DE10211781B4

DE10211781B4 - Verfahren und Einrichtung zur Überwachung und Regelung des Betriebes einer Brennkraftmaschine mit reduzierter NOx-Emission

Info

Publication number: DE10211781B4
Application number: DE2002111781
Authority: DE
Inventors: Wilfried Droste; Thomas Sommer; Axel Dipl.-Ing. Oberhäußer; Albert Dr.-Ing. Kießling
Original assignee: DOIT MECHATRONIK GmbH; Innecken Elektrotechnik & Co KG GmbH; Innecken Elektrotechnik & GmbH
Current assignee: DOIT MECHATRONIK GmbH; Innecken Elektrotechnik & Co KG GmbH; Innecken Elektrotechnik & GmbH
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-03-16
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2022-03-17
Also published as: DE10211781A1; WO2003078816A1

Abstract

Verfahren zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine (10) mit reduzierter NOx-Emission, mit einer Regelelektronik (21), der von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-NOx-Sensor (17) ein Messsignal zugeführt wird, wobei bei einer Regelabweichung ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft (15) zu Brennstoff (14) (Lamdawert) erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass im Abgasstrom (16) der Brennkraftmaschine außer dem vom NOx-Sensor (17) gemessenen NOx-Gehalt von einer Lamdasonde (18) der Restsauerstoffgehalt gemessen wird, und dass in mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen Lamda und NOx wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) gebildet und zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine (10) genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine mit reduzierter NOx-Emission, mit einer Regelelektronik, der von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-NOx-Sensor ein Messsignal zugeführt wird, wobei bei einer Regelabweichung ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas (Lamdawert) erfolgt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen entstehen Abgase mit verschiedenen Schadstoffen, darunter Stickoxide NOx, deren Emissionen unterhalb bestimmter Grenzwerte gehalten werden müssen. Zwecks Minderung der NOx- Emissionen ist es bekannt, im Abgaskanal der Brennkraftmaschine mittels einer sogenannten Lamdasonde den Restsauerstoffgehalt und damit den das Verhältnis Brennluft zu Brenngas kennzeichnenden Lamdawert zu messen und in einem Bereich zu halten, in dem ein Abgaskatalysator den NOx-Gehalt reduzieren kann. Auch ist es bekannt, in Abhängigkeit des gemessenen Lamdawertes einen Regeleingriff auf den Gemischregler Brennluft/Brenngas der Brennkraftmaschine in der Weise vorzunehmen, dass eine niedrige NOx-Emission resultiert.

Aus der DE 197 54 354 C1 es bei einem Diesel-Gasmotor bekannt, die Motor-Brennraumtemperatur zu messen, die bei jeder Laststufe mit der NOx-Emission korreliert, und in Abhängigkeit dieser Meßgröße einen Regeleingriff auf den Gemischregler in der Weise vorzunehmen, dass die NOx-Emission optimiert ist.

Zwecks Minderung der NOx-Emission einer Brennkraftmaschine ist es aus der DE 197 19 278 A1 bekannt, einen Teilstrom des Abgases, das eine Art nicht mehr reagierendes Inertgas darstellt, dem in die Brennkaftmaschine einzuführenden Luft-Brenngas-Gemisch zuzumischen und auf diese Weise die Verbrennungstemperatur und damit auch die NOx-Emission abzusenken.

Aus der DE 37 21 572 A1 sowie der DE 100 11 612 A1 es bekannt, im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx anzuordnen, am Ausgang bzw. Eingang dieses Katalysators den NOx-Gehalt zu messen und in dessen Abhängigkeit eine Dosiereinrichtung zur Eindüsung einer bestimmen Menge Ammoniak in den Abgasstrom anzusteuern.

Aus der EP 0 259 382 B1 ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine als sogenannten Magermotor zu betreiben, d.h. bei Lamdawerten deutlich größer 1,0, und als Messwertgeber nicht eine Lamdasonde bzw. Sauerstoff-Sonde einzusetzen, sondern als Ersatzmessgröße den Druck des Brenngas-Luft-Gemisches vor den Einlassventilen des Motors anzuwenden.

Weiterhin ist es aus der DE 100 04 330 A1 bekannt, im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine die NOx-Konzentration mit einem NOx-Sensor kontinuierlich wertemäßig zu erfassen und in Abhängigkeit dieser Meßgröße einen Regeleingriff auf den Gemischregler zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas vorzunehmen und dabei die NOx-Emission in Grenzen zu halten. Ein solcher Betrieb einer Brennkraftmaschine wäre allerdings nur für einen begrenzten Regelbereich zuverlässig realisierbar, wie nachstehend erläutert wird.

Bei den bekannten Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emission in Abgasen von Brennkraftmaschinen mit Einsatz einer Lamdasonde oder eines NOx-Sensors werden die folgenden Umstände nicht hinreichend berücksichtigt:
Lamdasonden, die den Restsauerstoffgehalt im Abgas messen, sind optimiert für einen Lamdawert = 1,0, d. h. für geringe Sauerstoffkonzentrationen. Sie sind nicht zum Messen höherer Sauerstoffkonzentrationen ausgelegt, und sie decken daher nicht den gesamten Regelbereich des Motors ab. Bei den sogenannten Magermotoren, die im Lamdabereich von z. B. größer 1,7 betrieben werden, liefert die Lamdasonde ungenaue Messergebnisse, weil der Steigungswinkel der Kurve des Restsauerstoffgehaltes, aufgetragen über dem Lamdawert, schon sehr klein wird. Andererseits ist die Regelung des Betriebes einer Brennkraftmaschine über die gemessene NOx-Emission ebenfalls nicht über einen größeren Regelbereich zuverlässig, weil der Kurvenverlauf der NOx-Messwerte, aufgetragen über Lamda, besonders ungenaue Messergebnisse im sogenannten fetten Motor-Betriebsbereich liefert. D. h. bei kleinen Lamdawerten verläuft die Kurve des NOx-Gehaltes, aufgetragen über dem Lamdawert, im Bereich des Motor-Fettbetriebes annähernd waagerecht. Der Fettbetrieb des Motors wird aber immer zwangsläufig z. B. dann durchlaufen, wenn der Motor gestartet wird oder noch kalt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Brennkraftmaschine eine Überwachung und Regelung zu schaffen, die in der Lage ist, sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb die Brennkraftmaschine auf jeden Arbeitspunkt zu regeln und damit die NOx-Emission wirkungsvoll zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig mit einem Regelverfahren mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit einer Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen Ansprüche 2 bis 6.

Beim erfindungsgemäßen Regelverfahren werden im Abgasstrom der Brennkraftmaschine während des gesamten Betriebes, also sowohl im Fettbetrieb als auch im anzustrebenden Magerbetrieb des Motors, die NOx-Konzentration und gleichzeitig die Restsauerstoffkonzentration bzw. der Lamdawert gemessen. In mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen Lamda und NOx ist wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Motorkennlinie als Regelkennlinie gebildet und gespeichert worden, die bei einer Regelabweichung zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere durch Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas genutzt wird besonders mit dem Ziel, die NOx-Emission bei allen Betriebszuständen des Motors in kontrollierten Grenzen zu halten.

Die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie ist nach einem besonderen Merkmal der Erfindung durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde ermittelten invertierten und ggf. normierten Werten und den vom NOx-Sensor ermittelten invertierten Werten, jeweils aufgetragen über den Lamdawerten, entstanden Vgl. Anspruch 2. Im Fettbetrieb des Motors ist für die Regelung die gemessene Restsauerstoffkonzentration im Abgas dominierend, und im Magerbetrieb des Motors ist für die Regelung die gemessene NOx-Konzentration im Abgas dominierend. Die Differenz-Regelkennlinie und die Verhältnis-Regelkennlinie können qualitativ auch zu einer einzigen repräsentativen Regelkennlinie zusammengefasst sein, aus der jeweils ein Kennwert der Regelelektronik aufgeschaltet wird.

Eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur Durchführung des Regelverfahrens wird, wie aus obiger Angabe dem Grunde nach schon hervorgeht, durch die Gesamtheit der Maerkmale des Anspruchs 7 gelöst.

Die Erfindung und deren weitere Merkmale und Vorteile werden anhand des in der Zeichnung schematisch ausgeführten Ausführungsbeispieles näher erläutert, so dass der Fachmann sie ausführen kann.
Die Zeichnung zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 10, der über einen Mischer 11, Gemischleitung 12 und Drosselklappe 13 ein Gemisch aus Brennstoff 14 und Luft 15 zugeführt wird. Im Abgaskanal 16 der Brennkraftmaschine 10 ist sowohl ein NOx-Sensor 17 als auch eine Lamdasonde 18 angeordnet, die jeweils durch eine Signalleitung 19 bzw. 20 mit einer programmierbaren Regelelektronik 21 verbunden sind, in welcher während des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 ständig Messsignale über den NOx-Gehalt und den Lamdawert bzw. Restsauerstoffgehalt des Abgases eingehen.
In der Regelelektronik 21 ist wenigstens eine stetige Regelkennlinie 22 abgespeichert, die in mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen NOx und Lamda gebildet ist und zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 genutzt wird in der Weise, dass bei einer Regelabweichung von der Regelelektronik 21 über Ausgangssignalleitung 23 ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennstoff zu Brennluft im Mischer 11 erfolgt.
Die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Kennlinie 22 kann durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde 18 ermittelten invertierten und ggf. normierten Werten und den vom NOx-Sensor 17 ermittelten invertierten Werten, jeweils aufgetragen über den Lamdawerten oder umgekehrt, entstanden sein, wobei die Differenz-Regelkennlinie und/oder die Verhältnis-Regelkennlinie oder die daraus gebildete einzige repräsentative Regelkennlinie 22 an jedem Arbeitspunkt, z.B. Arbeitspunkt 24, über Signalleitung 25 in der Regelelektronik 21 als Regelgröße verwendet wird. Bei der beispielhaft aufgezeichneten Kurve der Regelkennlinie 22 sind die o.g. Differenz- bzw. Verhältnis-Kennwerte auf der Ordinate und die zugehörigen Lamdawerte auf der Abszisse aufgetragen.
Bei der erfindungsgemäßen Überwachung und Regelung des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 dominiert bei fettem Brennstoff-Luft-Gemisch, also beim Motorstart bzw. bei kaltem Motor, das von der Lamdasonde 18 gelieferte Messsignal 20, und bei dem mit warmem Motor anzustrebenden Magermotorbetrieb mit Lamdawerten von z.B. größer 1,5 dominiert das von dem NOx-Sensor 17 gelieferte Messsignal 19. Jedenfalls ist die erfindungsgemäße Regelung in der Lage, sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb die Brennkraftmaschine 10 auf jeden Arbeitspunkt zu regeln und damit die NOx-Emission des Abgases 16 kontrolliert wirkungsvoll zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Motorregelung kommt im Prinzip mit den beiden relativ preiswerten Gassensoren 17 und 18 aus. Der Regelelektronik 21 können außer den vom NOx-Sensor 17 und der Lamdasonde 18 gelieferten Messgrößen aber auch noch weitere Motorkenndaten wie Motorlast, Abgastemperatur etc. aufgeschaltet werden, um die Regelung weiter zu optimieren.

Claims

Verfahren zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine (10) mit reduzierter NOx-Emission, mit einer Regelelektronik (21), der von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-NOx-Sensor (17) ein Messsignal zugeführt wird, wobei bei einer Regelabweichung ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft (15) zu Brennstoff (14) (Lamdawert) erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass im Abgasstrom (16) der Brennkraftmaschine außer dem vom NOx-Sensor (17) gemessenen NOx-Gehalt von einer Lamdasonde (18) der Restsauerstoffgehalt gemessen wird, und dass in mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen Lamda und NOx wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) gebildet und zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine (10) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde (18) ermittelten invertierten Werten und den vom NOx-Sensor (17) ermittelten invertierten Werten, jeweils aufgetragen über den Lamdawerten, entstanden ist, wobei die Differenz-Regelkennlinie und/oder die Verhältnis-Regelkennlinie, die beide keinerlei Unstetigkeiten aufweisen, an jedem Arbeitspunkt in der Regelelektronik (21) als Regelgröße verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz-Regelkennlinie und die Verhältnis-Regelkennlinie qualitativ zu einer einzigen repräsentativen Regelkennlinie (22) zusammengefasst sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkennlinien (22) in der Regelelektronik (21) abgespeichert und/oder der Regelelektronik über eine Datenschnittstelle aufschaltbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten der Abgas-NOx-Konzentration, Abgas-Restsauerstoffkonzentration und aus gemessenen weiteren Motorkenndaten wie Motorlast und Abgastemperatur von einem Mikroprozessor nach einer mathematischen Formel ein Kennwert errechnet und dieser der Regelelektronik (21) aufgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelelektronik (21) zu den Messwerten der Konzentration von NOx und Restsauerstoff/Lamda multiplikativ und/oder additiv Korrekturfaktoren aufgeschaltet werden, die durch Motorkenndaten gebildet sind. aufgeschaltet werden, die durch Motorkenndaten gebildet sind.
Regeleinrichtung zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine (10) mit reduzierter NOx-Emission, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Abgaskanal (16) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten NOx-Sensor (17) und durch eine Lamdasonde, (18), die beide über je eine Signalleitung (19 bzw. 20) mit einer Regelelektronik (21) zum Regeleingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine (10) verbunden sind, wobei in der Regelelektronik (21) Motorkennlinien bzw. Regelkennlinien (22) abgespeichert sind, gebildet im wesentlichen aus der Differenz und/oder dem Verhältnis der Messgrößen Restsauerstoff und NOx im Abgas aufgetragen über Lamda.