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DE19923498A1 - Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators

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DE19923498A1
DE19923498A1 DE19923498A DE19923498A DE19923498A1 DE 19923498 A1 DE19923498 A1 DE 19923498A1 DE 19923498 A DE19923498 A DE 19923498A DE 19923498 A DE19923498 A DE 19923498A DE 19923498 A1 DE19923498 A1 DE 19923498A1
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Ekkehard Pott
Axel Koenig
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO¶x¶-Speicherkatalysator, wobei durch einen stromab des NO¶x¶-Speicherkatalysators angeordneten NO¶x¶-Sensor eine NO¶x¶-Konzentration eines Abgases erfaßt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß DOLLAR A (a) die gemessene NO¶x¶-Konzentration nach dem Speicherkatalysator mit einer NO¶x¶-Sollkonzentration verglichen wird und entsprechend einer Abweichung dieser NO¶x¶-Konzentration von der NO¶x¶-Sollkonzentration ein Vergleichswert bestimmt wird, DOLLAR A (b) beim Überschreiten des Vergleichswertes über einen vorgebbaren Schwellenwert eine Regenerationsmaßnahme ergriffen wird, bei der wenigstens ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (14) zumindest temporär beeinflußt wird und DOLLAR A (c) die Regenerationsmaßnahme in Abhängigkeit von einer gegebenenfalls zuvor durchgeführten Regenerationsmaßnahme ausgewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx- Speicherkatalysator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe von geeigneten Katalysatoren, die in dem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordnet werden, zu reinigen. Während eines Verbrennungsvorgangs entstehen gasförmige Schadstoffe, die sich in Reduktionsmittel wie CO, HC oder H2 oder in Oxidationsmittel wie NOx oder SOx einteilen fassen. Die Reduktionsmittel werden an dem Katalysator mit Sauerstoff oxidiert, während die Oxidationsmittel mit den Reduktionsmitteln umgesetzt werden.
Die Verbrennungskraftmaschine kann dabei unter verschiedenen Arbeitsmodi betrieben werden. Besteht dabei ein Überschuß von Sauerstoff gegenüber einem Kraftstoff in dem zu verbrennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch, so ist λ < 1 (magerer Arbeitsmodus). Unter stöchiometrischen Bedingungen ist λ = 1, während in einem Überschuß von Kraftstoff gegenüber Sauerstoff der Lambdawert kleiner 1 ist (fetter Arbeitsmodus). In dem fetten Arbeitsmodus entstehen durch eine unvollständige Verbrennung vermehrt Reduktionsmittel, wohingegen ihr Anteil am Abgas in magerer Atmosphäre deutlich sinkt. Dennoch ist bei ausreichender Sauerstoffkonzentration auch unter fetter Atmosphäre eine zumindest teilweise Umsetzung der Reduktionsmittel an dem Katalysator möglich.
Demgegenüber ist die Reduktion von NOx oder SOx in einem ausreichenden Maße lediglich bei λ ≦ 1 möglich. Um eine NOx-Emission trotzdem möglichst gering zu halten, ist bekannt, in dem Abgaskanal einen NOx-Speicher anzuordnen, der auch mit dem Katalysator zu einem NOx-Speicherkatalysator zusammengefaßt werden kann. Der NOx-Speicherkatalysator absorbiert bei λ < 1 das NOx als Nitrat, und zwar so lange, bis eine NOx-Desorptionstemperatur und/oder eine NOx-Speicherkapazität überschritten wird.
Es ist daher bekannt, den NOx-Speicherkatalysator in regelmäßigen Zyklen zu regenerieren (NOx-Regeneration). Während der NOx-Regeneration erfolgt kurzfristig ein Wechsel in einen Arbeitsmodus mit λ ≦ 1. Unter solchen Bedingungen wird das eingelagerte NOx wieder desorbiert und an dem Katalysator mit den Reduktionsmitteln reduziert.
Im Zuge eines Betriebs des NOx-Speicherkatalysators können allerdings verschiedenartige Schädigungen seine Funktionalität hinsichtlich NOx-Speicherfähigkeit und katalytischer Aktivität beeinträchtigen. Derartige Schädigungen können sowohl den Katalysator als auch den Speicher betreffen und sind ihrer Natur nach entweder reversibel oder irreversibel.
Eine reversible Schädigung kann beispielsweise durch eine Belegung des Katalysators mit einem Kondensat oder Ruß erfolgen. Daneben wird bei einer Verbrennung schwefelhaltigen Kraftstoffs SOx gebildet, das ebenso wie NOx von dem Speicher absorbiert wird. Eine Einlagerung des SOx als Sulfat führt unter anderem zu einer Minderung der NOx-Speicherkapazität, kann aber auch langfristig, beispielsweise durch Sulfitbildung, zu einer Schädigung des Katalysators führen. Daneben kann eine Sulfatkornbildung bei der Absorption zu Verspannungen innerhalb der Struktur eines NOx-Speicherkatalysators führen, die eine irreversible Schädigung des NOx- Speicherkatalysators nach sich ziehen können.
Es ist daher bekannt, in Abhängigkeit von einer Entschwefelungsnotwendigkeit den NOx-Speicherkatalysator zu entschwefeln (SOx-Regeneration). Aufgrund einer höheren thermodynamischen Stabilität des Sulfats gegenüber dem Nitrat sind hierfür jedoch höhere Temperaturen notwendig. Die Entschwefelungsnotwendigkeit kann anhand von einen aktuellen Katalysatorzustand kennzeichnenden Parametern, wie einen Verschwefelungsgrad, einen aktuellen Lambdawert oder einer Katalysatortemperatur, festgelegt werden. Der Verschwefelungsgrad läßt sich beispielsweise in Abhängigkeit von einer NOx-Konzentration stromab des NOx-Speicherkatalysators bestimmen. Zur Erfassung der NOx-Konzentration eignen sich komponentenspezifische Sensoren, wie NOx-Sensoren.
Im allgemeinen liegt ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine im fetten Arbeitsmodus über dem des mageren Arbeitsmodus. Hierdurch und durch ein gegebenenfalls zusätzliches Aufheizen des Abgases besteht damit während der NOx- oder SOx-Regeneration ein erhöhter Kraftstoffverbrauch. Im Zuge fortschreitender Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen zu senken, ist daher ein möglichst langer Betrieb mit λ < 1 erwünscht.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist eine mangelhafte Koordination einer Abfolge einzelner Regenerationsmaßnahmen. Infolgedessen kann es zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch kommen, und es ist nicht möglich, die Regenerationsmaßnahme entsprechend einem aktuellen Katalysatorzustand auszuwählen.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Funktionalität des NOx- Speicherkatalysators hinsichtlich der NOx-Speicherfähigkeit und der katalytischen Aktivität laufend zu überwachen und die Regenerationsmaßnahme dem aktuellen Katalysatorzustand anzupassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß
  • a) die gemessene NOx-Konzentration nach dem Speicherkatalysator mit einer NOx- Sollkonzentration verglichen wird und entsprechend einer Abweichung dieser NOx-Konzentration von der NOx-Sollkonzentration ein Vergleichswert bestimmt wird,
  • b) beim Überschreiten des Vergleichswertes über einen vorgebbaren Schwellenwert eine Regenerationsmaßnahme ergriffen wird, bei der wenigstens ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine zumindest temporär beeinflußt wird und
  • c) die Regenerationsmaßnahme in Abhängigkeit von einer gegebenenfalls zuvor durchgeführten Regenerationsmaßnahme ausgewählt wird,
ist es möglich, den Ablauf aufeinanderfolgender Regenerationsmaßnahmen zu koordinieren und dem aktuellen Katalysatorzustand anzupassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Vergleichswert während oder nach der Regenerationsmaßnahme erneut bestimmt. Beim Überschreiten des Vergleichswertes wird zumindest eine weitere Regenerationsmaßnahme ergriffen. Daneben ist es denkbar, in Abhängigkeit von dem Vergleichswert einen Gehalt des Abgases an Reduktionsmitteln während der NOx- oder SOx-Regeneration zu variieren. Hierdurch kann in einfacher Weise der aktuelle Katalysatorzustand berücksichtigt werden.
Ferner ist vorteilhaft, daß beim Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert während der NOx-Regeneration, also in fetter oder stöchiometrischer Atmosphäre, anschließend eine Regenerationsmaßnahme ergriffen wird, die zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt, ohne dabei in den mageren Arbeitsmodus zu wechseln. Liegt weiterhin der Vergleichswert über dem Schwellenwert, so ist die Katalysatorkomponente des NOx-Speicherkatalysators beschädigt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Vergleichswert nach einem Wechsel in magerer Atmosphäre zu erfassen. Ausgehend von einer ersten NOx-Regeneration wird nach jeder Regenerationsmaßnahme wiederum überprüft, ob der Vergleichswert über dem Schwellenwert liegt und gegebenenfalls eine weitere Regenerationsmaßnahme ergriffen. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, der ersten NOx-Regeneration zunächst eine erneute NOx-Regeneration und dann eine Erhöhung der Abgastemperatur folgen zu lassen. Liegt weiterhin ein zu hoher Vergleichswert vor, so kann die SOx-Regeneration eingeleitet werden, die gegebenenfalls wiederholt wird. Liegt der Vergleichswert auch nach der erneuten SOx-Regeneration über dem Schwellenwert, so ist der NOx-Speicherkatalysator mit hoher Wahrscheinlichkeit irreversibel geschädigt.
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:
Fig. 1 eine Anordnung eines Katalysatorsystems in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Steuerung einer Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators in einem fetten Arbeitsmodus und Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine Steuerung einer Regeneration eines Nox-Speicherkatalysators in einem mageren Arbeitsmodus.
In der Fig. 1 ist in schematischer Weise eine Anordnung eines Katalysatorsystems 10 in einem Abgaskanal 12 einer Verbrennungskraftmaschine 14 dargestellt. Das Katalysatorsystem 10 umfaßt einen NOx-Speicherkatalysator 16 und einen Vorkatalysator 18 sowie die Temperatursensoren 22.
Ferner sind dem Katalysatorsystem 10 Gassensoren 19, 20, 21 zugeordnet, die einen Gasgehalt einer Gaskomponente am Abgas erfassen können. Geeignet sind beispielsweise Lambdasonden oder komponentenspezifische Sensoren. Dabei ermöglicht der Gassensor 21 zumindest eine Erfassung einer NOx-Konzentration und ist somit ein NOx-Sensor.
Ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 14 kann mittels eines Motorsteuergerätes 24 geregelt werden. Wird beispielsweise ein Arbeitsmodus mit λ < 1 (fette Atmosphäre) gewünscht, so muß eine Sauerstoffkonzentration in einem Saugrohr 26 vor einer Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches gesenkt werden. Damit erhöht sich gleichzeitig ein Gehalt an Reduktionsmitteln wie CO, HC und H2 im Abgas im Vergleich zu einem Gehalt an Sauerstoff. Beispielsweise kann ein solcher Arbeitsmodus durch eine Reduzierung eines Volumenstroms angesaugter Luft mittels einer Drosselklappe 28 und durch gleichzeitige Zuführung sauerstoffarmen Abgases über ein Abgasrückflußventil 30 eingestellt werden.
Während eines Verbrennungsvorganges werden in wechselnden Anteilen gasförmige Schadstoffe, wie CO, HC, NOx oder SOx, gebildet. Die Reduduktionsmittel können durch Sauerstoff an dem Vorkatalysator 18 oxidiert werden. Bei ausreichender Sauerstoffkonzentration ist eine vollständige oder weitestgehende Umsetzung unter nahezu allen Arbeitsmodi möglich.
In einem Arbeitsmodus mit λ < 1 (magere Atmosphäre) wird neben NOx auch SOx im NOx-Speicherkatalysator 16 absorbiert, während die geringen Anteile an Reduktionsmitteln zumindest bei niedriger Raumgeschwindigkeit fast vollständig im Vorkatalysator 18 umgesetzt werden. In Abhängigkeit von einer NOx-Speicherkapazität und einer NOx-Desorptionstemperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 muß die Verbrennungskraftmaschine 14 zur NOx-Regeneration mit λ ≦ 1 betrieben werden. In einem solchen Arbeitsmodus wird das zuvor absorbierte NOx an einer katalytisch aktiven Oberfläche des NOx-Speicherkatalysators 16 reduziert.
Ebenfalls absorbiertes SOx wird in Form von Sulfat in dem NOx-Speicherkatalysator 16 eingelagert, wobei allerdings eine Reversibilität dieses Einlagerungsprozesses im Gegensatz zu der Einlagerung von NOx wesentlich höhere Temperaturen erfordert. Somit muß zur Entschwefelung eine Mindestentschwefelungstemperatur und ein Lambdawert ≦ 1 vorliegen (SOx-Regenerationsparameter). Mittels einer zumindest temporären Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine 14 kann eine Abgastemperatur erhöht werden und der NOx-Speicherkatalysator 16 auf die Mindesttemperatur aufgeheizt werden.
Mit Hilfe des Gassensors 21 wird kontinuierlich eine NOx-Konzentration in dem Abgas hinter dem NOx-Speicherkatalysator 16 erfaßt. Diese Konzentration wird mit einer NOx- Sollkonzentration verglichen und entsprechend einer Abweichung der Konzentration von der Sollkonzentration ein Vergleichswert gebildet. Überschreitet der Vergleichswert einen vorgebbaren Schwellenwert, so wird eine Regenerationsmaßnahme ergriffen. Die Regenerationsmaßnahme beinhaltet eine SOx-Regeneration (Entschwefelung), NOx- Regeneration oder eine Erhöhung der Abgastemperatur, um eine Belegung des Speicherkatalysators mit Kondensat oder Ruß zu beheben. Wichtig bei einer Auswahl der Regenerationsmaßnahme ist es, diese auf eine gegebenenfalls zuvor durchgeführte Regenerationsmaßnahme abzustimmen. Auf diese Weise können einzelne Regenerationsmaßnahmen koordiniert und so eine Steuerung der Regeneration des Speicherkatalysators 16 wesentlich effektiver durchgeführt werden. Überschreitet der Vergleichswert nach einer Ausführung der Regenerationsmaßnahme weiterhin den Schwellenwert, so wird eine weitere Regenerationsmaßnahme ausgewählt und durchgeführt.
In der Fig. 2 ist ein Blockschaltbild zur Steuerung der Regeneration des NOx- Speicherkatalysators 16 in fetter Atmosphäre dargestellt. In einer solchen Atmosphäre kann bereits eine NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 durchgeführt werden. Liegt bei einem Vergleich 40 der Vergleichswert unterhalb des Schwellenwertes, so wird keine weitere Maßnahme (42) ergriffen. Erreicht der Vergleichswert jedoch den Schwellenwert, so wird zumindest temporär ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 14 derart beeinflußt, daß die Abgastemperatur erhöht wird (Abgastemperaturerhöhung 44). Anschließend wird wiederum ein Vergleich 40 des Vergleichswertes und des Schwellenwertes durchgeführt. Übersteigt der Vergleichswert weiterhin den Schwellenwert, so kann auf eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators 16 geschlossen werden.
Neben einer Erfassung der NOx-Konzentration während der NOx-Regeneration kann dies in magerer Atmosphäre erfolgen, wie in einem Blockschaltbild gemäß Fig. 3 dargestellt. Zunächst erfolgt dabei - wie bereits erläutert - der Vergleich 40 des Vergleichswerts mit dem Schwellenwert und es wird gegebenenfalls eine NOx- Regeneration 48 als Regenerationsmaßnahme initiiert. Ist in einem anschließenden Vergleich 40 wiederum der Vergleichswert größer als der Schwellenwert, wird eine zweite NOx-Regeneration 50 eingeleitet. Nach Beendigung der zweiten NOx- Regeneration 50 werden wiederum Vergleichswert und Schwellenwert verglichen. War die Regenerationsmaßnahme erfolgreich, so werden keine weiteren Maßnahmen 42 ergriffen. Optional kann eine Anpassung 52 eines Gehaltes des Abgases an Reduktionsmitteln während der NOx-Regeneration in Abhängigkeit von dem zuvor detektierten Vergleichswert neu erfolgen, beispielsweise um kleinere irreversible Schädigungen des NOx-Speicherkatalysators 16 zu kompensieren.
Übersteigt der Vergleichswert 40 jedoch weiterhin den Schwellenwert, so wird der NOx- Speicherkatalysator 16 mit einem Abgas erhöhter Abgastemperatur (Abgastemperaturerhöhung 44) beaufschlagt. Führt auch diese Regenerationsmaßnahme nicht zu einer Herabsetzung des Vergleichswertes, wird eine erste SOx-Regeneration 54 initiiert und gegebenenfalls nachfolgend auch eine zweite SOx-Regeneration 56. Anschließend findet wieder ein Vergleich 40 des Vergleichswertes und Schwellenwertes statt. Liegt der Vergleichswert wieder unterhalb des Schwellenwertes, kann analog dem Verfahren während der NOx-Regeneration eine Anpassung eines Gehalts an Reduktionsmitteln während der SOx-Regeneration erfolgen (Anpassung 58).
Führen die gesamten ergriffenen Regenerationsmaßnahmen nicht zu einer Herabsetzung des Vergleichswertes unterhalb des Schwellenwertes, so kann auf eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators 16 geschlossen werden. Daneben ist aus der Lage des Vergleichswertes auch ein möglicher Umfang dieser Schädigung erfaßbar, von der etwaige Wartungsarbeiten abhängig gemacht werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung einer Regeneration von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx- Speicherkatalysator, wobei durch einen stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor eine NOx-Konzentration eines Abgases erfaßt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die gemessene NOx-Konzentration nach dem Speicherkatalysator mit einer NOx-Sollkonzentration verglichen wird und entsprechend einer Abweichung dieser NOx-Konzentration von der NOx-Sollkonzentration ein Vergleichswert bestimmt wird,
  • b) beim Überschreiten des Vergleichswertes über einen vorgebbaren Schwellenwert eine Regenerationsmaßnahme ergriffen wird, bei der wenigstens ein Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (14) zumindest temporär beeinflußt wird und
  • c) die Regenerationsmaßnahme in Abhängigkeit von einer gegebenenfalls zuvor durchgeführten Regenerationsmaßnahme ausgewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während oder nach der Regenerationsmaßnahme der Vergleichswert erneut bestimmt wird und beim Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert zumindest eine weitere Regenerationsmaßnahme ergriffen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert in einem mageren Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (14) als Regenerationsmaßnahme eine NOx-Regeneration eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert in einem fetten Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine (14) als Regenerationsmaßnahme eine Abgastemperatur erhöht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim erneuten Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert als Regenerationsmaßnahme die NOx-Regeneration wiederholt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim erneuten Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert als Regenerationsmaßnahme die Abgastemperatur erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim erneuten Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert als Regenerationsmaßnahme eine Sox-Regeneration eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim erneuten Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert als Regenerationsmaßnahme die SOx-Regeneration wiederholt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem erneuten Überschreiten des Vergleichswertes über den Schwellenwert eine irreversible Schädigung des NOx-Speicherkatalysators bestimmbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Vergleichswert ein Gehalt des Reduktionsmittels im Abgas während der NOx- oder SOx-Regeneration variiert wird.
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