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EP1098694B1 - VERFAHREN ZUR REGENERATION EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS - Google Patents

VERFAHREN ZUR REGENERATION EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS Download PDF

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Publication number
EP1098694B1
EP1098694B1 EP99942726A EP99942726A EP1098694B1 EP 1098694 B1 EP1098694 B1 EP 1098694B1 EP 99942726 A EP99942726 A EP 99942726A EP 99942726 A EP99942726 A EP 99942726A EP 1098694 B1 EP1098694 B1 EP 1098694B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
regeneration
threshold value
nox
value
catalytic converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99942726A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1098694A1 (de
Inventor
Hong Zhang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1098694A1 publication Critical patent/EP1098694A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1098694B1 publication Critical patent/EP1098694B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/0842—Nitrogen oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
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    • F02D41/027—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0275—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a NOx trap or adsorbent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
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    • Y10T436/12—Condition responsive control

Definitions

  • the invention relates to a method for the regeneration of a NOx storage catalytic converter according to the preamble of the main claim.
  • NOx storage catalytic converters are used for this. Due to their coating, these NOx storage catalytic converters are able to absorb NOx compounds from the exhaust gas that arise during lean combustion during a storage phase. During a regeneration phase, the absorbed or stored NOx compounds are converted into harmless compounds with the addition of a reducing agent. CO, H 2 and HC (hydrocarbons) can be used as reducing agents for lean-burn gasoline internal combustion engines. These are generated by briefly operating the internal combustion engine with a rich mixture and made available to the NOx storage catalytic converter as exhaust gas components, as a result of which the stored NOx compounds in the catalytic converter are broken down.
  • the efficiency of such a NOx storage catalytic converter essentially depends on optimal regeneration. If the amount of regeneration agent is too small, the stored NOx is not broken down sufficiently, as a result of which the efficiency with which NOx is absorbed from the exhaust gas deteriorates. If the amount of regenerant is too high, optimal NOx conversion rates are achieved, but an inadmissibly high emission of reducing agent occurs. The optimal amount of regenerant fluctuates over the life of a vehicle. The possible cause for this can be the change in the NOx mass flow emitted by the internal combustion engine.
  • German patent application DE 197 05 335 by the same applicant is a process for triggering sulfate regeneration described for a NOx storage catalyst in which a sulfate regeneration phase at predetermined times is carried out.
  • a sulfate regeneration phase at predetermined times is carried out.
  • EP 0 597 106 A1 describes a method for regeneration a NOx storage catalytic converter is known, in which the NOx storage catalytic converter amount of NOx compounds absorbed in Dependency on operating data of the internal combustion engine is calculated becomes. When a predetermined limit is exceeded of NOx stored in the NOx storage catalytic converter becomes one Regeneration phase initiated. This way, however a reliable compliance with the exhaust emission limit values not guaranteed.
  • DE 195 11 548 A1 describes a method and a device for nitrogen oxide reduction in the exhaust gas of an internal combustion engine known.
  • the internal combustion engine can alternate in lean operation and in stoichiometric or enrichment operation be driven.
  • the nitrogen oxides are in the Lean operating phases recorded by an adsorber, which in regenerates the stoichiometric or enrichment phases becomes.
  • the content of hydrocarbons in the exhaust gas, Carbon monoxides or nitrogen oxides downstream of the nitrogen oxide adsorber is measured and then in each case to a stoichiometric or enrichment operating phase switched if the measured hydrocarbon and carbon monoxide content exceeds the specified level or if the measured nitrogen oxide content falls below a predetermined level.
  • This is a Corresponding hydrocarbon, carbon monoxide or nitrogen oxide sensor arranged in the exhaust pipe downstream of the adsorber, wherein the sensor information is a device for Controlling the fuel / air ratio.
  • US 5,554,269 describes the construction of a NOx sensor described for internal combustion engine exhaust. A Evaluation of the signal supplied by this NOx sensor for setting an optimal amount of regeneration agent for a NOx nitrogen oxide adsorber is not addressed.
  • NOx storage catalytic converter a NOx sensor is arranged downstream of the catalyst.
  • a NOx sensor is for example from N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, publ. No.970858 known.
  • the invention has for its object to provide a method with the regeneration of a NOx storage catalytic converter so that it operates with optimal efficiency becomes.
  • the amount of regenerant to be supplied to the NOx storage catalyst adapted to the optimal value.
  • Storage capacity preferably a sulfate regeneration be performed.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine in the form of a block diagram with exhaust gas aftertreatment system in which the process is applied. Only the parts and components are included shown that are necessary for understanding the invention.
  • An internal combustion engine 10 has an intake tract 11 and one Exhaust tract 12 on.
  • a fuel metering device present, of which only one injector 13 is shown schematically.
  • a NOx storage catalytic converter 15 In the exhaust tract 12 there is one Precat lambda sensor 14, a NOx storage catalytic converter 15 and a NOx sensor 16 is provided downstream thereof.
  • the NOx sensor 16 With help the pre-cat lambda sensor 14 becomes the air / fuel ratio determined in the exhaust gas upstream of the NOx storage catalytic converter 15.
  • the NOx sensor 16 is used, among other things, for checking of the NOx storage catalyst 15.
  • Operation of the internal combustion engine 10 is regulated by an operating control device 17, which has a memory 18 in which, among other things A plurality of threshold values are stored.
  • the operating control unit 17 is via a schematically represented data and control line 19 with further sensors and actuators connected.
  • the NOx sensor 16 present downstream of the NOx storage catalytic converter 15 is an amperometric sensor. It is shown in more detail in a schematic sectional illustration in FIG. 4 under reference number 34. It consists of a solid electrolyte 26, for example ZrO 2, and contains the exhaust gas to be measured via a diffusion barrier 33. The exhaust gas diffuses through the diffusion barrier 33 into a first measuring cell 20. The oxygen content in the measuring cell 20 is measured by means of a first Nernst voltage V0 between a first electrode 21 and a reference electrode 29 exposed to ambient air. The first electrode 21 can also be made in several parts or with multiple taps. Both electrodes 21, 29 are conventional platinum electrodes. The reference electrode 29 is arranged in an air duct 28, into which ambient air passes through an opening 27.
  • the measured value of the first Nernst voltage V0 is used to to set a control voltage Vp0.
  • the control voltage Vp0 drives a first oxygen ion pump current Ip0 through the Solid state electrolytes 26 between the first electrode 21 and an outer electrode 22.
  • the one with a broken line shown control intervention of the first Nernst voltage V0 to the control voltage Vp0 has the consequence that the oxygen-ion pumping current Ip0 is set so that in the first Measuring cell 20 a certain oxygen concentration or certain oxygen partial pressure is present.
  • the first measuring cell 20 is over a further diffusion barrier 23 connected to a second measuring cell 24. Through this Diffusion barrier 23 diffuses this in the first measuring cell 20 existing gas. Due to the diffusion, the second measuring cell 24 a correspondingly lower, second oxygen concentration or oxygen partial pressure. This second oxygen concentration is again via a Nernst voltage V1 between a second electrode 25, the is also a conventional platinum electrode, and the reference electrode 29 measured, and to regulate a second Oxygen ion pumping current Ip1 used. The second oxygen-ion pumping current Ip1 out of the first measuring cell 20 flows from the second electrode 25 through the solid electrolyte 26 through to the outer electrode 22. With the help of second Nernst voltage V1 becomes the second oxygen-ion pumping current Ip1 adjusted so that in the second measuring cell 24th a certain, low, second oxygen concentration is present.
  • U second measuring cell RT / (4F). (Ln P O2, ambient air - ln P 02, second measuring cell ) where P 02, ambient air / second measuring cell is the oxygen partial pressure in the ambient air or the second measuring cell.
  • This relationship describes the two-point behavior of one Lambda probe.
  • This differential voltage between the outer electrode 22 and the reference electrode 29 is used as the output signal US for the process for the regeneration of a NOx storage catalytic converter used.
  • Measurement error in the voltage in the first measuring cell 20 can advantageously be corrected.
  • advantageously Correction of the output signal US with regard to the temperature of the sensor 34 take place.
  • FIG. 2 shows the time course of the output signal US of the NOx sensor 16 during the regeneration phase of the NOx storage catalytic converter 15. Further in this illustration the course of the pre-cat lambda setpoint LAMSOLL is drawn.
  • the internal combustion engine 10 is operated lean again.
  • the output signal US is approximately 0.03 V. At the beginning During the regeneration phase, this voltage rises continuously on. The lambda value drops towards the end of the regeneration phase UL on the NOx sensor 16 downstream of the NOx storage catalytic converter 15 under 1 and the output signal US rises steeply. UL later rises back to lean values Mix and US drops again.
  • a first sum value FL1 is made with a certain frequency (e.g. 100 Hz) sampled output signal US from the beginning of the regeneration phase until a threshold value SW is exceeded (e.g. 0.25 V). This total value corresponds to that with the Reference number FL1 in Fig. 3 marked area.
  • a threshold value SW e.g. 0.25 V.
  • This total value corresponds to that with the Reference number FL1 in Fig. 3 marked area.
  • second sum value FL2 is sampled from the one with the same frequency Output signal US from exceeding the threshold SW until the threshold falls below again SW calculated.
  • This total value corresponds to that with the area marked with the reference symbol FL2 in FIG. 3.
  • faces FL1 and FL2 instead of summation also be formed through continuous integration.
  • the optimal amount of regenerant was the NOx storage catalyst 15 then supplied when the total value FL2 is greater than a threshold value SW1 and the total value FL2 between a lower threshold USW2 and an upper one Threshold value OSW2 is.
  • Step S1 the sum values or areas FL1 and FL2 calculated and buffered.
  • the memory 18 is then of the operating control device 17, the threshold value SW1 for the Sum value FL1 and the threshold values USW2 and OSW2 for the Total value FL2 read out (step S2).
  • step S3 it is checked whether the amount of regenerant supplied is optimal. This is the case if the Sum value FL1 lies above the threshold value SW1 and the sum value FL2 from the lower threshold USW2 and from the upper Threshold OSW2 limited range. Are these two Conditions are met (step S4), there is no intervention necessary, the amount of regenerant used was optimal and the process is ended (step S11).
  • step S3 it was in the regeneration phase the NOx storage catalyst 15 a non-optimal amount of regenerant fed.
  • FL1, FL2 can now be determined whether the amount of regenerant must be enlarged or reduced in order to achieve an optimal one To achieve regeneration of the NOx storage catalytic converter 15.
  • step S5 it is first checked whether the total value FL1 is above the threshold value SW1 and the total value FL2 below the lower one Threshold value USW2 lies (step S5). Is that the case, the amount of regenerant is too small and must be increased (step S11, case A).
  • the increase in the amount of regenerant can by changing the air ratio during the regeneration phase towards fat.
  • the regeneration phase can also be carried out longer be what is usually preferable since the variation of the lambda value in the regeneration phase only in narrow Limits (e.g. between 0.75 and 0.85) are possible.
  • narrow Limits e.g. between 0.75 and 0.85
  • step S7 it is checked whether the total value FL1 above the threshold SW2 and the total value FL2 above the upper threshold value OSW2 (step S7). Then the amount of regeneration agent is too large and must be reduced (Step S8, case B). The reduction in the amount of regenerant can be done analogously to the enlargement in case A. Was a smaller amount of regenerant for future use Regeneration phases of the NOx storage catalytic converter 15 are stored, the method is ended (step S11).
  • the mentioned threshold values SW, SW1, USW2, OSW2 are on determined on a test bench.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reneration eines NOx-Speicherkatalysators gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, kommen Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung immer häufiger zum Einsatz. Zur Erfüllung der geforderten Abgasemissionsgrenzwerte ist bei solchen Brennkraftmaschinen eine spezielle Abgasnachbehandlung notwendig. Dazu werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet. Diese NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschichtung während einer Speicherphase in der Lage, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu absorbieren, die bei magerer Verbrennung entstehen. Während einer Regenerationsphase werden die absorbierten bzw. gespeicherten NOx-Verbindungen unter Zugabe eines Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Als Reduktionsmittel für magerbetriebene Otto-Brennkraftmaschinen können CO, H2 und HC (Kohlenwasserstoffe) verwendet werden. Diese werden durch kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch erzeugt und dem NOx-Speicherkatalysator als Abgaskomponenten zur Verfügung gestellt, wodurch die gespeicherten NOx-Verbindungen im Katalysator abgebaut werden.
Der Wirkungsgrad eines solchen NOx-Speicherkatalysators hängt wesentlich von einer optimalen Regeneration ab. Ist die Regenerationsmittelmenge zu gering, wird das gespeicherte NOx nicht ausreichend abgebaut, wodurch sich der Wirkungsgrad, mit dem NOx aus dem Abgas absorbiert wird, verschlechtert. Ist die Regenerationsmittelmenge zu hoch, erreicht man zwar optimale NOx-Konvertierungsraten, es tritt aber eine unzulässig hohe Emission an Reduktionsmittel auf. Die optimale Regenerationsmittelmenge schwankt über die Lebensdauer eines Fahrzeuges. Die mögliche Ursache dafür kann in der Änderung des von der Brennkraftmaschine emittierten NOx-Massenstromes sein. Ein weiterer Grund liegt in der Änderung der Speicherkapazität des Katalysators, die z.B. durch Einspeicherung von Sulfat abnimmt, da im Kraftstoff vorhandener Schwefel zu SO2 verbrannt, durch den Katalysator bei Luftüberschuß zu Sulfat oxidiert und von der Beschichtung in ähnlicher Weise wie NO2 gespeichert wird. Die Bindung von Sulfat im Speicher ist jedoch wesentlich stärker. Während einer Regenerationsphase wird Sulfat jedoch nicht umgewandelt, sondern bleibt im NOx-Speicherkatalysator gebunden. Mit zunehmender Sulfateinlagerung verringert sich somit die Kapazität des NOx-Speicherkatalysators.
In der deutschen Patentanmeldung DE 197 05 335 derselben Anmelderin ist ein Verfahren zur Auslösung einer Sulfatregeneration für einen NOx-Speicherkatalysator beschrieben, bei dem in vorgegebenen Zeitpunkten eine Sulfatregenerationsphase durchgeführt wird. Bei der Auslösung der Sulfatregeneration wird neben der Menge des abgespeicherten Sulfates auch die thermische Alterung des NOx-Speicherkatalysators berücksichtigt.
Aus der EP 0 597 106 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bekannt, bei dem die vom NOx-Speicherkatalysator absorbierte Menge an NOx-Verbindungen in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine berechnet wird. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Grenzmenge von im NOx-Speicherkatalysator gespeichertem NOx wird eine Regenerationsphase eingeleitet. Auf diese Weise ist jedoch ein zuverlässiges Einhalten der Abgasemissionsgrenzwerte nicht gewährleistet.
Aus der DE 195 11 548 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stickoxidreduzierung im Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine kann dabei abwechselnd im Magerbetrieb und im stöchiometrischen oder Anreicherungsbetrieb gefahren werden. Die Stickoxide werden dabei in den Magerbetriebsphasen von einem Adsorber aufgenommen, der in den stöchiometrischen oder Anreicherungsbetriebsphasen regeneriert wird. Der Gehalt des Abgases an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxiden oder Stickoxiden stromabwärts vom Stickoxidadsorber wird gemessen und jeweils dann auf eine stöchiometrische oder Anreicherungsbetriebsphase umgeschaltet, wenn der gemessene Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt ein vorgegebenes Maß übersteigt oder wenn der gemessene Stickoxidgehalt unter ein vorgegebenes Maß absinkt. Hierzu ist ein entsprechender Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- oder Stickoxidsensor in der Abgasleitung stromabwärts vom Adsorber angeordnet, wobei die Sensorinformation eine Einrichtung zur Regelung des Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses ansteuert.
In der US 5,554,269 ist der konstruktive Aufbau eines NOx-Messaufnehmers für Brennkraftmaschinenabgase beschrieben. Eine Auswertung des von diesem NOx-Sensor gelieferten Signals zur Einstellung einer optimalen Regenerationsmittelmenge für einen NOx-Stickoxidadsorber ist nicht angesprochen.
Zur Überprüfung des NOx-Speicherkatalysators ist üblicherweise ein NOx-Meßaufnehmer stromab des Katalysators angeordnet. Ein solcher Meßaufnehmer ist beispielsweise aus N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Publ. No.970858 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators so erfolgt, daß dieser mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
In der Regenerationsphase wird ein an einem NOx-Meßaufnehmer abgegriffenes Signal ausgewertet, um festzustellen, ob die Regenerationsmittelmenge optimal war. Das dazu verwendete Signal wird an einem amperometrischen NOx-Meßaufnehmer abgegriffen. Dieses Signal gibt den Lambda-Wert bzw. die Sauerstoffkonzentration im Abgas wieder und weist Zweipunktverhalten auf, d.h. im Bereich vom Lambda = 1 ändert sich das Signal bei geringen Lambdaänderungen stark.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die dem NOx-Speicherkatalysator zuzuführende Regenerationsmittelmenge an den Optimalwert angepaßt. Da ein starkt verringerter Reduktionsmittelbedarf von einer gesunkenen Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators herrührt, kann bei zu stark abgesunkener Speicherkapazität vorzugsweise eine Sulfatregeneration durchgeführt werden.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht somit insbesondere darin, daß über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs die optimale Regenerationsmittelmenge zugeführt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator,
Fig. 2
ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, das am NOx-Meßaufnehmer abgegriffen wird,
Fig. 3
einen Ablaufplan zum Durchführen des Verfahrens und
Fig. 4
eine schematisierte Schnittdarstellung durch einen NOx-Meßaufnehmer.
Fig. 1 zeigt in Form eine Blockschaltbildes eine Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungsanlage bei der das Verfahren angewendet wird. Dabei sind nur die Teile und Komponenten dargestellt, die zum Verständnis der Erfindung nötig sind.
Eine Brennkraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 11 und einen Abgastrakt 12 auf. Im Ansaugtrakt 11 ist eine Kraftstoffzumeßeinrichtung vorhanden, von der nur ein Einspritzventil 13 schematisch dargestellt ist. Im Abgastrakt 12 ist eine Vorkat-Lambdasonde 14, ein NOx-Speicherkatalysator 15 und stromab davon ein NOx-Meßaufnehmer 16 vorgesehen. Mit Hilfe der Vorkat-Lambdasonde 14 wird das Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas stromauf des NOx-Speicherkatalysators 15 bestimmt. Der NOx-Meßaufnehmer 16 dient unter anderem zur Überprüfung des NOx-Speicherkatalysators 15. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Betriebssteuergerät 17 geregelt, das über einen Speicher 18 verfügt, in dem unter anderem eine Mehrzahl von Schwellenwerten gespeichert sind. Das Betriebssteuergerät 17 ist über eine schematisch dargestellte Daten- und Steuerleitung 19 mit weiteren Meßaufnehmern und Aktoren verbunden.
Je nach Betriebsart der Brennkraftmaschine 10, hier kommen insbesondere Lambda-1-geregelter Betrieb, homogen-magerer Betrieb und geschichtet-magerer Betrieb in Frage, kann der NOx-Speicherkatalysator 15 bei Luft/Kraftstoffverhältnissen nahe Lambda = 1 auch Drei-Wege-Eigenschaften aufweisen, bzw. anstelle eines NOx-Speicherkatalysators 15 auch eine Einrichtung aus zwei Katalysatoren, einem NOx-Speicherkatalysator und einem Drei-Wege-Katalysator, vorgesehen sein.
Der stromab des NOx-Speicherkatalysators 15 vorhandene NOx-Meßaufnehmer 16 ist ein amperometrischer Meßaufnehmer. Er ist in einer schematischen Schnittdarstellung in Fig. 4 unter Bezugszeichen 34 detaillierter dargestellt. Er besteht aus einem Festkörperelektrolyten 26, z.B. ZrO2 und enthält das zu messende Abgas über eine Diffusionsbarriere 33 zugeführt. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 33 in eine erste Meßzelle 20. Der Sauerstoffgehalt in der Meßzelle 20 wird mittels einer ersten Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 21 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 29 gemessen. Die erste Elektrode 21 kann auch mehrteilig bzw. mit mehreren Abgriffen ausgeführt sein. Beide Elektroden 21, 29 sind herkömmliche Platinelektroden. Die Referenelektrode 29 ist in einem Luftkanal 28 angeordnet, in den über eine Öffnung 27 Umgebungsluft gelangt.
Der Meßwert der ersten Nernstspannung V0 wird dazu verwendet, eine Stellspannung Vp0 einzustellen. Die Stellspannung Vp0 treibt einen ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip0 durch den Festkörperelektrolyten 26 zwischen der ersten Elektrode 21 und einer Außenelektrode 22. Der durch eine gestrichelte Linie dargestellte Regeleingriff der ersten Nernstspannung V0 auf die Stellspannung Vp0 hat zur Folge, daß der Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip0 so eingestellt wird, daß in der ersten Meßzelle 20 eine bestimmte Sauerstoffkonzentration bzw. ein bestimmter Sauerstoffpartialdruck vorliegt.
Die erste Meßzelle 20 ist über eine weitere Diffusionsbarriere 23 mit einer zweiten Meßzelle 24 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 23 diffundiert das in der ersten Meßzelle 20 vorhandene Gas. Aufgrund der Diffusion stellt sich in der zweiten Meßzelle 24 eine entsprechend niedrigere, zweite Sauerstoffkonzentration bzw. Sauerstoffpartialdruck ein. Diese zweite Sauerstoffkonzentration wird wiederum über eine Nernstspannung V1 zwischen einer zweiten Elektrode 25, die ebenfalls eine herkömmliche Platinelektrode ist, und der Referenzelektrode 29 gemessen, und zur Regelung eines zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms Ip1 verwendet. Der zweite Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip1 aus der ersten Meßzelle 20 heraus fließt von der zweiten Elektrode 25 durch den Festkörperelektrolyten 26 hindurch zur Außenelektrode 22. Mit Hilfe der zweiten Nernstspannung V1 wird der zweite Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip1 so eingeregelt, daß in der zweiten Meßzelle 24 eine bestimmte, geringe, zweite Sauerstoffkonzentration vorliegt.
Das von den bisherigen Vorgängen in den Meßzellen 20 und 24 nicht betroffene NOx wird nun an der Meßelektrode 30, die katalytisch wirksam ausgestaltet ist, unter Anlegen der Spannung V2 zersetzt und der freigewordene Sauerstoff als Maß für die NOx-Konzentration an der Meßelektrode 30 und damit im zu messenden Abgas in einem Meßstrom Ip2 zur Referenzelektrode 29 hin gepumpt.
In der ersten Meßzelle 20 entsteht dabei folgende Spannung: Uerste Meßzelle = RT/(4F).(ln PO2,erste meßzelle - ln P02,Abgas) + R0.Ip0 wobei P01, erste Meßzelle/Abgas der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Meßzelle bzw. dem Abgas, R die Gaskonstante, T die absolute Gastemperatur, F die Faraday-Konstante, R0 ein Übergangswiderstand zwischen der ersten Elektrode 21 und dem Festkörperelektrolyten 26 und Ip0 der erste Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom ist.
In der zweiten Meßzelle ergibt sich folgende Spannung: Uzweite Meßzelle = RT/(4F).(ln PO2,Umgebungsluft - ln P02, zweite Meßzelle) wobei P02,Umgebungsluft/zweite Meßzelle der Sauerstoffpartialdruck in der Umgebungsluft bzw. der zweiten Meßzelle ist.
Durch Abgriff der Differenzspannung zwischen der Außenelektrode 22 und der Referenzelektrode 29 werden die beiden Meßzellen 20 und 24 in Reihe geschaltet, so daß sich in erster Näherung bei hinreichend homogener Temperatur des NOx-Meßaufnehmers 34, hinreichend geringem Strom Ip0 und hinreichend gleichem Sauerstoffpartialdruck an den Abgriffen der inneren Elektrode 21 folgende Beziehung ergibt: UZweipunkt = RT/ (4F) . (ln PO2, Umgebungsluft - ln P02, zweite Meßzelle + ln P02,erste Meßzelle - ln P02,Abgas) = RT/(4F). (ln PO2,Umgebungsluft - ln P02,Abgas)
Diese Beziehung beschreibt das Zweipunkt-Verhalten einer Lambda-Sonde. Diese Differenzspannung zwischen der Außenelektrode 22 und der Referenzelektrode 29 wird als Ausgangssignal US für das Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators verwendet.
Der durch den Übergangswiderstand R0 in Gleichung (I) verursachte Meßfehler bei der Spannung in der ersten Meßzelle 20 kann vorteilhafterweise korrigiert werden. Dazu wird ein bestimmter Widerstandswert angenommen und eine Ip0-abhängige Kompensation durchgeführt. Weiter kann vorteilhafterweise eine Korrektur des Ausgangssignals US hinsichtlich der Temperatur des Meßaufnehmers 34 erfolgen.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals US des NOx-Meßaufnehmers 16 während der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators 15. Weiter ist in diese Darstellung der Verlauf des Vorkat-Lambda-Sollwertes LAMSOLL eingezeichnet. Der Vorkat-Lambda-Sollwert LAMSOLL springt zu Beginn der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators 15 von einem Wert im mageren Bereich (Lambda = 1,4) auf einen Wert für fettes Gemisch (Lambda = 0,85). Nach Abschluß der Regenerationsphase wird die Brennkraftmaschine 10 wieder mager betrieben.
Am Ende der der Regenerationsphase vorausgehenden Speicherphase liegt das Ausgangssignal US bei etwa 0,03 V. Mit Beginn der Regenerationsphase steigt diese Spannung kontinuierlich an. Gegen Ende der Regenerationsphase sinkt der Lambda-Wert UL am NOx-Meßaufnehmer 16 stromab des NOx-Speicherkatalysators 15 unter 1 und das Ausgangssignal US steigt steil an. Später steigt UL wieder auf Werte für mageres Gemisch und US fällt wieder ab.
Um zu ermitteln, ob die dem NOx-Speicherkatalysator 15 in einer Regenerationsphase zugeführte Regenerationsmittelmenge optimal ist, wird nun folgendermaßen vorgegangen:
Es werden zwei Summenwerte berechnet. Ein erster Summenwert FL1 wird aus dem mit einer bestimmten Frequenz (z.B. 100 Hz) abgetasteten Ausgangssignal US ab Beginn der Regenerationsphase bis zum Überschreiten eines Schwellenwertes SW (z.B. 0,25 V) berechnet. Dieser Summenwert entspricht der mit dem Bezugszeichen FL1 in Fig. 3 gekennzeichneten Fläche. Ein zweiter Summenwert FL2 wird aus dem mit gleicher Frequenz abgetasteten Ausgangssignal US ab Überschreiten des Schwellenwertes SW bis zum wieder folgenden Unterschreiten des Schwellenwertes SW berechnet. Dieser Summenwert entspricht der mit dem Bezugszeichen FL2 in Fig. 3 gekennzeichneten Fläche. Natürlich können die Flächen FL1 und FL2 anstatt durch Summation auch durch kontinuierliche Integration gebildet werden.
Die optimale Regenerationsmittelmenge wurde dem NOx-Speicherkatalysator 15 dann zugeführt, wenn der Summenwert FL2 größer als ein Schwellenwert SW1 ist und der Summenwert FL2 zwischen einem unteren Schwellenwert USW2 und einem oberen Schwellenwert OSW2 liegt.
In Fig. 3 ist ein Ablaufplan zur Ermittlung der optimalen Regenerationsmittelmenge dargestellt. Zuerst werden die Summenwerte bzw. Flächen FL1 und FL2 berechnet und zwischengespeichert (Schritt S1). Anschließend werden aus dem Speicher 18 des Betriebssteuergerätes 17 der Schwellenwert SW1 für den Summenwert FL1 und die Schwellenwerte USW2 und OSW2 für den Summenwert FL2 ausgelesen (Schritt S2).
Nun wird überprüft, ob die zugeführte Regenerationsmittelmenge optimal ist (Schritt S3). Dies ist dann der Fall, wenn der Summenwert FL1 über dem Schwellenwert SW1 liegt und der Summenwert FL2 dem vom unteren Schwellenwert USW2 und vom oberen Schwellenwert OSW2 begrenzten Bereich liegt. Sind diese beiden Bedingungen erfüllt (Schritt S4), so ist kein Eingriff nötig, die verwendete Regenerationsmittelmenge war optimal und das Verfahren ist beendet (Schritt S11).
Stellt sich heraus, daß diese beiden Bedingungen nicht erfüllt sind (Schritt S3), so wurde in der Regenerationsphase dem NOx-Speicherkatalysator 15 eine nicht optimale Regenerationsmittelmenge zugeführt. Abhängig von den Summenwerten FL1, FL2 kann nun bestimmt werden, ob die Regenerationsmittelmenge vergrößert oder verkleinert werden muß, um eine optimale Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 15 zu erreichen. Dazu wird zuerst geprüft, ob der Summenwert FL1 über dem Schwellenwert SW1 und der Summenwert FL2 unter dem unteren Schwellenwert USW2 liegt (Schritt S5). Ist dies der Fall, ist die Regenerationsmittelmenge zu gering und muß erhöht werden (Schritt S11, Fall A). Die Vergrößerung der Regenerationsmittelmenge kann dabei durch Veränderung in der Luftzahl während der Regenerationsphase in Richtung fett erfolgen. Alternativ kann auch die Regenerationsphase länger durchgeführt werden, was in der Regel vorzuziehen ist, da die Variation des Lambda-Wertes in der Regenerationsphase nur in engen Grenzen (z.B. zwischen 0,75 und 0,85) möglich ist. Wurde für folgende Regenerationsphasen eine größere Regenerationsmittelmenge eingestellt, ist das Verfahren beendet (Schritt S11).
Stellt sich in Schritt 5 heraus, daß Summenwert FL1 unter dem Schwellenwert SW2 und der Summenwert FL2 über dem unteren Schwellenwert USW2 liegen, wird geprüft, ob der Summenwert FL1 über dem Schwellenwert SW2 und der Summenwert FL2 über dem oberen Schwellenwert OSW2 liegen (Schritt S7). Dann ist die Regenerationsmittelmenge zu groß und muß verkleinert werden (Schritt S8, Fall B). Die Verkleinerung der Regenerationsmittelmenge kann analog zur Vergrößerung im Fall A geschehen. Wurde ein kleinere Regenerationsmittelmenge für zukünftige Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators 15 abgespeichert, ist das Verfahren beendet (Schritt S11).
Stellte sich in Schritt S7 heraus, daß der Summenwert FL1 nicht über den Schwellenwert SW1 und der Summenwert FL2 nicht über dem oberen Schwellenwert OSW2 liegt, wird zuerst geprüft ob der Sonderfall FL1 = SW1 vorliegt (Schritt S9). Ist dies der Fall, ist kein Regeleingriff nötig und das Verfahren ist beendet (Schritt S11). Ist dies nicht der Fall, muß der Summenwert FL1 unter dem Schwellenwert SW1 liegen (Schritt S10). Dies hat zur Folge, daß die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 15 gesunken ist (Fall C). Um optimales Konvertierungsverhalten der Abgasanlage zu erreichen, muß demzufolge die Speicherphase verkürzt werden. Dies kann beispielsweise durch Verringerung der in einem rechnerischen Katalysatormodell verwendeten Speicherkapazität erfolgen. Ebenfalls muß der Schwellenwert SW1 gesenkt werden. Unterschreitet der Schwellenwert SW1 während der Nutzlebensdauer der Brennkraftmaschine 10 einen unteren Grenzwert, bedeutet dies, daß die Katalysatorkapazität einen Mindestwert erreicht hat, was z.B. durch Sulfateinlagerung hervorgerufen sein kann. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Sulfatregeneration angefordert und durchgeführt, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 197 05 335 beschrieben ist. Nach erfolgter Sulfatregeneration kann der Schwellenwert SW1 wieder auf den Ausgangswert gesetzt werden.
Die erwähnten Schwellenwerte SW, SW1, USW2, OSW2 werden auf einem Prüfstand ermittelt.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators (15),
    der im Abgastrakt (12) einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist,
    stromab dessen ein NOx-Meßaufnehmer (16) angeordnet ist und
    der in einer Regenerationsphase unter Zugabe eines Reduktionsmittels gespeichertes NOx katalytisch umsetzt, wobei das Reduktionsmittel durch kurzzeitigen Betrieb der Brennkraftmaschine (10) mit einem fetten Luft/Kraftstoffgemisch (Lambda < 1)erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als NOx-Meßaufnehmer (16) ein amperometrischer Meßaufnehmer (34) bestehend aus einem Festkörperelektrolyten (26) verwendet wird, der
    eine erste Meßzelle (20) aufweist, in der die Sauerstoffkonzentration über eine erste Nernstspannung (V0) zwischen einer ersten Elektrode (21) und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode (29) gemessen und mittels eines ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms (Ip0) zwischen der ersten Elektrode (21) und einer Außenelektrode (22) geregelt wird, und
    eine zweite Meßzelle (24) aufweist, die mit der ersten Meßzelle (20) verbunden ist und in der die Sauerstoffkonzentration über eine zweite Nernstspannung (V1) zwischen einer zweiten Elektrode (25) und der Referenzelektrode (29) gemessen wird, und
    daß unter Reihenschaltung der zwei Meßzellen (20, 24) die Spannung zwischen der Außenelektrode (22) und der Referenzelektrode (29) abgegriffen wird und dieses von der Sauerstoffkonzentration abhängige, Zweipunkt-Verhalten zeigende Ausgangssignal (US) während der Regenerationsphase erfaßt wird und daß
    aus dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals (US) ein Kriterium dafür abgeleitet wird, ob die Regenerationsmittelmenge zur Erreichung einer optimalen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (15) geändert werden muß.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium zwei Summenwerte (FL1, FL2) gebildet werden, wobei
    der erste Summenwert (FL1) aus dem mit einer bestimmten Frequenz abgetasteten Ausgangssignal (US) ab Beginn der Regeneration bis zum Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes (SW1) berechnet wird
    der zweite Summenwert (FL2) aus dem mit gleicher Frequenz abgetasteten Ausgangssignal (US) ab Überschreiten dieses Schwellenwertes (SW) bis zum Unterschreiten des Schwellenwertes (SW) berechnet wird,
    die Summenwerte (FL1, FL2) mit zugehörigen Schwellenwerten (SW1, USW2, OSW2) verglichen werden und.
    in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches die Regenerationsmittelmenge konstant gehalten, vergrößert oder verkleinert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittelmenge konstant gehalten wird, wenn der erste Summenwert (FL1) größer ist als der Schwellenwert (SW1) und der zweite Summenwert (SW2) innerhalb eines durch den unteren Schwellenwert (USW2) und den oberen Schwellenwert (OSW2) begrenzten Bereiches liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittelmenge erhöht wird, wenn der erste Summenwert (FL1) größer ist als der Schwellenwert (SW1) und der zweite Summenwert (SW2) kleiner ist als der untere Schwellenwert (USW2).
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationsmittelmenge verkleinert wird, wenn der erste Summenwert (FL1) größer ist als der Schwellenwert (SW1) und der zweite Summenwert (FL2) größer ist als der obere Schwellenwert (OSW2).
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittelmenge vergrößert wird, indem die Regenerationsphase verlängert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationsmittelmenge verkleinert wird, indem die Regenerationsphase verkürzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer einer Speicherphase des NOx-Speicherkatalysators (15), bei der die Brennkraftmaschine (14) mit Luftüberschuß betrieben wird, verkürzt wird und für den Speicherkatalysator (15) eine Sulfatregeneration durchgeführt wird, wenn der Summenwert (FL1) kleiner ist als der Schwellenwert (SW1).
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom (Ip0) eine Korrektur des Ausgangssignales (US) erfolgt, um eine Fehlerspannung, die von einem vom ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom (Ip0) durchflossenen Übergangswiderstand (R0) herrührt, auszugleichen.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (US) abhängig von der Temperatur des NOx-Meßaufnehmers (16, 34) korrigiert wird.
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