WO2000029729A1 - ÜBERWACHUNGSVERFAHREN FÜR NOx-SPEICHERKATALYSATOREN UND ABGASREINIGUNGSVORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS - Google Patents

ÜBERWACHUNGSVERFAHREN FÜR NOx-SPEICHERKATALYSATOREN UND ABGASREINIGUNGSVORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS Download PDF

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Jens DRÜCKHAMMER
Frank Schulze
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Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a NO x storage catalytic converter connected downstream of a lean-operated internal combustion engine and an exhaust gas purification device for carrying out this method.
  • NO ⁇ storage catalytic converters consist of a conventional 3-way coating, which is expanded by a NO x storage component. They store the nitrogen oxides contained in the exhaust gas during lean operation through nitrate formation and convert them into harmless nitrogen in intermittent catalyst regenerations under reducing conditions in the rich exhaust gas, whereby they are specifically emptied and essentially retain their full absorption capacity for nitrogen oxides, which increase with increasing nitrogen oxide loading the lean phase decreases continuously.
  • the NO x absorption capacity or the storage efficiency is correspondingly lower, which is reflected in the lean operation in a faster increasing NO x concentration or NO x mass after the storage catalytic converter, so that proper exhaust gas cleaning is no longer possible is guaranteed.
  • the object of the present invention is therefore to provide a monitoring or diagnostic method for a NO x storage catalytic converter connected downstream of a lean-burn internal combustion engine, with which catalytic converter defects or poisoning and a consequent decrease in catalytic converter activity or storage efficiency can be detected reliably and quickly, so that proper functioning of the catalyst is always guaranteed.
  • the object is also to create an exhaust gas purification device comprising a NO x storage catalytic converter for carrying out this method.
  • the NO x exhaust gas concentrations before and after the NO x storage catalytic converter are determined and converted into NO x mass flows.
  • the actually interesting NO x storage efficiency is then determined from these values and compared with a threshold value which indicates an inadequately functional or defective storage catalytic converter and, if exceeded, a catalytic converter defect is displayed.
  • the catalyst temperature must therefore preferably be in a predetermined temperature range, in particular between 200 and 600 ° C., that of the particular catalyst system used and in particular of that
  • Catalyst coating is dependent.
  • the NO x loading of the catalyst must be below a predetermined threshold, which preferably corresponds to a fully regenerated catalyst.
  • the lambda value before and / or after the storage catalytic converter must be> 1, preferably switching on the
  • Lean operation must be indicated by a status bit of the engine control.
  • catalyst monitoring is not carried out or monitoring that has already started is interrupted or at least interrupted.
  • a time function or a time counter is preferably started, which is compared with a predetermined monitoring or diagnostic time. After this time has been reached, the storage efficiency determined is stored, the stored values preferably being counted and averaged after reaching a predetermined number of stored values. The value averaged in this way is then finally compared with the threshold value mentioned above.
  • the measured exhaust gas concentration after the NO x storage catalytic converter or the NO x mass flow determined therefrom is evaluated or weighted as a function of these two variables.
  • the storage efficiency is preferably also weighted with the averaged catalyst temperature determined in the monitoring time, which is determined by temperature sensors arranged upstream and downstream of the storage catalytic converter or is calculated by modeling in an associated control device.
  • Another preferred possibility is to determine the NO x storage efficiency for a number of different temperatures as a function of the mean catalyst temperature and to store it in a characteristic curve or a map from the characteristic changes of which have aged, poisoned or Simply identify defective catalysts and have them diagnosed safely.
  • the characteristic changes in the map can reduce the
  • the lambda value and the NO x exhaust gas concentration of the exhaust gas flowing into and / or out of the NO x storage catalytic converter are preferably determined by an upstream or downstream multifunction sensor, which comprises a NO x- sensitive and an oxygen-sensitive measuring device.
  • the NO x storage is also upstream and downstream of the inlet and outlet flow exhaust gas, a NOx sensor for determining the NO x -Abgaskonzentration.
  • the NO x exhaust gas concentration in the inflowing exhaust gas can also be determined by an associated modeling device, so that the upstream NO x sensor can also be omitted.
  • Preferred embodiments of this exhaust gas purification device include, for example, an upstream and / or a downstream temperature sensor or at least one multifunction sensor with an integrated NO x -sensitive and oxygen-sensitive measuring device.
  • the sensors used are advantageously adapted with regard to a zero point drift and a characteristic curve offset.
  • the exhaust gas purification device according to the invention also includes an evaluation and / or control device for evaluating the sensor signals and / or controlling the diagnostic method described above. Further features and advantages of the method according to the invention and the exhaust gas purification device according to the invention for carrying out this method result not only from the associated claims - for themselves and / or in
  • FIG. 1a shows the first half of a flow diagram of the method according to the invention
  • FIG. 1b shows the associated second half of the flow chart according to FIG. 1a;
  • Fig. 2 shows a detailed representation of the block ETANOX in Fig. 1a, in which the
  • Fig. 5 is a schematic representation of an inventive
  • the compliance with predetermined operating conditions is first checked in block BEDJDIAGNOSE, which, among other things, ensure that the subsequent catalyst check takes place under lean exhaust gas conditions .
  • BEDJDIAGNOSE it is checked whether the lambda value before the NO x storage catalytic converter and after the NO x storage catalytic converter is greater than 1 and whether the lean operation is indicated by a status bit of the engine control. Possibly enough however, also one of the specified lambda values for controlling the method.
  • the catalyst temperature T_kat must be within a predetermined temperature range TKATMIN ⁇ T_kat ⁇ TKATMAX, in which the catalyst is active for NO x storage.
  • This temperature range depends on the catalyst system used in each case, in particular on the catalyst coating. However, it is typically between 200 and 600 ° C.
  • the NO x loading of the storage catalyst must be below a predetermined loading threshold value, which ideally corresponds to a fully regenerated catalyst.
  • the NOx storage efficiency ETANOX 2 in more detail the manner described in the block ETANOX to below with reference to FIG. From the converted in NO x -Massenströme NO x -Abgaskonzentrationen before and after the NO x storage. At the same time, a time function or a time counter T_DIAG is started, which also counts the monitoring or diagnostic time. If the release conditions for the diagnosis have been present over a suitable period of time that can be applied, the calculation of the storage efficiency is stopped in the block ETANOX and the diagnosis result is stored in the block ETANOX_ERGEB.
  • T_DIAG and ETANOX are set to zero.
  • the number of diagnostic results determined in this way is counted in block ANZ_ERGEB and compared with a predetermined number. If this predetermined number is undershot, a new diagnosis is carried out, otherwise the stored diagnosis results ETANOX_ERGEB are averaged.
  • the average catalyst efficiency ETANOX_MITTEL determined in this way is compared with a predetermined threshold value NO x MAX, which corresponds to the transition from a defective catalyst to a sufficiently functional catalyst. If the determined average catalyst efficiency ETANOXJvHTTEL is above the predetermined threshold value NO x MAX, the catalyst is OK, while otherwise there is suspicion of a catalyst defect.
  • the actual calculation of the storage efficiency ETANOX takes place in the already mentioned block ETANOX in FIG. 1a, which is shown in more detail in FIG. 2. If the above-mentioned admissibility requirements or release conditions for carrying out a catalyst monitoring or catalyst diagnosis are met, the NO x mass flows determined from the NO x exhaust gas concentrations before and after the NO x storage catalyst MNOVK or MNONK are monitored and diagnosed at T_DIAG each integrated.
  • the NO x mass flow MNONK behind the NO x storage catalytic converter is dependent on the storage load or the The storage level and the space velocity RG are evaluated and weighted accordingly before the integration is carried out, since these parameters have a strong influence on the storage rate and thus have a correspondingly strong influence on the NO x emission behind the NO x storage catalytic converter. From the thus obtained NO x - mass flow, NO x mass before and after the NO x storage catalyst, is then calculated according to the expiry of the time interval T_DIAG the NO x storage efficiency in the relevant time interval. Since, as can be seen in Fig. 4, the distinguishability of the NO x storage activity for different
  • Another possibility to take into account the influence of the indirect catalyst temperature TKAT_mit on the NO x storage efficiency ETANOX is to create a characteristic curve or a map of the NO x storage efficiency as a function of the average catalyst temperature TKAT_mit, from the characteristic changes of which aging, defective or poisoned catalysts recognized and diagnosed safely.
  • the map is created, for example, by "storing" the NO x storage efficiencies determined for different catalyst temperatures in different storage cells, each of which is assigned to a specific average catalyst temperature.
  • the "storing" can be a simple transfer, averaging or also an adaptation (such as, for example, incrementing the memory cell if the value in the memory cell is greater than the current value or decrementing if the value in the memory cell is smaller than the current value).
  • an adaptation such as, for example, incrementing the memory cell if the value in the memory cell is greater than the current value or decrementing if the value in the memory cell is smaller than the current value.
  • the catalytic converter temperature usually initially rises sharply, then passes through a broad maximum and then rapidly decreases again, the course of the curve being strongly influenced by the current operating state of the storage catalytic converter.
  • the course of the curve in an aged or poisoned NO x storage catalytic converter changes in a characteristic manner compared to the new condition, which is noticeable, for example, in a later start of the curve, a lower curve maximum and an earlier loss of NOx storage capacity at a higher catalytic converter temperature, so that the through the minimum permissible NOx storage capacity of the catalyst certain operating range is correspondingly smaller.
  • Further characteristic changes can also be, for example, the reduction in the storage efficiency at specific temperatures, a corresponding change in the mean value of the reductions in the storage efficiency over a specific temperature range or a change in the catalyst temperature at which a specific efficiency is achieved.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of an exhaust gas purification device according to the invention which is suitable for carrying out the described method and which is arranged in the exhaust line 10 of a lean-burn internal combustion engine 12.
  • the exhaust gas cleaning device comprises a NO x storage catalytic converter 14, which stores the nitrogen oxides emitted by the internal combustion engine 12 in lean operation and releases them as harmless nitrogen in the case of intermittent catalyst regeneration by briefly setting rich operating conditions.
  • a lambda sensor 16 or 18 is connected upstream or downstream of the NO Speicherk storage catalytic converter 14, which continuously monitors the entire operating range
  • the NO x storage catalytic converter 14 is also connected upstream or downstream from a respective NO x sensor 20 or 22, which measure the exhaust gas concentration of the nitrogen oxides upstream of the NO x storage catalytic converter 14 or after the NO x storage catalytic converter 14.
  • the NOx sensors 20 and 22 are adapted with regard to a zero point drift and a characteristic curve offset.
  • the required information about the nitrogen oxide concentration or the NO x mass flow in the exhaust gas flowing into the catalytic converter 14 can, however, also be calculated by modeling using a map (speed, injection quantity), so that the upstream NO x sensor 20 for performing the
  • the method according to the invention is not absolutely necessary and can also be omitted in other embodiments according to the invention, which instead comprise a corresponding modeling device.
  • downstream NO x sensor 22 and the downstream Lambda sensor 18 can also be integrated in a multifunction sensor, which is both able to determine the NO x concentration and the oxygen concentration or the air ratio downstream of the NO x storage catalytic converter 14 to eat. The same also applies to the sensors 16 and 20 connected upstream of the NO x storage catalytic converter 14.
  • a temperature sensor (not shown) is also connected upstream or downstream from the NO x storage catalytic converter 14, from whose averaged measured values the required catalyst temperature T_kat is determined.
  • the sensor signals are fed via lines (not shown) to an evaluation device (also not shown), in which the information required for carrying out the method, such as the catalyst temperature T_kat and the NO x mass flows before and after the catalyst MNOVK or MNONK, respectively determined the measurement results and a (also not shown) control device for controlling the above-described invention Proceedings are forwarded.
  • the evaluation device and the control device can be integrated in a motor control device (not shown) associated with the internal combustion engine (12).

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines einer mager betriebenen Brennkraftmaschine (12) nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators (14) beschrieben, bei dem der NOx-Speicherwirkungsgrad des Katalysators (14) aus den NOx-Abgaskonzentrationen vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator (14) ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird. Zur Durchführung des Verfahrens müssen vorbestimmte Betriebsbedingungen, wie z.B. ein Lambda-Wert > 1 und eine Katalysatortemperatur zwischen 200 und 600 °C eingehalten werden. Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete erfindungsgemässe Abgasreinigungsvorrichtung umfasst einen NOx-Speicherkatalysator (14) mit einem vorgeschalteten Lambda-Sensor (16) und einem nachgeschalteten Lambda-Sensor (18) zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgas, um zu gewährleisten, dass die Katalysatorprüfung nur bei magerer Betriebsweise erfolgt. Eine vorgeschaltete NOx-Sonde (20) und eine nachgeschaltete NOx-Sonde (22) dienen zur Messung der NOx-Abgaskonzentrationen vor bzw. nach dem Katalysator (14), aus denen der gewünschte NOx-Speicherwirkungsgrad bestimmt wird. Die NOx-Abgaskonzentration vor dem Katalysator (14) kann jedoch auch über Modellierungen berechnet werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung kann auch einen vor- und/oder nachgeschalteten Temperatursensor zur Bestimmung der Katalysatortemperatur umfassen.

Description

Überwachungsverfahren für NOx-Speicherkatalysatoren und Abgasreinigungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines einer mager betriebenen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators und eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
NOχ-Speicherkatalysatoren bestehen aus einer üblichen 3-Wege-Beschichtung, die um eine NOx-Speicherkomponente erweitert ist. Sie lagern die im Abgas enthaltenen Stickoxide bei magerer Betriebsweise durch Nitratbildung ein und setzen sie bei intermittierenden Katalysatorregenerationen unter reduzierenden Bedingungen im fetten Abgas in unschädlichen Stickstoff um, wobei sie gezielt entleert werden und im wesentlichen ihre volle Absorptionsfähigkeit für Stickoxide zurückerhalten, die mit zunehmender Stickoxidbeladung in der Magerphase kontinuierlich absinkt.
Bei einem thermisch geschädigten oder vergifteten Speicherkatalysator hingegen ist die NOx-Absorptionsfähigkeit oder der Speicherwirkungsgrad entsprechend geringer, was sich im Magerbetrieb in einer schneller ansteigenden NOx-Konzentration bzw. NOx- Masse nach dem Speicherkatalysator niederschlägt, so daß eine ordnungsgemäße Abgasreinigung nicht mehr gewährleistet ist.
Für den praktischen Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren sind daher Überwachungsoder Diagnoseverfahren zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsweise der Katalysatoren von großem Interesse. Bisher üblichen Katalysatordiagnoseverfahren, bei denen die Sauerstoffspeicherkapazität der Katalysatoren mittels Lambda-Sonden bestimmt und mit dem Katalysatorumsatz und dem Emissionsverhalten korreliert wird, sind für Magerbrennverfahren nicht geeignet. Bei einer Betriebsweise mit λ > 1 , der für zukünftige Magerkonzepte den emissionsbestimmenden Betriebsbereich darstellt, wird von Sauerstoffsonden wegen des permanenten Restsauerstoffs im Abgas kein verwertbares Signal mit ausreichender Auflösung ausgegeben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Überwachungs- oder Diagnoseverfahrens für einen einer mager betriebenen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator, mit dem sich Katalysatordefekte oder Katalysatorvergiftungen und eine dadurch hervorgerufene Abnahme der Katalysatoraktivität oder des Speicherwirkungsgrades zuverlässig und schnell erkennen lassen, so daß stets eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Katalysators gewährleistet ist. Die Aufgabe besteht auch in der Schaffung eines einen NOx-Speicherkatalysator umfassenden Abgasreinigungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei besondere Ausführungsformen den Unteransprüchen 2 bis 17 zu entnehmen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die NOx-Abgaskonzentrationen vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt und in NOx-Massenströme umgerechnet. Aus diesen Werten wird nun der eigentlich interessierende NOx-Speicherwirkungsgrad ermittelt und mit einem einen nicht mehr ausreichend funktionsfähigen oder defekten Speicherkatalysator anzeigenden Schwellenwert verglichen, bei dessen Überschreitung ein Katalysatordefekt angezeigt wird.
Da eine Verringerung der Kataiysatoraktivität oder des Speicherwirkungsgrades jedoch beispielsweise auch auf eine zu hohe Stickoxidbeladung und/oder eine reversible Schwefelvergiftung zurückzuführen sein kann, wird bei Überschreitung des Schwellenwertes vorzugsweise zunächst zumindest eine NOx-Regeneration und/oder De-Sulfatierung durchgeführt und der Speicherwirkungsgrad erneut bestimmt. Erst bei einer neuerlichen Überschreitung des vorbestimmten Schwellenwertes wird dann von einer irreversiblen Katalysatorschädigung ausgegangen, die als solche angezeigt wird.
Vor und während einer Katalysatorüberprüfung wird die Einhaltung vorbestimmter Betriebsbedingungen überprüft, denen beispielsweise die Kataiysatorbeladung, die Katalysatortemperatur und der Lambda-Wert genügen müssen und die u.a. gewährleisten, daß die Katalysatorüberprüfung nur unter mageren Abgasbedingungen und in einem Temperaturbereich abläuft, in dem der Katalysator bezüglich einer NOx- Einlagerung aktiv ist. Die Katalysatortemperatur muß daher vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperaturbereich, insbesondere zwischen 200 und 600 °C liegen, der von dem jeweils verwendeten Katalysatorsystem und insbesondere von der
Katalysatorbeschichtung abhängig ist. Zudem muß die NOx-Beladung des Katalysators unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegen, der vorzugsweise einem vollständig regenerierten Katalysator entspricht. Außerdem muß der Lambda-Wert vor und/oder nach dem Speicherkatalysator > 1 sein, wobei vorzugsweise die Einschaltung des
Magerbetriebes durch ein Statusbit der Motorsteuerung angezeigt werden muß.
Bei Nichteinhaltung dieser Bedingungen wird keine Katalysatorüberwachung durchgeführt oder eine bereits begonnene Überwachung wird abgebrochen oder zumindest unterbrochen.
Bei Beginn des Überwachungsverfahrens wird vorzugsweise eine Zeitfunktion oder ein Zeitzähler gestartet, der mit einer vorbestimmten Uberwachungs- oder Diagnosezeit verglichen wird. Nach Erreichen dieser Zeit wird der ermittelte Speicherwirkungsgrad gespeichert, wobei die gespeicherten Werte vorzugsweise gezählt und nach Erreichen einer vorbestimmten Anzahl an gespeicherten Werten gemittelt werden. Der so gemittelte Wert wird dann schließlich mit dem oben erwähnten Schwellenwert verglichen.
Um Abhängigkeiten des Speicherwirkungsgrades von der Katalysatorbeladung und der Raumgeschwindigkeit auszugleichen, wird hierbei die gemessene Abgaskonzentration nach dem NOx-Speicherkatalysator bzw. der daraus bestimmte NOx-Massenstrom in Abhängigkeit von diesen beiden Größen bewertet oder gewichtet.
Der Speicherwirkungsgrad wird vorzugsweise noch mit der in der Überwachungszeit bestimmten gemittelten Katalysatortemperatur gewichtet, die durch vor und nach dem Speicherkatalysator angeordnete Temperatursensoren bestimmt oder durch Modellierung in einer zugeordneten Steuerungseinrichtung berechnet wird.
Eine andere bevorzugte Möglichkeit besteht darin, den NOx-Speicherwirkungsgrad für mehrere unterschiedliche Temperaturen als Funktion der mittleren Katalysatortemperatur zu bestimmen und in eine Kennlinie oder einem Kennfeld zu speichern, aus dessen charakteristischen Veränderungen sich gealterte, vergiftete oder defekte Katalysatoren einfach erkennen und sicher diagnostizieren lassen. Die charakteristischen Veränderungen des Kennfeldes können eine Verringerung des
Speicherwirkungsgrades bei bestimmten Temperaturen, eine entsprechende
Veränderung des Mittelwertes der Verringerung des Speicherwirkungsgrades über einen bestimmten Temperaturbereich oder eine Veränderung der Katalysatortemperatur, bei der ein bestimmter Wirkungsgrad erreicht ist, umfassen.
Der Lambda-Wert und die NOx-Abgaskonzentration des in den NOx-Speicherkatalysator einströmenden und/oder aus ihm ausströmenden Abgases werden vorzugsweise durch einen vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Multifunktionssensor bestimmt, der eine NOx-empfindliche und eine sauerstoffempfindliche Meßeinrichtung umfaßt.
Eine erfindungsgemäße Abgasvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfaßt gemäß den Ansprüchen 18 bis 22 einen NOx-Speicherkatalysator, dem zur Bestimmung des Sauerstoffverhältnisses in dem in den Katalysator einströmenden bzw. aus ihm ausströmenden Abgas jeweils ein Lambda-Sensor vor- bzw. nachgeschaltet ist. Dem NOx-Speicherkatalysator ist zudem zur Bestimmung der NOx-Abgaskonzentration im ein- bzw. ausströmenden Abgas ein NOx-Sensor vor- bzw. nachgeschaltet. Alternativ hierzu kann die NOx-Abgaskonzentration im einströmenden Abgas jedoch auch durch eine zugeordnete Modellierungseinrichtung bestimmt werden, so daß der vorgeschaltete NOx-Sensor auch entfallen kann.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Abgasreinigungsvorrichtung umfassen beispielsweise einen vorgeschalteten und/oder einen nachgeschalteten Temperatursensor oder zumindest einen Multifunktionssensor mit einer integrierten NOx- empfindlichen und sauerstoffempfindlichen Meßeinrichtung.
Die verwendeten Sensoren sind vorteilhafterweise bezüglich einer Nullpunktsdrift und eines Kennlinien-Offsets adaptiert.
Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt zudem noch eine Auswerte- und/oder Steuereinrichtung zur Auswertung der Sensorsignale und/oder Steuerung des oben beschriebenen Diagnoseverfahrens. Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen - für sich und/oder in
Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. In den
Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a die erste Hälfte eines Flußdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 1b die zugehörige zweite Hälfte des Flußdiagramms gemäß Fig. 1a;
Fig. 2 eine ausführliche Darstellung des Blockes ETANOX in Fig. 1a, in dem der
Speicherwirkungsgrad bestimmt wird;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Auswertung/Wichtung des NOx-
Speicherwirkungsgrades in Abhängigkeit von der mittleren Katalysatortemperatur;
Fig. 4 ein prinzipielles Beispiel für die Abhängigkeit des NOx-
Speicherwirkungsgrades von der Katalysatortemperatur bei einem neuen, einem gealterten und einem durch Schwefel vergifteten NOx- Speicherkatalysator; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Abgasreinigungsvorrichtung.
Bei dem in den Fig. 1a und 1b dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines einer mager betriebenen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators (SK) wird in dem Block BEDJDIAGNOSE zunächst die Einhaltung vorbestimmter Betriebsbedingungen überprüft, die u.a. gewährleisten, daß die nachfolgende Katalysatorüberprüfung unter mageren Abgasbedingungen abläuft. Insbesondere wird hierbei überprüft, ob der Lambda-Wert vor dem NOx- Speicherkatalysator und nach dem NOx-Speicherkatalysator größer 1 ist und ob der Magerbetrieb durch ein Statusbit der Motorsteuerung angezeigt wird. Eventuell reicht jedoch auch bereits einer der angegebenen Lambda-Werte zur Steuerung des Verfahrens aus.
Zudem muß die Katalysatortemperatur T_kat innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches TKATMIN < T_kat < TKATMAX liegen, in dem der Katalysator für eine NOx-Speicherung aktiv ist. Dieser Temperaturbereich ist von dem jeweils verwendeten Katalysatorsystem, insbesondere von der Katalysatorbeschichtung abhängig. Er liegt jedoch typischerweise zwischen 200 und 600 °C.
Die zur Durchführung dieser Überprüfung erforderlichen Temperatur- und Lambda- Werte werden auf die nachstehend anhand von Fig. 5 ausführlich beschriebene Art und Weise durch entsprechende Sensoren bestimmt.
Außerdem muß die NOx-Beladung des Speicherkatalysator unter einem vorbestimmten Beladungsschwellenwert liegen, der idealerweise einem vollständig regenerierten Katalysator entspricht.
Ferner wird überprüft, ob der oder die zur Bestimmung des Speicherwirkungsgrades eingesetzten NOx-Sensoren, die nachstehend anhand von Fig. 5 ebenfalls noch ausführlich beschrieben werden, bezüglich einer Nullpunktsdrift und eines Kennlinien- Offsets adaptiert sind.
Bei Erfüllung dieser Bedingungen wird in dem Block ETANOX der NOx- Speicherwirkungsgrad ETANOX auf die nachstehend anhand von Fig. 2 noch ausführlicher beschriebenen Art und Weise aus den in NOx-Massenströme umgerechneten NOx-Abgaskonzentrationen vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt. Gleichzeitig wird eine Zeitfunktion oder ein Zeitzähler T_DIAG gestartet, der die Uberwachungs- oder Diagnosezeit mitzählt. Haben die Freigabebedingungen für die Diagnose über einen applizierbaren geeigneten Zeitraum vorgelegen, wird die Berechnung des Speicherwirkungsgrades im Block ETANOX gestoppt und das Diagnoseergebnis im Block ETANOX_ERGEB gespeichert.
Bei Nichteinhaltung der Bedingungen wird das Verfahren gar nicht erst gestartet, wobei T_DIAG und ETANOX gleich Null gesetzt werden. Um eine ordnungsgemäße Katalysatordiagnose zu gewährleisten, wird die Einhaltung der in dem Block BEDJDIAGNOSE angegebenen Bedingungen auch während der
Durchführung des Verfahrens kontinuierlich überprüft. Bei Nichteinhaltung der
Bedingungen wird das Uberwachungs- oder Diagnoseverfahren vorzeitig abgebrochen oder zumindest unterbrochen.
Die Anzahl der so ermittelten Diagnoseergebnisse wird im Block ANZ_ERGEB gezählt und mit einer vorbestimmten Anzahl verglichen. Bei Unterschreitung dieser vorbestimmten Anzahl wird eine erneute Diagnose durchgeführt, während ansonsten die gespeicherten Diagnoseergebnisse ETANOX_ERGEB gemittelt werden. Der so bestimmte mittlere Katalysatorwirkungsgrad ETANOX_MITTEL wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert NOxMAX verglichen, der dem Übergang von einem defekten Katalysator zu einem ausreichend funktionsfähigen Katalysator entspricht. Liegt der ermittelte mittlere Katalysatorwirkungsgrad ETANOXJvHTTEL über dem vorbestimmten Schwellenwert NOxMAX, ist der Katalysator in Ordnung, während ansonsten der Verdacht eines Katalysatordefektes besteht.
Da die Aktivität des Katalysators jedoch auch lediglich durch eine zu hohe Stickoxidbeladung und/oder eine reversible Vergiftung, wie z.B. durch Schwefel, beeinträchtigt sein könnte, wird zunächst ein Fehlervorbehalt gesetzt und es wird zunächst zumindest eine De-Sulfatierung und/oder NOx-Regeneration eingeleitet. Anschließend wird der oben beschriebene Diagnosealgorithmus wiederholt und erneut der Katalysatorwirkungsgrad bestimmt. Bei einem erneuten Unterschreiten des vorbestimmten Schwellenwertes NOxMAX ist von einem defekten Katalysator auszugehen, so daß ein Katalysatordefekt angezeigt wird.
Die eigentliche Berechnung des Speicherwirkungsgrades ETANOX erfolgt in dem bereits erwähnten Block ETANOX in Fig. 1a, der in Fig. 2 noch einmal ausführlicher dargestellt ist. Wenn die oben angegebenen Zulässigkeitsvoraussetzungen oder Freigabebedingungen zur Durchführung einer Katalysatorüberwachung oder Erstellung einer Katalysatordiagnose erfüllt sind, werden dort die aus den NOx- Abgaskonzentrationen bestimmten NOx-Massenströme vor und nach dem NOx- Speicherkatalysator MNOVK bzw. MNONK im Uberwachungs- oder Diagnoseintervall T_DIAG jeweils aufintegriert. Der NOx-Massenstrom MNONK hinter dem NOx- Speicherkatalysator wird hierbei in Abhängigkeit von der Speicherbeladung oder dem Speicherfüllstand und der Raumgeschwindigkeit RG bewertet und vor der Durchführung der Integration entsprechend gewichtet, da diese Parameter einen starken Einfluß auf die Einspeicherrate haben und somit die NOx-Emission hinter dem NOx- Speicherkatalysator entsprechend stark beeinflussen. Aus den so erhaltenen NOx- Massenströmen, NOx-Masse vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator, wird dann nach dem Ablauf des Zeitintervalls T_DIAG der NOx-Speicherwirkungsgrad in dem betreffenden Zeitintervall berechnet. Da, wie in Fig. 4 zu erkennen ist, die Unterscheidbarkeit der NOx-Speicheraktivität für verschiedene
Verschlechterungszustände, wie z.B. eine Aktivitätsverschlechterung aufgrund einer Temperaturalterung oder einer Schwefelvergiftung des Katalysators, sehr stark temperaturabhängig ist, wird der so ermittelte Speicherwirkungsgrad zur Ermittlung des auf die oben im Zusammenhang mit den Figuren 1a und 1b beschriebene Art und Weise letztendlich zur Katalysatordiagnose verwendeten eigentlichen Speicherwirkungsgrades ETANOX anschließend noch mit der im Uberwachungs- oder Diagnosezeitraum T_DIAG gemittelten Katalysatortemperatur TKAT_mit gewichtet, so daß die mittlere Katalysatortemperatur TKAT_mit erfindungsgemäß in die Bewertung des Speicherwirkungsgrades ETANOX mit einbezogen wird.
Eine andere Möglichkeit zur Berücksichtigung des Einflusses der mittelbaren Katalysatortemperatur TKAT_mit auf den NOx-Speicherwirkungsgrad ETANOX besteht darin, eine Kennlinie oder ein Kennfeld des NOx-Speicherwirkungsgrades als Funktion der mittleren Katalysatortemperatur TKAT_mit zu erstellen, aus dessen charakteristischen Veränderungen gealterte, defekte oder vergiftete Katalysatoren erkannt und sicher diagnostiziert werden.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, erfolgt die Erstellung des Kennfeldes hierbei beispielsweise durch "Ablegen" der für unterschiedliche Katalysatortemperaturen ermittelten NOx-Speicherwirkungsgrade in unterschiedlichen Speicherzellen, die jeweils einer bestimmten mittleren Katalysatortemperatur zugeordnet sind. Das „Ablegen" kann hierbei ein einfaches Übertragen, ein Mitteln oder aber auch ein Adaptieren sein (wie z.B. ein Inkrementieren der Speicherzelle, wenn der Wert in der Speicherzelle größer ist als der aktuelle Wert oder ein Dekrementieren, wenn der Wert in der Speicherzelle kleiner ist als der aktuelle Wert). Nach einer gewissen Motorbetriebszeit mit unterschiedlichen Bet ebszuständen, die unterschiedlich hohe Katalysatortemperaturen zur Folge haben, liegt daher im Speicher einer zugeordneten Auswerteeinrichtung oder Motorsteuerungseinrichtung eine Kennlinie oder ein Kennfeld vor, das die Abhängigkeit des Speicherwirkungsgrades von der Katalysatortemperatur beinhaltet. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, nimmt die NOx- Speicherfähigkeit eines NOx-Speicherkatalysators mit zunehmender
Katalysatortemperatur üblicherweise zunächst stark zu, durchläuft dann ein breit ausgebildetes Maximum und nimmt anschließend wieder rasch ab, wobei der Kurvenlauf durch den aktuellen Betriebszustand des Speicherkatalysators stark beeinflußt wird. So ist der Kurvenverlauf bei einem gealterten oder vergifteten NOx-Speicherkatalysators in charakteristischer Weise gegenüber dem Neuzustand verändert, was sich beispielsweise in einem späteren Kurvenbeginn, einem niedrigeren Kurvenmaximum und einem frühzeitigeren Verlust der NOx-Speicherfähigkeit bei höherer Katalysatortemperatur bemerkbar macht, so daß der durch die minimal zulässige NOx- Speicherfähigkeit des Katalysators bestimmte Betriebsbereich entsprechend kleiner wird. Weitere charakteristische Veränderungen können beispielsweise auch die Verringerung des Speicherwirkungsgrades bei bestimmten Temperaturen, eine entsprechende Veränderung des Mittelwertes der Verringerungen des Speicherwirkungsgrades über einen bestimmten Temperaturbereich oder eine Veränderung der Katalysatortemperatur sein, bei der ein bestimmter Wirkungsgrad erreicht ist. Diese charakteristischen Merkmale werden durch die Auswerte- oder Motorsteuerungseinrichtung bestimmt und mit vorbestimmten Fehlerschwellen verglichen, bei deren Überschreitung ein Defekt des Katalysators signalisiert oder eine übermäßig hohe Schwefel- und/oder NOx-Beladung oder eine Alterung des Katalysators festgestellt wird.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung, die im Abgasstrang 10 einer mager betriebenen Brennkraftmaschine 12 angeordnet ist. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt einen NOx-Speicherkatalysator 14, der die von der Brennkraftmaschine 12 emittierten Stickoxide im Magerbetrieb einspeichert und bei intermittierend durchgeführten Katalysatorregenerationen durch kurzzeitige Einstellung fetter Betriebsbedingungen als unschädlichen Stickstoff freisetzt. Dem NOχ-Speicherkatalysator 14 ist jeweils ein Lambda-Sensor 16 bzw. 18 vorgeschaltet bzw. nachgeschaltet, die im gesamten Betriebsbereich kontinuierlich das
Luftverhältnis in dem in den Katalysator 14 einströmenden bzw. aus ihm ausströmenden
Abgas und damit den entsprechenden Lambda-Wert messen.
Zusätzlich hierzu ist dem NOx-Speicherkatalysator 14 auch noch jeweils ein NOx-Sensor 20 bzw. 22 vorgeschaltet bzw. nachgeschaltet, die die Abgaskonzentration der Stickoxide vor dem NOx-Speicherkatalysator 14 bzw. nach dem NOx-Speicherkatalysator 14 messen. Die NOx-Sensoren 20 und 22 sind bezüglich einer Nullpunktsdrift und eines Kennlinien-Offsets adaptiert.
Die benötigten Informationen über die Stickoxidkonzentration bzw. den NOx- Massenstrom in dem in den Katalysator 14 einströmenden Abgas können jedoch auch durch Modellierungen unter Verwendung eines Kennfeldes (Drehzahl, Einspritzmenge) berechnet werden, so daß der vorgeschaltete NOx-Sensor 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich ist und bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die statt dessen eine entsprechende Modellierungseinrichtung umfassen, auch weggelassen werden kann.
Zudem können der nachgeschaltete NOx-Sensor 22 und der nachgeschaltete Lambda- Sensor 18 auch in einem Multifunktionssensor integriert sein, der sowohl in der Lage ist, die NOx-Konzentration als auch die Sauerstoffkonzentration bzw. das Luftverhältnis nach dem NOx-Speicherkatalysator 14 zu messen. Entsprechendes gilt auch für die dem NOx- Speicherkatalysator 14 vorgeschalteten Sensoren 16 und 20.
Dem NOx-Speicherkatalysator 14 ist auch jeweils ein (nicht dargestellter) Temperatursensor vorgeschaltet bzw. nachgeschaltet, aus deren gemittelten Meßwerten die erforderliche Katalysatortemperatur T_kat bestimmt wird.
Die Sensorsignale werden über (nicht dargestellte) Leitungen einer (ebenfalls nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung zugeleitet, in der die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Informationen, wie z.B. die Katalysatortemperatur T_kat und die NOx-Massenströme vor und nach dem Katalysator MNOVK bzw. MNONK, aus den Meßergebnissen ermittelt und einer (ebenfalls nicht dargestellten) Steuerungseinrichtung zur Steuerung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zugeleitet werden. Die Auswerteeinrichtung und die Steuerungseinrichtung können in einer der Brennkraftmaschine (12) zugeordneten (nicht dargestellten) Motorsteuerungseinrichtung integriert sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Überwachung eines einer mager betriebenen Brennkraftmaschine (12) nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators (14) mit folgenden Verfahrensschritten:
a.) Bestimmung der NOx-Abgaskonzentration vor und nach dem Nox- Speicherkatalysator (14);
b.) Bestimmung des NOx-Speicherwirkungsgrades ETANOX aus den ermittelten NOx-Abgaskonzentrationen;
c.) Vergleich des ermittelten NOx-Speicherwirkungsgrades ETANOX mit einem vorbestimmten ersten Schwellenwert NOxMAX und bei Überschreitung des Schwellenwertes ;
d.) Anzeige eines Katalysatordefektes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Überschreitung des ersten Schwellenwertes NOxMAX zunächst zumindest eine NOχ-Regeneration und/oder De-Sulfatierung durchgeführt und der NOx- Speicherwirkungsgrad ETANOX durch Wiederholung der Verfahrensschritte a.) bis c.) erneut bestimmt und mit dem ersten Schwellenwert NOxMAX verglichen wird und daß erst nach einer erneuten Überschreitung dieses Schwellenwertes ein Katalysatordefekt angezeigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Überwachungsverfahrens und bei dessen Durchführung vorbestimmte Betriebsbedingungen erfüllt sein müssen, denen die Katalysatorbeladung, die Katalysatortemperatur T_kat und der Sauerstoffgehalt des Abgases, d. h. der Lambda-Wert, genügen müssen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Beladung des NOχ-Speicherkatalysators (14) unter einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx- Speicherkatalysator (14) vollständig regeneriert ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatortemperatur T_kat innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches TKATMIN < T_kat < TKATMAX liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich 200 - 600 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambda-Wert vor und/oder nach dem NOx-Speicherkatalysator (14) > 1 ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magerbetrieb durch eine zugeordnete Motorsteuerungseinrichtung angezeigt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Beginn des Verfahrens eine Zeitfunktion T_DIAG gestartet wird und daß der ermittelte NOx-Speicherwirkungsgrad ETANOX_ERGEB beim Erreichen einer vorbestimmten Diagnosezeit gespeichert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Speicherwirkungsgrade ETANOX_ERGEB gezählt und nach Erreichen einer vorbestimmten Anzahl an gespeicherten Werten gemittelt werden und daß der so bestimmte Mittelwert ETANOX_MITTEL mit dem ersten Schwellenwert NOxMAX verglichen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Speicherwirkungsgrad mit der in der Diagnosezeit T_DIAG bestimmten mittleren Katalysatortemperatur TKAT_mit gewichtet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicherwirkungsgrad ETANOX als Funktion der mittleren Katalysatortemperatur T_KAT mit bestimmt und in einem Kennfeld gespeichert wird, aus dessen charakteristischen Veränderungen Alterungsvorgänge oder Vergiftungserscheinungen des NOx-Speicherkatalysators (14) oder ein Katalysatordefekt diagnostiziert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Veränderungen aus einer Verringerung des Speicherwirkungsgrades bei bestimmten Temperaturen, eine entsprechende Veränderung des Mittelwertes der Verringerung des Speicherwirkungsgrades über einem bestimmten Temperaturbereich oder aus einer Veränderung der Katalysatortemperatur, bei der ein bestimmter Wirkungsgrad erreicht ist, bestimmt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Abgaskonzentration oder der NOx-Massenstrom MNONK nach dem NOx-Speicherkatalysator (14) in Abhängigkeit von dem Füllstand des Speicherkatalysators (14) und der Raumgeschwindigkeit RG gewichtet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Katalysatortemperatur TKAT_mit durch vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator (14) angeordnete Temperatursensoren bestimmt oder aber aus den einer zugeordneten Motorsteuerungseinrichtung vorliegenden Informationen berechnet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambda-Wert und die NOx-Abgaskonzentration des in den NOx-Speicherkatalysator (14) einströmenden und/oder aus ihm ausströmenden Abgases durch einen vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Multifunktionssensor bestimmt werden, der eine NOx-empfindliche und eine sauerstoffempfindliche Meßeinrichtung umfaßt.
18. Abgasreinigungsvorrichtung für eine mager betriebene Brennkraftmaschine (12) mit einem NOx-Speicherkatalysator (14) und jeweils einem nachgeschalteten Lambda-Sensor (18) und NOx-Sensor (22), dadurch gekennzeichnet, daß dem NOχ-Speicherkatalysator (14) ein Lambda-Sensor (16) vorgeschaltet ist und daß dem NOx-Speicherkatalysator (14) ein NOx-Sensor (20) vorgeschaltet ist und/oder die Abgasreinigungsvorrichtung eine Modellierungseinrichtung zur Bestimmung der NOx-Konzentration in dem in den NOx-Speicherkatalysator (14) einströmenden Abgas umfaßt.
19. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem NOx-Speicherkatalysator (14) auch ein Temperatursensor vor- und/oder nachgeschaltet ist.
20. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die vor- und/oder nachgeschalteten Sensoren (16, 20 bzw. 18, 22) jeweils in einem Multifunktionssensor integriert sind, der zumindest eine NOx-empfindliche und eine sauerstoffempfindliche Meßeinrichtung umfaßt.
21. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (16 - 22) hinsichtlich einer Nullpunktdrift und eines Kenniinien-Offsets adaptiert sind.
22. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , gekennzeichnet durch eine Auswerte- und/oder Steuereinrichtung zur Auswertung der Sensorsignale und/oder Steuerung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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