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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Diagnose eines im Abgastrakt eines magerlauffähigen Verbrennungsmotors
angeordneten NOx-Speicherkatalysators nach den Oberbegriffen der
unabhängigen
Ansprüche.
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Für
NOx-Speicherkatalysatoren und andere Kraftfahrzeugkomponenten wird
zunehmend gesetzlich eine On-Board-Diagnose gefordert, um eine ausreichend
hohe Emissionsstabilität
der Fahrzeugflotten bzw. der einzelnen Fahrzeuge zu gewährleisten. So
ist aus der Offenlegungsschrift
DE
198 43 859 ein Verfahren zur Katalysatordiagnose bekannt,
bei dem das NOx-Speichervermögen
in Abhängigkeit
von der Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators ermittelt wird. In diesem Dokument wird bereits
angesprochen, dass heutige NOx-Speicherkatalysatoren einer zumindest
teilweise reversiblen Deaktivierung durch im Kraftstoff enthaltenen
Schwefel sowie einer nicht reversiblen Deaktivierung in Folge thermischer
Alterung unterliegen. Dabei wird vorgeschlagen, falls die gesamte
Speicherfähigkeit
unzulässig
stark abgesunken ist, eine Schwefelregeneration durchzuführen. Wenn
die Gesamtspeicherfähigkeit
auch nach wiederholten Versuchen zur Regeneration nicht wiederhergestellt
werden kann, muss eine irreversible Schädigung angenommen werden. Eine
verbrauchsverschlechternde Entschwefelung wird demnach angefordert,
auch wenn ein alterungsbedingter irreversibler NOx-Konvertierungseinbruch
vorliegt.
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Ferner ist aus der
US 5,724,808 eine Methode zur Bestimmung
der Schwefelvergiftung eines Drei-Wege-Katalysators bekannt, bei
der ein Maximalwert eines Sauerstoffsensorsignals herangezogen wird.
Ist dieser Maximalwert kleiner als ein vorbestimmter Wert, so wird
eine Vergiftung des Katalysators angenommen. Erst nach einer vollständigen Desulfatisierung
wird untersucht, ob der Katalysator durch thermische Alterung deaktiviert
worden ist.
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Aus der WO 00/77355 ist ein Verfahren
bekannt, bei dem aus einem Verlauf von Lambda-Werten stromauf und stromab eines NOx-Speicherkatalysators
eine Abnahme der absoluten NOx-Speicherfähigkeit bestimmt werden kann,
die einerseits durch thermische Schädigungen und andererseits durch Verschwefelung
verursacht sein kann. Ferner ist aus diesem Dokument ein Verfahren
bekannt, bei dem aus dem Signalverlauf eines stromab eines NOx-Speicherkatalysators
angeordneten NOx-Sensors eine Unterscheidung von Schädigungen
in Folge thermischer Alterung und in Folge einer Schwefelvergiftung
vorgenommen werden kann. Dieses Verfahren erfordert eine genaue
Untersuchung der Schädigungsmuster,
d.h. des Signalverlaufs in Abhängigkeit
von der Zeit, aber insbesondere nach einem Wechsel des Arbeitsmodus
des Verbrennungsmotors.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung,
mit denen genauere Informationen über den Zustand eines in einem
NOx-Einspeicher-
und Regenerationszyklus betriebenen NOx-Katalysators erhalten werden
können,
insbesondere die eine Unterscheidung zwischen einer Deaktivierung
des NOx-Katalysators
aufgrund einer Verschwefelung einerseits oder einer thermischen
Alterung andererseits ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche gelöst.
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Wenn, wie nach den Merkmalen des
unabhängigen
Verfahrensanspruchs vorgesehen ist, zur Differentialdiagnose zwischen
einer auf thermischer Alterung oder Verschwefelung beruhenden Deaktivierung
des NOx-Speicherkatalysators ein NOx-Einspeicherwert ermittelt und
bewertet wird, kann auf einfache Weise eine genaue Bestimmung der
Deaktivierung bzw. Aktivierung des NOx-Speicherkatalysators erfolgen.
Zur Unterscheidung zwischen einer Deaktivierung aufgrund einer Verschwefelung
oder einer thermischen Alterung geht die Erfindung von der Erkenntnis
aus, dass bei einer als schlecht bewerteten NOx-Einspeicherung die NOx-Regenerationsdauer
lang bei Verschwefelung und kurz bei thermischer Alterung des Katalysators
ist. Es wird daher bei einer langen NOx-Regenerationsdauer eine Verschwefelung
und bei einer relativ kurzen NOx-Regenerationsdauer
eine thermische Alterung des Katalysators zugeordnet, falls eine
Deaktivierung, d.h. ein als schlecht bewertetes NOx-Einspeicherverhalten festgestellt
wurde. Die NOx-Regenerationsdauer des Katalysators wird als Parameter
des NOx-Einspeicher- und
Regenerationszyklus vorzugsweise während des normalen Betriebs
des Verbrennungsmotors bestimmt.
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Da die NOx-Einspeicherung in Abhängigkeit von
einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur sowie von einem Abgasmassenstrom
und/oder einer Motordrehzahl variiert, erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Bewertung des NOx-Einlagerungswerts nur innerhalb
vorgegebener Grenzen von Abgas- und/oder Katalysatortemperatur und/oder
eines Abgasmassenstroms und/oder einer Motordrehzahl. Hiermit wird
eine minimale Trennschärfe
der Diagnose gewährleistet.
In analoger Weise wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für die NOx-Regenerationsdauer
vorgegangen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zur Erhöhung
der Trennschärfe
die Bewertung nur für
ein Maximum oder einen Bereich um dieses Maximum des NOx-Einspeicherwerts
vorgenommen. Dieses Maximum kann in Abhängigkeit von Werten des Abgasmassenstroms
und/oder der Motorlast oder von Werten einer Katalysator- und/oder
Abgastemperatur bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Optimum des NOx-Einspeicherwertes in Abhängigkeit
von der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur und dem Abgasmassenstrom
oder der Motorlast bestimmt.
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Bevorzugt wird zur Ermittlung des
NOx-Einspeicherwerts das Signal eines stromab des NOx-Speicherkatalysators
angeordneten NOx-Sensors herangezogen. Aus diesem Signal kann auf
einfache Weise eine NOx-Speicherbeladung bestimmt werden, der wiederum
charakteristisch für
das NOx-Einspeicherverhalten des Katalysators ist.
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Es ist ferner bevorzugt vorgesehen,
die NOx-Regenerationsdauer aus dem Signal von zumindest einer stromab
des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Messeinrichtung zur Bestimmung eines
Luftverhältnisses
des Abgases zu ermitteln, da sich in diesem Signal die jeweilige
Phase des NOx-Einspeicher- und -Regenerationszyklus des Katalysators
auf besonders einfache Weise widerspiegelt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
sowie der Vorrichtung zur Ausführung
dieses Verfahrens ist es möglich,
auf einfache Weise eine Einhaltung von Emissionsvorschriften zu
gewährleisten
und andererseits unnötige
Desulfatisierungen des NOx-Speicherkatalysators zu vermeiden und
damit den Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter
Verwendung von Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus
dem sich auch unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen weitere Vorteile und Merkmale
der Erfindung ergeben.
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In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen
Verbrennungsmotor mit Abgastrakt
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2 eine
Darstellung von Katalysatorzuständen
bei einer Differentialdiagnose.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 1,
beispielsweise einen magerlauffähigen
Otto-Motor oder einen Diesel-Verbrennungsmotor, mit einem Abgastrakt 2 und
einem Motorsteuergerät 3,
vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 1 weist
eine Anzahl von Zylindern 4 auf (entsprechende Komponenten
sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener
Abgaspfad 5 nachgeschaltet ist und kann vorzugsweise auch
in einem Schichtladebetrieb betrieben werden. In dem Abgastrakt 2 sind
ein Drei-Wege-Katalysator 6 und ein NOx-Speicherkatalysator 7 angeordnet.
Stromabwärts
der Zylinder 4 sind in den Abgaspfaden 5 optional
Sensoren 8 angeordnet, mit denen die Konzentrationen von
Abgaskomponenten des durch den Abgastrakt 2 geführten Abgases
des Verbrennungsmotors 1 gemessen werden können. Beispielsweise
können
das NOx-, SOx-, CO-, CO2- sowie HC-Komponenten sein. Stromaufwärts des
Vorkatalysators 6 ist zudem ein optional weiterer Sensor 8' zur Messung
von Abgaskomponenten angeordnet. Ein weiterer optionaler Sensor 9 ist
in einem Bereich des Abgassystems 2 zwischen dem Vorkatalysator 6 und
dem NOx-Speicherkatalysator 7 stromabwärts des
Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 7 angeordnet.
Ferner sind stromab des NOx-Speicherkatalysators 7 ein
NOx-Sensor 10 und eine Messeinrichtung 10' zur Bestimmung
eines Luftverhältnisses
angeordnet. Die Messeinrichtung 10' kann eine Breitband- oder Zwei-Punkt-Lambdasonde
oder ein NOx-Sensor mit einem Lambdasignalausgang sein. Der NOx-Speicherkatalysator 7 wird
vorzugsweise in einem NOx-Einspeicher- und Regenerationszyklus betrieben.
Die NOx-Einspeicherung
erfolgt bei einem Lambdawert größer 1, die
NOx-Regeneration zu einem späteren
Zeitpunkt bei einem Lambdawert kleiner/gleich 1. Derartige
Speicherkatalysatoren werden daher vorwiegend bei magerlauftähigen Motoren
eingesetzt.
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Bei den Sensoren 8, 8', 9 und 10,
die in der 1 nur schematisch
dargestellt sind, kann es sich um Mehrkomponenten-Sensoren handeln,
die jeweils in der Lage sind, mehr als eine Schadstoffkomponente
im Abgas zu sensorieren. Zusätzlich
zu den erwähnten
Sensoren sind stromaufwärts
und stromabwärts
des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 Lambdasonde 11 sowie
zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatoren-Abgastemperatur-Sensor 13 angeordnet.
Ferner sind optionale Sensoren 12 und 13' dargestellt.
Zur Abgasrückführung weist
der Verbrennungsmotor 1 eine Abgasrückführeinrichtung 15 mit
einem steuerbaren Ventil auf.
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Das Motorsteuergerät 3 dient
der Festlegung von Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors 1 und erfasst in an sich bekannter
Weise über
nicht im Einzelnen dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter
wie beispielsweise Drehzahl, Last, Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate,
Zündzeitpunkt,
Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, Abgasmassenstrom und dergleichen
und kann diese über
nicht dargestellte Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei
zur Kommunikation zwischen dem Steuergerät 3 und den Sensoren
bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem 14 oder dergleichen
vorgesehen ist. Das Motorsteuergerät 3 umfasst insbesondere
eine Lambdaregeleinrichtung zur Regelung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas bzw. des Lambdawerts des Abgases, insbesondere zur Durchführung des NOx-Einspeicher-
und Regenerationszyklus des NOx-Speicherkatalysators 7.
Der Schichtladebetrieb erfolgt in an sich bekannter Weise lediglich
innerhalb eines Schichtladefensters eines Last-/Drehzahlbereichs. Über beispielsweise
Lambdawert, Zündzeitpunkt
und/oder Abgasrückführrate kann
auch auf die Rohemission von Schadstoffkomponenten, insbesondere
von NOx, CO und HC Einfluss genommen werden.
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Um einen optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors
im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und die Emission von Schadstoffen
zu erreichen, werden vom Motorsteuergerät 3 neben motorischen Randbedingungen
auch Emissionen von Abgaskomponenten sowie der aktuelle Zustand
der Katalysatoren 6, 7 ermittelt. Der Zustand
der Katalysatoren wird dabei vorzugsweise anhand von Kenngrößen erfasst.
Als Kenngrößen sind
bevorzugt die obere und untere Temperaturgrenze eines Konvertierungsfensters
für NOx-
und/oder eine andere Abgaskomponente, eine HC- oder CO-Light-off-Schwellentemperatur, eine
Obergrenze für
Rohemissionen von Abgaskomponenten, eine obere Grenze eines Abgasmassenstroms,
eine Obergrenze einer NOx- und/oder SOx-Beladung des Abgasreinigungssystems
oder von einem oder mehreren seiner Subsysteme. Ferner kann eine
Obergrenze für
die Konzentration einer NOx-, CO-, CO2- oder HC-Abgaskomponente
stromab eines oder gegebenenfalls beider Katalysatoren 6, 7 verwendet
werden. Die Werte für
diese Kenngrößen werden
in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 1 ermittelt
und in einem Datenspeicher des Motorsteuergeräts 3 abgelegt.
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Erfindungsgemäß ist eine Auswertungseinheit 16 vorgesehen,
die eine Differentialdiagnose bei einer thermischen Alterung oder
einer Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators vornehmen kann.
Vorzugsweise ist die Auswertungseinheit 16 als Teil des
Motorsteuergerätes 3 ausgebildet.
Die Differentialdiagnose beruht auf einer Ermittlung und Bewertung
eines NOx-Einspeicherwerts des NOx-Speicherkatalysators 7 und
auf einer Ermittlung einer NOx-Regenerationsdauer, wobei einem als schlecht
bewerteten NOx-Einspeicherwert
bei langer NOx-Regenerationsdauer eine Verschwefelung und bei kurzer
NOx-Regenerationsdauer eine thermische Alterung zugeordnet wird.
Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass der NOx-Speicherkatalysator 7 sich
hinsichtlich der NOx-Einspeicherung
in einem verschwefelten und in einem thermisch gealterten Zustand ähnlich verhält, was
zu einer ähnlichen
Bewertung einer durch eine Verschwefelung oder eine thermische Alterung
verursachten Deaktivierung führt.
Dagegen führen
bei gleicher oder ähnlicher
NOx-Einspeicherbewertung eine Verschwefelung oder eine thermische
Alterung jeweils zu einer unterschiedlichen NOx-Regenerationsdauer.
Der NOx-Speicherkatalysator 7 wird vorzugsweise in einem
NOx-Einspeicher- und NOx-Regenerationszyklus betrieben, der durch
das Motorsteuergerät 3 geregelt
wird. Zur Charakterisierung des Einspeicherverhaltens des NOx-Speicherkatalysators
wird ein NOx-Einspeicherwert gebildet.
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Bekannt ist, dass das NOx-Einspeicherverhalten
in Abhängigkeit
von einer NOx-Rohemission, einem
Abgasmassenstrom und der Abgastemperatur modelliert werden kann.
Zur Erfassung des durch thermische Alterung und/oder Verschwefelung
veränderten
Einspeicherverhaltens wird jedoch bevorzugt der stromab des NOx-Speicherkatalysators 7 angeordnete
NOx-Sensor 10 eingesetzt. Aus der mit diesem NOx-Sensor
gemessenen NOx-Konzentration
stromab des Katalysators 10 und einem entsprechenden NOx-Massenstrom kann
ein NOx-Einspeicherwert ermittelt werden. Bevorzugt wird hierfür aus der
NOx-Rohemission,
der gemessenen NOx-Konzentration und dem Abgasmassenstrom die im NOx-Speicherkatalysator 7 gespeicherte
NOx-Menge ermittelt. Da im Magerbetrieb mit zunehmender NOx-Beladung
die NOx-Konzentration stromab des NOx-Katalysators 7 zunimmt,
kann als NOx-Einspeicherwert die NOx-Masse herangezogen werden,
die bis zu einer Erhöhung
der NOx-Konzentration auf einen vorgegebenen Prozentsatz, beispielsweise
50% der NOx-Rohemission, gespeichert wird. Der erhaltene NOx-Einspeicherwert
wird mit in der Auswertungseinheit 16 abgelegten Soll-Werten
verglichen und eine entsprechende Bewertung vorgenommen. Im einfachsten
Fall wird eine binäre
Bewertung eines ermittelten Einspeicherwerts als „gut" oder „schlecht" vorgenommen. Da
das NOx-Einspeicherverhalten von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors bzw.
des angetriebenen Kraftfahrzeugs abhängt, erfolgt die Bewertung
des NOx-Speicherwerts nur für Werte
eines Abgasmassenstroms, einer Motorlast oder dergleichen, die innerhalb
vorgegebener Grenzen liegen, wie sie beispielsweise durch die erwähnten Kenngrößen bestimmt
sind.
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Erfindungsgemäß wird zur Differentialdiagnose
bei einem als schlecht bewerteten NOx-Einspeicherwert die NOx-Regenerationsdauer
ermittelt, mit einem Soll-Wert verglichen und einer langen NOx-Regenerationsdauer
eine Verschwefelung und einer kurzen NOx-Regenerationsdauer eine thermische Alterung
des NOx-Speicherkatalysators zugeordnet. Bevorzugt wird die Regenerationsdauer
mit einer stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Messeinrichtung
für ein
Luftverhältnis Lambda
bestimmt. Der Beginn der Regeneration wird durch das Motorsteuergerät 3 festgelegt.
Der Endzeitpunkt der Regeneration wird dadurch bestimmt, dass der
Sauerstoff und die im Speicherkatalysator absorbierten Nitrate vollständig reduziert
sind und der Lambda-Wert entsprechend reagiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor wird
zu diesem Zeitpunkt von der stromab des Speicherkatalysators 7 angeordneten
Messeinrichtung 10' ein Übergang
von einem Lambda = 1-Wert zu einem Lambda-Wert < 1 festgestellt. Prinzipiell ist für die Bestimmung
des Endzeitpunkts der NOx-Regeneration auch die Ermittlung eines
HC und CO-Durchbruchs stromab des NOx-Speicherkatalysators 7 möglich. Wie
bereits erwähnt,
kann die Messeinrichtung 10' auch
ein Lambdasignal-Ausgang eines NOx-Sensors sein; in diesem Fall
ist keine Unterscheidung zwischen dem NOx-Sensor 10 und
der Messeinrichtung 10' notwendig.
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Die ermittelten Werte der NOx-Regenerationsdauer
werden mit in der Auswertungseinrichtung 16 abgelegten
Sollwerten verglichen, um eine Zuordnung in eine lange oder kurze
Regenerationsdauer vorzunehmen.
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Da ein frischer Katalysator einen
guten Einspeicherwert und eine lange NOx-Regenerationsdauer aufweist und ein
eingelaufener nicht geschädigter
Katalysator ebenfalls einen guten Einspeicherwert, aber eine kurze
Regenerationsdauer aufweist, wird ferner eine Differenzierung zwischen
einem frischen Katalysator und einem eingelaufenen Katalysator ohne
Beeinträchtigung
der Speicherfähigkeit vorgenommen.
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In 2 ist
eine zusammenfassende Darstellung der verschiedenen Katalysatorzustände in Abhängigkeit
vom NOx-Einspeicherwert und der NOx-Regenerationsdauer wiedergegeben.
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Da, wie an sich bekannt, das NOx-Einspeicherverhalten
von der Motorlast bzw. einem damit korrelierenden Abgasmassenstrom
abhängig
ist, ist es für
eine hohe Trennschärfe
des Diagnoseverfahrens günstig,
ein Maximum des NOx-Einspeicherwerts in Abhängigkeit von Werten einer Motorlast oder
eines Abgasmassenstroms zu ermitteln und für die Bewertung des NOx-Einspeicherwerts
nur das Maximum oder einen Bereich um das Maximum herum heranzuziehen.
Ebenso kann die Trennschärfe erhöht werden,
wenn ein Maximum des NOx-Einspeicherwerts
in Abhängigkeit
von Werten einer Katalysator- und/oder Abgastemperatur ermittelt
und für die
Bewertung des NOx-Einspeicherwerts nur das Maximum oder ein Bereich
um das Maximum herum herangezogen wird. Ähnlich kann für die Abhängigkeit
des NOx-Einspeicherverhaltens von der NOx-Rohemission des Verbrennungsmotors
verfahren werden. Da der NOx-Einspeicherwert von verschiedenen Einflussgrößen abhängig ist,
insbesondere wie erwähnt
der Katalysator- und/oder Abgastemperatur, der Motorlast und/oder
dem Abgasmassenstrom sowie der NOx-Rohemission, ist es besonders
günstig,
ein Optimum des NOx-Speicherwerts in Abhängigkeit von einer Kombination
von zwei oder mehreren dieser Einflussgrößen zu wählen und die Bewertung des
NOx-Einspeicherwerts nur für
dieses Optimum oder einen Bereich um dieses Optimum herum vorzunehmen.
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Die NOx-Regenerationsdauer hängt ebenfalls
von der Temperatur des Abgases bzw. des Katalysators ab sowie darüber hinaus
vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und dem Luftverhältnis des in
den Katalysator einströmenden
Abgases ab. Da mit steigender Temperatur die Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators steigt, ist es vorteilhaft, für die Ermittlung der NOx-Regenerationsdauer
eine höhere
Temperatur als für
den NOx- Einspeicherwert anzusetzen,
um eine höhere
Trennschärfe
der Unterscheidung zwischen frischen und gealterten Katalysatoren
zu erreichen. Die Ermittlung des NOx-Einspeicherwerts und der NOx-Regenerationsdauer
im gleichen NOx-Einspeicher- und NOx-Regenerationsintervall erfordert daher
einen Kompromiss bei der Wahl des Temperaturbereichs von Abgas und/oder Katalysator.
Eine erhöhte
Gesamt -Trennschärfe kann
dadurch erreicht werden, dass die Bewertung für den NOx-Einspeicherwert und
die NOx-Regenerationsdauer jeweils getrennt und unter optimalen Bedingungen
bezüglich
Temperatur, Motorlast und dergleichen erfolgt.
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Um Zwischenzustände der Deaktivierung zu bestimmen,
ist es günstig,
den NOx-Einspeicherwert und
die NOx-Regenerationsdauer verfeinert zu bewerten. Bei dem NOx-Einspeicherwert wird
hierzu die Bewertung als gut oder schlecht in drei oder mehr Klassen
aufgefächert.
Ebenso wird die NOx-Regenerationsdauer nicht binär, sondern in drei oder mehr Klassen
aufgeteilt. Den Kombinationen der so erhaltenen Bewertungen des
NOx-Einspeicherwerts
und der NOx-Regenerationsdauer werden sodann Interpolationswerte
der Verschwefelung und der thermischen Alterung zugeordnet.
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Die erfindungsgemäß erhaltenen Zuordnungen der
Differentialdiagnose werden vorzugsweise zur Anzeige und/oder Abspeicherung
weiterverarbeitet. Im Fall einer Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators
ist die Durchführung
von zumindest einer Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators 7 günstig, um
einen emissionsstabilen Betrieb mit niedrigem Kraftstoffverbrauch
zu ermöglichen.