DE10023072B4 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Bestimmung einer NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (10) mittels einer in einem Abgaskanal (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), wobei in einer Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) ein Signal der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20) für eine Kalibrierung der Messeinrichtung (20) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schubabschaltungsphase mindestens ein vorgegebener Betriebsparameter der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), der einen Temperaturzustand der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), eine Temperatur des Abgases an der Position der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), einen Abgasmassenstrom und/oder einen NOx-Rohmassenstrom umfasst, überprüft wird und das während der Schubabschaltungsphase ermittelte Signal (OUT) der Messeinrichtung (20) mit dem mindestens einen Betriebsparameter derart korreliert wird, dass nur bei Einhaltung vorgegebener Toleranzbereiche für den mindestens einen Betriebsparameter das Signal (OUT) der Messeinrichtung (20) für die Kalibrierung übernommen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer NO_x-Konzentration eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
• Zur Durchführung einer Nachbehandlung von Abgasen von mindestens zeitweise mager laufenden Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, NO_x-Speicherkatalysatoren im Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Aufgrund der begrenzten NO_x-Speicherkapazität werden NO_x-Speicherkatalysatoren üblicherweise alternierend in NO_x-Einlagerungs- und Regenerationsphasen betrieben. Für einen optimalen Einsatz eines NO_x-Speicherkatalysators und damit für eine maximale Reduzierung einer NO_x-Emission ist es vorteilhaft, die Einlagerungs- und Regenerationsphasen des Katalysators in Abhängigkeit von einer hinter dem NO_x-Speicherkatalysator vorliegenden NO_x-Konzentration zu steuern. Dies setzt eine exakte Erfassung einer aktuellen NO_x-Konzentration voraus, wofür hinter dem Katalysator angeordnete NO_x-Sensoren eingesetzt werden.
• Jeder NO_x-Sensor weist ein individuelles Fehlermaß auf, das zur Abweichung eines angezeigten Messwertes von einem tatsächlich vorliegenden Ist-Wert der NO_x-Konzentration führt. Darüber hinaus ist mit einer Alterung eines NO_x-Sensors häufig eine Veränderung seiner Kennlinie, die ein Sensorsignal mit einer NO_x-Konzentration in Beziehung setzt, verbunden. Diese Ungenauigkeiten in der Kennlinie eines NO_x-Sensors führen zu Fehlern in der Steuerung des NO_x-Speicherkatalysators. Beispielsweise wird ein NO_x-Beladungszustand des NO_x-Speichers ungenau erkannt und eine Regeneration zu früh oder zu spät eingeleitet. Die Folge ist ein erhöhter Kraftstoffverbrauch beziehungsweise eine verstärkte NO_x-Emission.
• DE 44 34 197 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassauerstoffsensors im eingebauten Zustand anhand eines Vergleichs der Signalcharakteristik mit einem Referenzsensor mittels Vektoren- und Clusteranalyse unter Verwendung neuronaler Netze. Es ist hierbei an eine Anwendung in der Werkstatt gedacht, die den Ausbau des Sensors überflüssig macht.
• DE 42 24 219 C2 beschreibt eine Fehlerdiagnosevorrichtung für ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine, die anhand eines Vergleichs einer Vielzahl von Sensorsignalen mit jeweils vorgegebenen Betriebsbereichswerten einen Ausfall einer der Komponenten des Abgasrückführungssystems, etwa der Steuereinrichtung oder des gesamten Abgasrückführungsstrangs, feststellt.
• DE 198 10 483 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines NO_x-Sensors oder eines HC-Sensors, wobei in einer Betriebssituation, in der keine NO_x-Emission bzw. HC-Emission auftritt, das Sensorsignal als Offsetsignal abgespeichert wird. Als eine in diesem Sinn geeignete Betriebssituation wird im Falle des NO_x-Sensors ein kalter Motor vor einem Startvorgang oder eine Phase nach einer Regeneration eines vorgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators genannt. Auf der anderen Seite wird im Falle des HC-Sensors ein Schubbetrieb, in dem nahezu keine HC-Emission auftritt, verwendet, um das Offsetsignal zu bestimmen.
• Aus der DE 199 11 664 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines NOx-Sensors bekannt, bei dem in Betriebssituationen der Verbrennungskraftmaschine, in welchen die NO_x-Konzentration an der Position des Sensors hinreichend genau bekannt ist, das Sensorsignal erfasst und für eine Kalibrierung des NO_x-Sensors verwendet wird. Als ein solcher Betriebspunkt wird unter anderem eine Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine oder eine noch kalte Verbrennungskraftmaschine vor oder kurz nach dem Start genannt. Da in einer Schubabschaltungsphase keine Kraftstoffverbrennung erfolgt, kann von einer NO_x-Konzentration von Null ausgegangen werden und das erfasste Sensorsignal als Offsetsignal abgespeichert werden.
• Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass das Sensorsignal während einer Schubabschaltung nicht vollständig konstant ist. Dies kann zu Ungenauigkeiten in der Kalibrierung des Sensors führen und damit zu Fehlern in der Bestimmung der NO_x-Konzentration im Abgas.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der Kalibrierung einer NO_x-empfindlichen Messeinrichtung und der Bestimmung des NO_x-Gehaltes eines Abgases zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, während der Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine mindestens einen vorgegebenen Betriebsparameter der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung zu überprüfen und das während der Schubabschaltungsphase ermittelte Signal der Messeinrichtung, welches für eine Kalibrierung der Messeinrichtung herangezogen werden soll, mit dem mindestens einen Betriebsparameter zu korrelieren. Dabei wird das Signal der Messeinrichtung nur bei Einhaltung eines vorgegebenen Toleranzbereiches für den mindestens einen Betriebsparameter für die Kalibrierung übernommen. Hierfür ist ein unterer und/oder ein oberer Schwellenwert für den jeweiligen Parameter vorzugeben. Der mindestens eine. Betriebsparameter der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung umfasst einen Temperaturzustand der NOx-empfindlichen Messeinrichtung, eine Temperatur des Abgases an der Position der NOx-empfindlichen Messeinrichtung, einen Abgasmassenstrom und/oder einen NOx-Rohmassenstrom. Somit schließt der Begriff Betriebsparameter auch Umgebungsparameter der Messeinrichtung ein. Es wurde nämlich herausgefunden, dass das Signal der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung außer von der NO_x-Konzentration auch von verschiedenen Betriebs- und Umgebungsparametern der Messeinrichtung abhängt. Indem diese Parameter erfasst und mit dem Signal der Messeinrichtung korreliert werden, wird eine wesentlich höhere Genauigkeit der Kalibrierung der Messeinrichtung erzielt. Auf diese Weise kann mit einem minimalen verfahrenstechnischen Mehraufwand die Genauigkeit der NO_x-Konzentrationsbestimmung erhöht werden.
• Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Korrektur des Signals der Messeinrichtung in Abhängigkeit des beziehungsweise der Betriebsparameter anhand abgespeicherter Datenfelder oder Beziehungen erfolgt. Dies geschieht vorzugsweise nur dann, wenn der betreffende Parameter innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegt. Somit kann etwa eine Abweichung eines Ist-Wertes eines Parameters von einem Soll-Wert berücksichtigt werden.
• Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung betrifft ein Betriebsparameter einen Temperaturzustand der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung. Ferner können als Betriebsparameter eine Abgastemperatur an der Position der Messeinrichtung, eine Stärke des Abgasmassenstromes und/oder eine Stärke eines NO_x-Rohmassenstromes, welche beispielsweise aus dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine abgeleitet werden. kann, sein.
• Das Verfahren kann noch genauer gestaltet werden, wenn eine Mindestdauer vorgegeben wird, während der die vorgegebenen Kriterien für den jeweiligen Betriebsparameter der Messeinrichtung eingehalten sein müssen, so dass eine Trägheit der Antwort der Messeinrichtung berücksichtigt wird.
• Noch präziser wird das Verfahren, wenn während der Schubabschaltungsphase ein geeigneter Korrekturwert, insbesondere ein Minimum des Signalverlaufs der Messeinrichtung, ermittelt und für ihre Kalibrierung verwendet wird.
• Ein während einer Schubabschaltungsphase erfindungsgemäß ermitteltes Signal der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung wird bevorzugt für eine Offset-Korrektur (Nullpunkt-Korrektur) der Messeinrichtung verwendet.
• Die Erfindung wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, in der Mittel vorgesehen sind, die eingerichtet sind, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bevorzugterweise umfassen diese Mittel eine Steuereinheit, in der die Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte zur Bestimmung einer NO_x-Konzentration in digitaler Form hinterlegt ist. Die Steuereinheit kann vorteilhaft in ein Motorsteuergerät integriert sein.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
• Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Abgaskanals einer Verbrennungskraftmaschine und
• 2 einen Verlauf einer Sensorkennlinie eines NO_x-Sensors.
• Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Abgastrakt 12 mit einem optional hierin angeordneten Vorkatalysator 14 und einem NO_x-Speicherkatalysator 16 auf. Stromauf des Katalysatorsystems 14, 16 befindet sich eine Lambdasonde 18, mit deren Hilfe eine Lambdaregelung des der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt. Stromab des NO_x-Speicherkatalysators 16 ist außerdem ein NO_x-Sensor 20 in dem Abgaskanal 12 angeordnet. Eine Temperatur des Sensorelementes des NO_x-Sensors 20 wird durch eine Widerstands-Temperaturregelung 22 geregelt. Dabei wird in an sich bekannter Weise ein Widerstandswert eines Thermoelementes erfasst und bei Abweichungen des Widerstandswertes von einem Sollwert, der mit einer Solltemperatur korreliert, über einen Regler eine Heizleistung erhöht beziehungsweise reduziert, so dass sich der NO_x-Sensor 20 in einem Aufheiz- oder einem Abkühlzustand befindet. Die Signale der in dem Abgastrakt 12 angeordneten Sensoren 18, 20 sowie Widerstandswert und Betriebszustand des Widerstands-Temperaturelementes 22 werden an ein Motorsteuergerät 24 übermittelt, in welchem eine Steuereinheit 26 integriert ist. Das Motorsteuergerät 24 beziehungsweise die Steuereinheit 26 digitalisiert die eintreffenden Signale, verarbeitet sie entsprechend abgelegter Algorithmen und steuert in Abhängigkeit der Signale die Verbrennungskraftmaschine 10. Ferner finden verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 Eingang in das Motorsteuergerät 24.
• 2 zeigt einen vereinfachten Verlauf einer Kennlinie K eines NO_x-Sensors 20. Dabei ist das Ausgabesignal OUT des Sensors 20, das üblicherweise eine Spannung ist, in Abhängigkeit einer NO_x-Konzentration C_NOx des Abgases dargestellt. Die im Anwendungsbereich des NO_x-Sensors 20 linear verlaufende Kennlinie K wird durch ihre Steigung S (ihre Empfindlichkeit) sowie durch den sogenannten Offset OS, der einem Signal OUT in Abwesenheit von NO_x (C_NOx = 0) entspricht, charakterisiert. Für die Kalibrierung der Kennlinie K des NO_x-Sensors 20 ist die Bestimmung zweier Punkte auf der Kennlinie K notwendig. Ist im Besonderen der Nullpunkt der Kennlinie bekannt, so kann dieser immerhin für eine Offset-Korrektur herangezogen werden. Da in einer Schubabschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10, in der keine Kraftstoffverbrennung stattfindet, von einer NO_x-Konzentration C_NOx von Null ausgegangen werden kann, entspricht ein von dem NO_x-Sensor 20 in dieser Phase ausgegebenes Signal OUT folglich dem gesuchten Nullpunktwert und kann für eine Korrektur des Offset-Wertes OS des Sensors 20 herangezogen werden.
• Im Folgenden soll beispielhaft ein typischer Ablauf der erfindungsgemäßen Offset-Korrektur der Sensorkennlinie K skizziert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung soll dabei das Signal (OUT) des NO_x-Sensors 20 mit dem Temperaturzustand des Sensors 20 korreliert werden. Sobald die Verbrennungskraftmaschine 10 sich in einer Schubabschaltungsphase befindet, beginnt die Steuereinheit 26 mit einer Analyse des Signals (OUT) des NO_x-Sensors 20. Dabei wird für eine vorgegebene Zeitspanne nach Beginn der Schubabschaltungsphase ein geeigneter Korrekturwert aus dem Signalverlauf des NO_x-Sensors 20 ermittelt. Als Korrekturwert kommt jeder tiefe Signalwert, insbesondere jedes lokale Minimum des Signalverlaufes während dieser vorgegebenen Zeitspanne in Betracht. Dafür können beispielsweise Signalwerte, an denen eine Steigung des Signalverlaufes gleich oder nahe Null ist, mit an sich bekannten Algorithmen gesucht werden (im Folgenden Minimumsuche genannt). Die Minimumsuche hat unter anderem den Zweck, eine zeitliche Verzögerung zu berücksichtigen, mit der ein in der Schubabschaltungsphase erzeugtes Abgas die Position des NO_x-Sensors 20 erreicht. Diese zeitliche Verzögerung wird durch eine vom Abgas zurückzulegende Strecke sowie von einer Abgasgeschwindigkeit bestimmt. Gleichzeitig mit der Analyse des Signalverlaufes wird ein Temperaturzustand des NO_x-Sensors 20 anhand der von der Widerstands-Temperaturregelung 22 übermittelten Signale kontinuierlich verfolgt. Wurde nun von der Steuereinheit 26 während der Schubabschaltungsphase ein potentieller Korrekturwert (ein Minimum) des Sensorsignals gefunden, so führt die Steuereinheit 26 eine Abfrage zum Temperaturzustand des NO_x-Sensors 20 zum Zeitpunkt des Auftretens des minimalen Signalwerts des Sensors 20 durch. Dabei prüft die Steuereinheit 26 zunächst anhand des von der Widerstands-Temperaturregelung 22 übermittelten Widerstandswertes, ob die Temperatur des NO_x-Sensors 20 innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches lag. Wird diese Abfrage bejaht, kann ferner überprüft werden, ob der zulässige Temperaturbereich für eine vorgegebene Mindestdauer vor dem Auftreten des Minimums eingehalten wurde. Bei positiver Beantwortung dieser Abfrage kann von einer thermischen Äquilibrierung des NO_x-Sensors 20 zum Zeitpunkt des Minimums ausgegangen werden. Im Abfragealgorithmus der Steuereinheit 26 kann die Überprüfung einer zusätzlichen Bedingung vorgesehen sein, die fordert, dass nur ein während einer Aufheizphase oder während einer Abkühlphase des NO_x-Sensors 20 gefundenes Minimum für eine Kalibrierung des Sensors 20 übernommen wird. Nur bei Erfüllung aller vorgegebenen Kriterien wird der gefundene Signalwert des NO_x-Sensors 20 bestätigt. Da ein Sensorsignal empfindlich von der Sensortemperatur abhängig ist, kann vorteilhafterweise der gefundene Signalwert anhand eines in der Steuereinheit 26 abgespeicherten Datenfeldes korrigiert werden. Somit kann eine geringfügige Abweichung der Ist-Sensortemperatur von einer Soll-Sensortemperatur berücksichtigt werden. Der auf diese Weise bestätigte und gegebenenfalls korrigierte Signalwert (in diesem Fall das Minimum) wird anschließend als Nullpunkt für eine Offset-Korrektur des NO_x-Sensors 20 verwendet.
• Indem der Temperaturzustand des NO_x-Sensors 20 allein mittels der Widerstands-Temperaturregelung 22, mit welcher ein üblicher NO_x-Sensor ohnehin ausgestattet ist, überprüft wird, ist der apparative Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens äußerst gering.
• Die Korrelation des während der Schubabschaltungsphase ermittelten Signals OUT des NO_x-Sensors 20 mit mindestens einem Betriebsparameter, beispielsweise seiner Betriebstemperatur, führt zu einer sehr großen Zuverlässigkeit der Sensorkalibrierung. Insgesamt kann mit geringstem verfahrenstechnischem Aufwand die Genauigkeit der NO_x-Messung im Abgas und damit der Regelung des NO_x-Speicherkatalysators 16, erhöht werden.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgastrakt

14

Vorkatalysator

16

NO_x-Speicherkatalysator

18

λ-Sonde

20

NO_x-empfindliche Messeinrichtung/NO_x-Sensor

22

Widerstands-Temperaturregelung

24

Motorsteuergerät

26

Steuereinheit

c_NOx

NO_x-Konzentration

K

Kennlinie

OS

Offset

OUT

Signal

S

Steigung

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung einer NO_x-Konzentration eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (10) mittels einer in einem Abgaskanal (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20), wobei in einer Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) ein Signal der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20) für eine Kalibrierung der Messeinrichtung (20) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schubabschaltungsphase mindestens ein vorgegebener Betriebsparameter der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20), der einen Temperaturzustand der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), eine Temperatur des Abgases an der Position der NOx-empfindlichen Messeinrichtung (20), einen Abgasmassenstrom und/oder einen NO_x-Rohmassenstrom umfasst, überprüft wird und das während der Schubabschaltungsphase ermittelte Signal (OUT) der Messeinrichtung (20) mit dem mindestens einen Betriebsparameter derart korreliert wird, dass nur bei Einhaltung vorgegebener Toleranzbereiche für den mindestens einen Betriebsparameter das Signal (OUT) der Messeinrichtung (20) für die Kalibrierung übernommen wird.
2. Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur des Signals (OUT) in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters anhand abgespeicherter Datenfelder oder Beziehungen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturzustand der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20) mittels einer Temperaturregelung der Messeinrichtung (20), insbesondere einer Widerstands-Temperaturregelung (22), erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestdauer vorgegeben wird, während der die vorgegebenen Kriterien für den mindestens einen Betriebsparameter der Messeinrichtung (20) eingehalten werden müssen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schubabschaltungsphase aus dem Signalverlauf der Messeinrichtung (20) ein geeigneter Korrekturwert, insbesondere ein Minimum, ermittelt und für die Kalibrierung der Messeinrichtung (20) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das während einer Schubabschaltungsphase ermittelte Signal der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20) für eine Offset-Korrektur der Messeinrichtung (20) herangezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-empfindliche Messeinrichtung (20) ein NO_x-Sensor ist.
8. Vorrichtung zur Bestimmung einer NO_x-Konzentration eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (10) mittels einer in einem Abgaskanal (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20), insbesondere eines NO_x-Sensors, wobei ein in einer Schubabschaltungsphase der Verbrennungskraftmaschine (10) gemessenes Signal der NO_x-empfindlichen Messeinrichtung (20) für eine Kalibrierung der Messeinrichtung (20) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (26) vorgesehen sind, die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (26) umfassen, in der eine Prozedur zur Steuerung der Verfahrensschritte zur Bestimmung einer NO_x-Konzentration in digitaler Form hinterlegt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) in ein Motorsteuergerät (24) integriert ist.

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