DE102004029899A1

DE102004029899A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE102004029899A1
Application number: DE200410029899
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2006-01-12
Also published as: WO2005124128A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 eines im Abgasstrang 3 der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Abgaskatalysators 5 wird vorgeschlagen, dass die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses anhand wenigstens eines im Abgaskatalysator 5 angeordneten Sauerstoffbeladungssensors 7 erfolgt, welcher die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators 5 direkt bestimmt und daraus den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 ableitet. Vorschlagsgemäß wird damit ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung bereitgestellt, welche, basierend auf dem mittleren Befüllungsrad des Sauerstoffspeichers, insbesondere auch die Alterung des Abgaskatalysators berücksichtigen und somit stets eine optimale Konvertierung der Abgasemissionen leisten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators.

Aus dem Stand der Technik sind zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses sogenannte Lambdasonden bekannt. Der normalerweise für binäre Lambdasonden verwendete Festkörperelektrolyt besteht aus einer ZrO-Keramik, die bei höheren Temperaturen eine elektrische Spannung erzeugt. Somit stellt sich an den Anschlüssen der Lambdasonde eine für das Luft/Kraftstoffverhältnis charakteristische galvanische Spannung ein. Da der Gradient dieser Spannung bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1 am stärksten variiert, eignen sich Lambdasonden insbesondere zur Überwachung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 1. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Sauerstoffbeladungsgrades des Abgaskatalysators anhand des Signals der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde nicht exakt möglich.

Für die optimale Konvertierung der im Abgas enthaltenen Emissionen stellt der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers jedoch eine höchst aussagekräftige Größe dar, so dass die Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators erfolgen soll.

In der Druckschrift DE 42 35 225 A1 ist eine Sensoranordnung zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators beschrieben. Diese Sensoreinrichtung arbeitet mit zwei Paaren bestehend aus jeweils einem Infrarotstrahler und einem in Bezug auf den Abgasstrom diametral gegenüberliegenden Infrarotsensor, wobei das eine Paar an der Eingangsseite und das andere Paar an der Ausgangsseite des Abgaskatalysators angeordnet ist. Aus einem Vergleich der von den beiden Paaren aufgenommenen Infrarotspektren wird die Reduktion der den Schadstoffanteil bildenden Gase CO, CO₂ und NO_x des Abgasgemisches und damit die Konvertierungsrate des Katalysators erhalten.

Aus der Druckschrift DE 43 44 961 A1 ist eine Auswertevorrichtung für ein Sondensignal einer beheizten amperometrischen Sauerstoffsonde bekannt, die in der Strömung des Abgases aus einem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Diese Sauerstoffsonde wird mit einer vorgegebenen Heizspannung betrieben, so dass ihr Innenwiderstand konstant bleibt. Dabei wird der Effekt, dass mit zunehmender Alterung der Sauerstoffsonde eine immer höhere Sondentemperatur bzw. Heizspannung erforderlich ist, mathematisch korrigiert, um bei der Angabe der im Abgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration temperatur- und alterungsbedingte Fehler zu vermeiden.

Darüber hinaus sind stationäre Einrichtungen zur Abgasanalyse von Kraftfahrzeugen bekannt, die zur Durchführung der gesetzlich vorgeschriebenen Abgasuntersuchungen verwendet werden. Diese Einrichtungen sind grundsätzlich dazu in der Lage, die Konzentration an Sauerstoff O₂ im Abgas zu bestimmen, können aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und der von ihnen benötigten Versorgungsspannung aber nicht innerhalb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators bereitzustellen.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses anhand wenigstens eines im Abgaskatalysator angeordneten Sauerstoffbeladungssensors erfolgt, welcher die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators direkt bestimmt und daraus den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers ableitet. Durch die Kenntnis der Sauerstoffbeladung kann zum Beispiel gewährleistet werden, dass der Abgaskatalysator bei etwa 50 % des mittleren relativen Befüllungsgrades seines Sauerstoffspeichers gehalten wird, um stets eine optimale Konvertierung der auftretenden Abgasemissionen NO_x und HC durchführen zu können, wobei die verbliebene Aktivität des Sauerstoffspeichers bzw. die Alterung des Katalysators berücksichtigt werden. Zudem kann durch die genaue Kenntnis der Sauerstoffbeladung während des instationären Betriebs der Brennkraftmaschine auch schnell auf etwaige Störgrößen wie Lastwechsel, Schub oder Schaltvorgänge reagiert werden, so dass der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers in kürzester Zeit wieder auf seinen optimalen Wert eingeregelt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch den Sauerstoffbeladungssensor zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung grundsätzlich auch auf die üblicherweise stromab des Abgaskatalysators angeordnete Lambdasonde verzichtet werden kann.

Zweckmäßig wird der aus dem Messsignal des Sauerstoffbeladungssensors abgeleitete mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers mit einem vor gegebenen Sollwert verglichen und wird der aus dem Vergleich erhaltene Vergleichs- oder Differenzwert zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet, so dass der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers auf den vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird.

Die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses kann zusätzlich in Abhängigkeit von dem Signal einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde erfolgen, um eine differenzierte Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zu ermöglichen, wobei die Gewichtung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators größer sein sollte als die Gewichtung des Lambdasondensignals.

Die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses sollte ferner auch in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit von der den Abgasstrang durchströmenden Abgasmasse erfolgen. Denn durch die mit hohen Lasten verbundenen großen Abgasmassen verändert sich bei einer Abweichung von Lambda = 1 auch der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators entsprechend schnell, während sich dieser bei geringen Lasten vergleichsweise langsam verändert.

Vorteilhaft bestimmt der Sauerstoffbeladungssensor die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, elektrochemisch, (infrarot-) spektrometrisch und/oder chromatographisch. Diese Bestimmungsverfahren sind für die Analyse verschiedenster Stoffe anwendbar und können unter Berücksichtigung der bei Kraftfahrzeugen vorgegebenen Rahmenbedingungen auch zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators verwendet werden. Selbstverständlich können diese Verfahren dabei auch miteinander kombiniert werden.

Da für die vorliegende Erfindung geeignete Abgaskatalysatoren zur Bindung von Sauerstoff unter anderem Cerium bzw. Ceroxide aufweisen, könnte die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators beispielsweise dadurch erfasst werden, dass der Sauerstoffbeladungssensor den Ablauf der chemischen Bindungsreaktion 2Ce₂O₃ + O₂ <-----> 4CeO₂ überwacht und anhand von Art und Menge der auftretenden Ceroxide auf die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators schließt.

Vorrichtungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe gelöst, indem zur Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses wenigstens ein im Abgaskatalysator angeordneter Sauerstoffbeladungssensor vorgesehen ist, durch welchen die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators bestimmbar ist und daraus der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers ableitbar ist. Denn die genaue Kenntnis der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik eine weitaus bessere Berücksichtigung der Alterung des Abgaskatalysators und somit auch eine bessere Konvertierung schädlicher Emissionen bei einem optimalen mittleren relativen Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators.

Günstigerweise ist der wenigstens eine im Abgaskatalysator angeordnete Sauerstoffbeladungssensor an einer repräsentativen Einbaulage im Abgaskatalysator bzw. zentral im Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators positioniert. Durch die Positionierung im Abgaskatalysator kann nicht nur der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers, sondern können auch die untere sowie die obere Befüllungsgrenze des Sauerstoffspeichers präzise bestimmt werden.

Zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators arbeitet der Sauerstoffbeladungssensor induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, elektrochemisch, (infrarot-)spektrometrisch und/oder chromatographisch, wobei auch Kombinationen denkbar sind

Ist der wenigstens eine im Abgaskatalysator angeordnete Sauerstoffbeladungssensor Teil einer Multisensoreinrichtung zur Bestimmung anderer im Abgas enthaltener chemischer Elemente bzw. Moleküle, so kann diese Information gegebenenfalls ergänzend herangezogen werden, um eine zusätzliche Überwachung der Konvertierungsrate zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in vereinfachter Darstellung; und
2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugstrang 2 und einem Abgasstrang 3. Innerhalb des Ansaugstrangs 2 ist eine Regelungseinrichtung 4 für das der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis angeordnet und innerhalb des Abgasstrangs 3 ist ein Dreiwege-Abgaskatalysator 5 mit einem Sauerstoffspeicher 6 angeordnet.
Zur direkten Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators 5 kann wenigstens ein Sauerstoffbeladungssensor 7 im Abgaskatalysator 5 vorgesehen sein. Aus der von diesem wenigstens einen Sauerstoffbeladungssensor 7 ermittelten Sauerstoffbeladung wird der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 des Abgaskatalysators 5 abgeleitet. Der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 wird daraufhin in einer Recheneinheit 8 mit einem vorgegebenen Sollwert für den Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 von beispielsweise 50 % seiner aktuellen Speicherka pazität verglichen. Und anhand des von der Recheneinheit 8 ausgegebenen Vergleichs- bzw. Differenzwertes erfolgt schließlich eine entsprechende Ansteuerung der Regelungseinrichtung 4 für das der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis, um eine optimierte Abgaskonvertierung zu erhalten.
Gegebenenfalls kann bei dieser Vorrichtung außerdem noch eine dem Abgaskatalysator 5 nachgeschaltete Lambdasonde 9 zur ergänzenden Regelung des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses vorgesehen sein.
Das in 2 gezeigte Verfahren zur Regelung des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses sieht zunächst gemäß dem Stand der Technik eine Lambdaregelung vor, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis bei 1 liegt. Ausgehend hiervon wird nicht nur beim stationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1, sondern wird insbesondere auch beim instationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1 emissionsbehaftetes Abgas erzeugt und zur Konvertierung in den Abgaskatalysator 5 geleitet. Die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators 5 wird mittels des Sauerstoffbeladungssensors 7 erfasst, so dass auf den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 geschlossen werden kann. Der so ermittelte Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 wird mit einem für die Konvertierung optimalen Sollwert verglichen und anhand der daraus resultierenden Differenz wird das der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis über die Regelungseinrichtung 4 neu geregelt, so dass sich der für den Sauerstoffspeicher 6 vorgegebene Sollwert einstellt.
Wie in 1 und 2 durch die gestrichenen Linien angedeutet, kann die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses gegebenenfalls noch zusätzlich durch das Signal einer dem Abgaskatalysator 5 nachgeschalteten konventionellen Lambdasonde 9 kontrolliert bzw. beeinflusst werden.

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugstrang
3: Abgasstrang
4: Regelungseinrichtung
5: Abgaskatalysator
6: Sauerstoffspeicher
7: Sauerstoffbeladungssensor
8: Recheneinheit
9: Lambdasonde

Claims

Verfahren zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses anhand wenigstens eines im Abgaskatalysator (5) angeordneten Sauerstoffbeladungssensors (7) erfolgt, welcher die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators (5) direkt bestimmt und daraus den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers (6) ableitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Messsignal des Sauerstoffbeladungssensors (7) abgeleitete mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers (6) mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und der aus diesem Vergleich erhaltene Vergleichs- bzw. Differenzwert zur Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem Signal einer dem Abgaskatalysator (5) nachgeschalteten Lambdasonde (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zudem in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine (1) bzw. in Abhängigkeit von der den Abgasstrang (3) durchströmenden Abgasmasse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungssensor (7) die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators (5) induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, elektrochemisch, spektrometrisch und/oder chromatographisch bestimmt.
Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses wenigstens ein im Abgaskatalysator (5) angeordneter Sauerstoffbeladungssensor (7) vorgesehen ist, durch welchen die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators (5) bestimmbar ist und daraus der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers (6) ableitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Abgaskatalysator (5) angeordnete Sauerstoffbeladungssensor (7) an einer repräsentativen Einbaulage im Abgaskatalysator (5) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Abgaskatalysator (5) angeordnete Sauerstoffbela dungssensor (7) zentral im Sauerstoffspeicher (6) des Abgaskatalysators (5) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbeladungssensor (7) zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators (5) induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, elektrochemisch, spektrometrisch und/oder chromatographisch arbeitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine im Abgaskatalysator (5) angeordnete Sauerstoffbeladungssensor (7) Teil einer Multisensoreinrichtung zur Bestimmung anderer im Abgas enthaltener chemischer Elemente bzw. Moleküle ist.