt wird und die Regenerationsphasen von Null ausgehend wieder hochgezählt werden.
Eine genauere Zählung der Regenerationsphasen wird dadurch erreicht, daß auch die Regenerationsphasen mitgezählt werden, die durch ein fettes Kraftstoffgemisch bei Instationärbe­ trieb, d. h. z. B. bei Beschleunigung, durchgeführt werden.
Die Regenerationsphasen werden beispielsweise mit der Lam­ dasonde 14 im Abgastrakt 3 vor dem Speicherkatalysator 4 de­ tektiert (λ<1) und von dem Steuergerät 5 gezählt und als Re­ generationszahl im Speicher 6 abgespeichert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators (4), bei dem abhängig von einem Betriebszustand des NOx- Speicherkatalysators (4) eine Regenerationsphase gestartet wird, bei, der ein Kraftstoffgemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, das einer Luftzahl kleiner als 1 vor dem NOx- Speicherkatalysator (4) entspricht, wobei der Betriebszustand mindestens einer Grenzmenge von NOx-Verbindungen entspricht, die vom NOx-Speicherkatalysator (4) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom NOx-Speicherkatalysator (4) abgegebene Menge an NOx-Verbindungen aus mindestens einem Kennfeld ermittelt wird, das von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraft­ maschine (1) abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand mindestens einer Grenzspeicherung von NOx-Verbindungen im NOx-Speicherkatalysator (4) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgegebene Menge an NOx-Verbindungen in Abhängigkeit vom Zündwinkel und oder von der Luftzahl und/oder von der Kühlwassertemperatur und/oder von der Ansauglufttemperatur und/oder von einer Ventilüberschneidung korrigiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wert für die Grenzspeicherung der Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators (4) in Abhängigkeit vom Spei­ cherwirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators (4) berechnet wird, wobei der Speicherwirkungsgrad abhängig von der Anzahl der bereits durchgeführten Regenerationsphasen korrigiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators (4) während der Regenerationsphase überprüft wird und die Regene­ rationsphase unterbrochen wird, wenn der Beladungszustand un­ ter eine vorgegebene Mindestbeladung fällt.
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