DE10122301A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit katalytischer Abgasnachbehandlung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit katalytischer Abgasnachbehandlung

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit NO¶X¶-Speicherkatalysator oder Dreiwege-Katalysator. Der zeitliche Verlauf des NO¶X¶-Signals eines dem Katalysator nachgeschalteten NO¶X¶-Sensors, der sich bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung einstellt, wird zur Kalibrierung einer lambda-Sonde (10a) verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator oder Dreiwege-Katalysator.
Die Schadstoffemission von Ottomotoren kann durch eine katalytische Nachbehandlung wirksam vermindert werden. Dabei geht es im Wesentlichen darum, schädliche Bestandteile aus dem Abgas zu entfernen. Ein Katalysator fördert die Nachverbrennung von reaktiven CO und HC zu ungefährlichem Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) und reduziert gleichzeitig im Abgas vorkommende Stickoxide (NOx) zu neutralem Stickstoff (N2).
Üblich ist beispielsweise der Dreiwege-Katalysator, der alle drei Schadstoffe CO, HC und NOx gleichzeitig abbaut. Er hat ein Röhrengerüst aus einer Keramik, die mit Edelmetallen, vorzugsweise mit Platin und Rhodium beschichtet ist, wobei letztere den chemischen Abbau der Schadstoffe beschleunigen.
Das katalytische Dreiwege-Verfahren setzt voraus, daß das Gemisch stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Eine stöchiometrische Gemischzusammensetzung ist durch eine Luftzahl λ = 1,00 charakterisiert. Bei dieser Gemischzusammensetzung arbeitet der Katalysator mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Schon eine Abweichung von nur einem Prozent beeinträchtigt die Wirksamkeit der Schadstoffumsetzung erheblich.
Die bekannte λ-Sonde liefert zur Verwendung bei der Gemischregelung ein Signal über die augenblickliche Gemischzusammensetzung an das Steuergerät. Die λ-Sonde ist im Abgasrohr des Motors an einer Stelle eingebaut, an der über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Funktion des Systems nötige Abgashomogenität vorhanden ist.
Aus Verbrauchsgründen ist es wünschenswert, fremdgezündete Ottomotoren ähnlich wie Dieselmotoren bei möglichst vielen Betriebszuständen mit Luftüberschuß, also mager (λ < 1), zu betreiben, um so die Drosselverluste beim Ladungswechsel zu vermindern. Die erreichbaren λ-Werte sind vom Gemischaufbereitungskonzept des Grundmotors abhängig und können bei Schichtlademotoren oder Direkteinspritzern bis zum sechsfachen Luftüberschuß (λ = 6) reichen.
In dieser mageren Betriebsart sind die bekannten Dreiwege-Katalysatoren jedoch nutzlos, da sie ein stöchiometrisches (λ = 1) Gemisch und Abgas benötigen, um die Stickoxide (NOx) umzuwandeln.
Als Problemlösung sind NOx-Speicherkatalysatoren denkbar, die während des Magerbetriebs NOx aus dem Abgas entfernen, indem sie es speichern. Regenerationsphasen werden künstlich durch die Motorsteuerung erzeugt, wenn beispielsweise der NOx-Gehalt des Abgases hinter dem NOx-Speicherkatalysator einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Die Regeneration wird üblicherweise durch eine Einstellung des λ-Wertes der Hauptverbrennung (λM) von einem mageren Wert auf einen fetten Wert kleiner als 1, z. B. 0,75, begonnen. Sie wird dann beendet, wenn der λ-Wert hinter dem NOx-Speicherkatalysator (λK), der bei der Regeneration zunächst bei λ = 1 verharrt, unter einen Wert von typischerweise 0,98 fällt. In diesem Augenblick wird das Gemisch also wieder mager eingestellt.
NOx-Speicherkatalysatoren weisen im λ = 1-Betrieb die gleichen Eigenschaften wie Dreiwege-Katalysatoren auf.
Bestehende Abgasnachbehandlungssysteme der Abgasgesetzgebungsstufe EU4 oder ULEV weisen eine zweite λ-Sonde nach dem Katalysator auf und stellen darüber hinaus hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Gemischaufbereitungssysteme.
λ-geregelte Systeme in Serienfertigung weisen heute eine Genauigkeit von +/-1% auf. Damit kann der Wirkungsgrad eines Dreiwegekatalysators für ULEV-Niveau auch in Serienfertigung garantiert werden. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Genauigkeit der λ-Sondenkalibrierung zur genauen Einstellung des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ = 1).
Die erforderliche Genauigkeit und Langzeitstabilität der λ-Sonden und deren Kalibrierung verursachen allerdings hohe Kosten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, ein kostengünstigeres Verfahren und eine kostengünstigere Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator oder Dreiwege-Katalysator zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator oder Dreiwege-Katalysator gemäß Anspruch 1 bzw. das entsprechende Verfahren nach Anspruch 5 weisen den Vorteil auf, daß die Kalibrierung kostengünstig und genau im Betrieb durchgeführt werden kann.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß die an sich bekannte zweite λ-Sonde durch einen NOx-Sensor ersetzt wird und der zeitliche Verlauf des NOx-Signals des dem Katalysator nachgeschalteten NOx-Sensors, der sich bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung einstellt, zur Kalibrierung verwendet wird.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung in einer Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1, wobei ein lokales Minimum des NOx-Signals einem Wert von λ = 1 zugeordnet wird. Hierbei ergibt sich ein charakteristischer Signalverlauf, der einfach auswertbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Katalysatoreinrichtung ein NOx- Speicherkatalysators. Hier wird die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Rahmen einer Regenerationsphase des NOx- Speicherkatalysators eingeleitet. Somit läßt sich die Kalibrierung in einen bereits vorgesehenen Betriebsablauf sehr einfach integrieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Katalysatoreinrichtung ein Dreiwege-Katalysator. Hier wird die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Leerlauf eingeleitet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Kalibrierung adaptiv während des Betriebs des Ottomotors durchgeführt. Somit kann man auf die bisher erforderliche Langzeitstabilität verzichten.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten direkteinspritzenden Ottomotors mit NOx-Speicherkatalysator;
Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm der λ-Werte und des Signals des NOx-Sensors bei einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators beim Ottomotor nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Darstellung der λ-Abhängigkeit des NOx-Signals entsprechend dem Bereich (1)-(2)-(3) von Fig. 2 zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx- Speicherkatalysator gemäß einer Ausfrührungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die vorliegende Erfindung nachstehend anhand eines direkteinspritzenden Ottomotors mit NOx-Speicherkatalysator erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten direkteinspritzenden Ottomotors mit NOx-Speicherkatalysator.
In Fig. 1 bezeichnen 1 eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern A bis D, 2 einen Luftfilter, 3 eine Drosselklappe, 20 Ansaugleitungen und 40 Drallklappen zur Turbulenzerzeugung für die jeweiligen Zylinder A bis D, 9 eine Abgasleitung, 4a/4b einen jeweiligen Dreiwege-Vorkatalysator für die Zylindergruppe B, C bzw. A, D, 5 einen NOx- Speicherkatalysator (bzw. einen Dreiwege-Katalysator bei einer hier nicht weiter erläuterten alternativen Ausführungsform), 10a einen λM-Sensor, 10b einen λK-/NOx- Sensor sowie 8 einen Nachschalldämpfer.
Fig. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm der λ-Werte und des Signals des NOx-Sensors bei einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators beim Ottomotor nach Fig. 1, und Fig. 3 eine Darstellung der λ-Abhängigkeit des NOx-Signals entsprechend dem Bereich (1)-(2)-(3) von Fig. 2 zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der NOx-Regenerationsphase erfolgt durch geeignete Regelung der Gemischzusammensetzung über die Einspritzung eine Fetteinstellung der Hauptverbrennung. In Fig. 2 ist dies als abrupter Übergang von λM = 4,5 auf λM = 0,75 erkennbar. Im NOx-Speicherkatalysator 5 findet dann bei fettem Gemisch eine NOx- Reduktion statt.
Zunächst folgt der λK-Wert hinter dem NOx-Speicherkatalysator 5 dem λM-Wert und verharrt dann einige Zeit bei λK = 1. Die Regeneration wird solange durchgeführt, bis der λK-Wert, der vom Sensor 10b erfaßt wird, unter einen Wert von 0,98 fällt. Aufgrund des Totvolumens im Abgassystem erfolgt der Anstieg vom λM-Wert allerdings etwas verzögert.
Ebenfalls dargestellt in Fig. 2 ist das Verhalten des NOx-Signals des Sensors 10b. Unmittelbar nach Beginn der Regenerationsphase zeigt das NOx-Signal ein ausgeprägtes Maximum zur Zeit (1). Daraufhin erreicht das NOx-Signal ein Minimum zur Zeit (2) und schließlich steigt das NOx-Signal ab der Zeit (3) abrupt an.
Während das λ-Signal des Sensors 10b über einen weiten λ-Bereich auswertbar ist, gibt das NOx-Signal nur bei überstöchiometrischem und stöchiometrischem Betrieb (λ ≧ 1) die NOx-Konzentration korrekt wieder, während bei unterströchiometischem Betrieb (λ < 1) das Meßsignal aufgrund einer NH3-Querempfindlichkeit unabhängig von der tatsächlich abnehmenden NOx-Konzentration nach dem NOx-Speicherkatalysator 5 rasch wieder ansteigt. Bei λ = 1 Betrieb steigt die NOx-Konzentration im Abgas nach Katalysator bei einem Gemischfehler in Richtung Sauerstoffüberschuss (Magershift) wegen des im Mageren rasch abnehmenden Wirkungsgrads der NOx-Umsetzung. Beim NOx-Speicherkatalysator 5 tritt bei geringem Sauerstoffüberschuss noch keine wesentliche NOx-Speicherung ein, da die NO ⇒ NO2 Umsetzung nur sehr eingeschränkt stattfinden kann. Bei einem Gemischfehler in Richtung Kraftstoffüberschuss (Fettshift) liefert die NH3-Querempfindlichkeit eine schnell ansteigendes Meßsignal. Dieser Sachverhalt ist dazu nutzbar, das Gesamtverhalten des Gemischaufbereitungssystems anhand von physikalisch naturgesetzlich bedingten und damit jederzeit und zuverlässig wiederholbaren Vorgängen im Betrieb unabhängig von Kalibriergenauigkeit und Langzeitstabilität zu regeln. Daneben lassen sich aus dem Regelverhalten Informationen über den Zustand des Katalysators gewinnen.
Bei dem ausgeführten System mit λ-Messung vor (λM) und nach (λK) dem NOx- Speicherkatalysator ist bei λM-Änderungen über die λ = 1-Grenze hinweg ein charakteristisches Verhalten des λK zu beobachten. Bei Überschreiten der λ = 1- Grenze in beliebiger Richtung verharrt der Mittelwert des λK für einige Zeit in einem sehr engen, λ-Band zwischen 0,998 und 1,006, bevor es dem abweichenden λM folgt. Beim Dreiwege-Katalysator wird dies Verhalten von der Sauerstoffspeicherfähigkeit hervorgerufen. Beim NOx-Speicherkatalysator kommt in mager-fett-Richtung der in Form von NO2 gespeicherte Sauerstoff hinzu. Besteht der Zustand λM < 1 anhaltend, ist nach einiger Zeit kein Sauerstoff mehr im Katalysator gespeichert. Durch λM < 1 ist der Vorgang umkehrbar, das Verharren von λK entsteht hier durch das Befüllen des Sauerstoffspeichers. Erst wenn die Speichervorgänge abgeschlossen sind, folgt das λK dem λM. Erst dann beginnt die katalytische Umsetzung infolge des λ-Fehlers Wirkungsgrad einzubüßen.
Das System ist daher tolerant gegenüber λM-Fehlern, solange sie nicht zu lange andauern. Droht das System den Toleranzbereich zu verlassen, kündigt sich dies zuerst am Signal des NOx-Sensors 10b an. Der Sensor detektiert kurs vor Verlassen des Toleranzbereichs in Richtung Fett einen Anstieg der NH3 Produktion, den er durch einen raschen Anstieg des Signals anzeigt (Fig. 2, 3). Das Verlassen des Toleranzbereichs in Richtung Mager kündigt sich frühzeitig in einem Nachlassen der NOx-Umsetzung an, was ebenfalls mit einem Anstieg des NOx-Signals einhergeht. Das NOx-Signal dient daher als unmittelbarer Indikator für die Güte der katalytischen Umsetzung im Dreiwegebetrieb.
Im physikalisch richtigen λ = 1-Betrieb stellt sich bei genauem Einhalten der stöchimetrischen Gemischzusammensetzung und leeren O2- und NOx-Speichern ein eng begrenztes, lokales Minimum des Meßsignals ein, das bei geringen Abweichungen wieder verlassen wird. Damit ist es möglich, die λ-Regelung so zu verfeinern und zu ergänzen, daß sie Kalibrierfehler und Langzeiteffekte des Gesamtsystems bei erheblich gesteigerter Regelgüte selbsttätig kompensiert. Anhand dieses Minimum kann das System sich im Betrieb beim Kunden selbst adaptiv kalibrieren, so daß die Kosten für Einhaltung von Herstellungstoleranzen und Lebensdauerstabilität der Systemelemente und besonders der λ-Sonde deutlich sinken.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicher­ katalysator gemäß einer Ausfrührungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 4 bezeichnet Bezugszeichen 100 allgemein eine Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung des direkt einspritzenden Ottomotors 1 nach Fig. 1. Der Vorrichtung 100 wird insbesondere das λM-Signal des Sensors 10a und NOx- bzw. λK- Signal des Sensors 10b zugeführt. Anhand dieser und weitere (nicht gezeigter Eingangssignale) und vorgespeicherter Motorkennlinien ermittelt die Vorrichtung 100 für jeden Betriebszustand des Ottomotors 1 ein Gemischsteuersignal GS, welches eine jeweilige Gemischzusammensetzung über die Einspritzung und die Luftzufuhr bewirkt.
Bezugszeichen 110 bezeichnet die Kalibrierungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kalibrierungseinrichtung 110 gemäß dieser Ausführungsform ist derart gestaltet, daß sie den zeitlichen Verlauf des NOx- Signals eines dem NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteten NOx-Sensors, der sich bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung einstellt, zur Kalibrierung verwendet.
Bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 wird ein lokales Minimum des NOx-Signals einem Wert von λ = 1 zugeordnet. Die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 wird zweckmäßigerweise, wenn auch nicht unbedingt erforderlich, im Rahmen einer Regenerationsphase des NOx- Speicherkatalysators 5 einleitet.
Im Unterschied zu dem illustrierten Ausführungsbeispiel mit NOx-Speicherkatalysator muß bei einem Abgassystem mit Dreiwege-Katalysator die Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung separat gesteuert werden. Dies sollte bei einem möglichst stabilen Betriebszustand erfolgen, also z. B. im Leerlauf oder bei Dauervollgas.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, die Kalibrierung während der Regenerationsphase durchzuführen. Auch kann die λ-Änderung anders als beim gezeigten Beispiel durchgeführt werden, z. B. als Übergang von einem fetten zu einem mageren Gemisch o. ä. bzw. bei komplexeren Modulationen des λ-Verlaufs.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor (1) mit einer Katalysatoreinrichtung (5), insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator (5) oder einem Dreiwege-Katalysator, wobei der zeitliche Verlauf des NOx-Signals eines dem Katalysator (5) nachgeschalteten NOx-Sensors (10b), der sich bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung einstellt, zur Kalibrierung einer λ-Sonde (10a) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung in einer Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 besteht und ein lokales Minimum des NOx-Signals einem Wert von λ = 1 zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung ein NOx-Speicherkatalysator (5) ist und die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Rahmen einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators (5) eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung ein Dreiwege-Katalysator ist und die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Leerlauf eingeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung adaptiv während des Betriebs des Ottomotors (1) durchgeführt wird.
6. Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung für einen Ottomotor mit einer Katalysatoreinrichtung (5), insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator (5) oder einem Dreiwege-Katalysator, mit:
einer Kalibrierungseinrichtung (110), die derart gestaltet ist, daß sie den zeitlichen Verlauf des NOx-Signals eines dem Katalysator (5) nachgeschalteten NOx-Sensors (10b), der sich bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung einstellt, zur Kalibrierung verwendet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kalibrierungseinrichtung (110) derart gestaltet ist, daß sie bei einer Änderung der Gemischzusammensetzung der Hauptverbrennung in einer Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 ein lokales Minimum des NOx-Signals einem Wert von λ = 1 zuordnet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung ein NOx-Speicherkatalysator (5) ist und sie die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Rahmen einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators (5) einleitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung ein Dreiwege-Katalysator ist und sie die Änderung von einem mageren Gemisch mit λ < 1 zu einem fetten Gemisch mit λ < 1 im Leerlauf einleitet.
10. Verfahren nach einem der Anspürche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierungseinrichtung (110) der λ-Sonde (10a) adaptiv während des Betriebs des Ottomotors (1) arbeitet.
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