DE102005043414A1

DE102005043414A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005043414A1
Application number: DE102005043414A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Richard Hotzel; Hans Peter Geering; Theophil S. Auckenthaler; Christopher Onder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-15
Also published as: JP2009508125A; EP1926899A1; CN101263290A; WO2007031365A1; KR20080043828A; JP4703726B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors wird aus dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Breitbandsonde und dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Sprundsonde auf die Konzentration einzelner Gaskomponenten des Abgases, insbesondere mindestens einer von Sauerstoff verschiedenen Gaskomponente, geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Bestimmung von Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Gaskomponenten im Abgas von Verbrennungsmotoren, die mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Nähe des stöchiometrischen Gleichgewichtes betrieben werden, beispielsweise Ottomotoren in Fahrzeugen. Derartige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, welche die heutigen Abgasvorschriften, insbesondere in Europa oder in den Vereinigten Staaten von Amerika, erfüllen, besitzen einen Abgasstrang mit wenigstens einem Katalysator und zwei oder mehr Abgassonden zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, oder der mit diesem korrelierenden Luftzahl Lambda. Bei einer typischen Anordnung sind unmittelbar stromabwärts des Abgaskrümmers eine erste Abgassonde, die sogenannte "Regelsonde", in Strömungsrichtung hinter dieser ein (Drei-Wege-)Katalysator und stromabwärts des Katalysators eine weitere Abgassonde, die sogenannte "Führungssonde" angeordnet.
Auf der Regelsonde baut eine schnelle Lambdaregelung zur Kompensation großer Vorsteuerfehler der Gemischzusammensetzung auf. Die Führungssonde wird für einen überlagerten zweiten Regelkreis, die sogenannte Führungsregelung, genutzt, die der Kompen sation von Streuungen der Regelsonde sowie der Optimierung der Gemischzusammensetzung im Hinblick auf eine Emissionsreduzierung dient.

Es sind nun mehrere Typen von Abgassonden bekannt. Derartige Abgassonden sind beispielsweise in dem Fachbuch "BOSCH Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Vieweg-Verlag, 25. Auflage, 2003, Seiten 133, 134, beschrieben. Die dort beschriebenen Lambdasonden stellen ein Maß für die Luftzahl Lambda im Abgas von Verbrennungsprozessen bereit. Die Wirkungsweise der beschriebenen Lambdasonden beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperlelektrolyt. Die Oberflächen sind mit Elektroden aus einer gasdurchlässigen Platinschicht versehen. Durch die katalytische Aktivität des Platins wird das Abgas durch Nachverbrennen ins Gleichgewicht gesetzt, so daß sich der Sauerstoff-Gleichgewichtspartialdruck einstellt.

Es kommen nun heute im wesentlichen zwei Typen von Abgassonden, nämlich Sprungsonden und Breitbandsonden zum Einsatz. Die Sprungsonde stellt einen Sauerstoff-Konzentrations-Sensor dar und arbeitet nach dem Nernst-Prinzip. Hierbei wird die Potentialdifferenz über einem Elektrolyten gemessen, der auf einer Seite dem Abgas und auf der anderen Seite einem Referenzgas (Luft) ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck sind auf beiden Seiten Elektroden auf dem Elektrolyten aufgebracht. Die Potentialdifferenz wird als Sondensignal ausgegeben. Die Sondenkennlinie, das heißt die Kurve des Sondensignals über der Luftzahl Lambda, fällt bei Lambda = 1 stark ab. Aus diesem Grunde wird eine derartige Sonde auch als Sprungsonde bezeichnet.

Eine Breitbandsonde weist eine Mehrschichtkeramik auf. Sie besteht im wesentlichen aus einer Kombination aus einer Nernst-Sonde, das heißt aus einer als galvanische Zelle wirkenden Konzentrationssonde, sowie einer Grenzstrom- oder Pumpzelle. Über der Nernst-Zelle, auch als Sensorzelle bezeichnet, wird wie bei der Lambdasonde die Potentialdifferenz zwischen Abgas und einem Referenzgas gemessen. An die Pumpzelle, die im Grunde von gleicher Art ist wie die an sich bekannte Konzentrationszelle, wird von außen eine Spannung angelegt. Diese erzeugt einen als Pumpstrom bezeichneten Strom, mit dem – polaritätsabhängig – Sauerstoffionen transportiert werden. Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, daß die Pumpzelle dem Abgasvolumen, das in Kontakt mit der Sensorzelle steht, immer genau soviel Sauerstoff zu- bzw. aus ihm abführt, daß sich in dem Abgasvo lumen der Zustand Lambda = 1 einstellt, wobei im mageren Bereich, das heißt bei Luftüberschuß, Sauerstoff abgepumpt, wohingegen im fetten Bereich, das heißt bei Kraftstoffüberschuß, Sauerstoff zugeführt wird. Der durch die Regelschaltung eingestellte Pumpstrom hängt von der Luftzahl Lambda im Abgas ab. Er bildet das Ausgangssignal der Breitbandsonde. Der Aufbau der Sprungsonde sowie der Breitbandsonde und deren Sensorsignale gehen aus dem Fachbuch "BOSCH Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Vieweg-Verlag, 25. Auflage, 2003, Seiten 133, 134, auf die vorliegend verwiesen wird, hervor.

Als Regelsonde wird entweder eine Sprungsonde oder eine Breitbandsonde verwendet. Als Führungssonden kommen in der Regel Sprungsonden zum Einsatz.

Das Signal beider Sondentypen hängt zwar in erster Linie vom Lambdawert des Abgases ab, es wird aber auch durch eine unterschiedliche Abgaszusammensetzung bei gleichem Lambda beeinflußt, wobei diese Beeinflussung bei den beiden Sondentypen unterschiedlich ist. Dieser Einfluß basiert auf sogenannten Querempfindlichkeiten gegenüber bestimmten Abgaskomponenten. So wirkt sich insbesondere im fetten Bereich das Verhältnis zwischen Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) aus. In den Rohabgasen bleibt dieses Verhältnis weitgehend konstant. Stromabwärts eines Katalysators kann es jedoch in Abhängigkeit von der Katalysatorbeschichtung, der Katalysatoralterung und dem Betriebspunkt variieren. Dies führt zu einer nachteiligen Beeinträchtigung des Lambdasonden-Signals.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors anzugeben, welche nicht nur die Erfassung der Luftzahl Lambda, sondern auch die Bestimmung der Kohlenmonoxid (CO)-Konzentration und der Wasserstoff (H₂)-Konzentration ermöglichen.

Vorteile und Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der auf die unabhängigen Ansprüche jeweils rückbezogenen Unteransprüche.

Die Erfindung macht sich die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der beiden Sondentypen zunutze, um so nicht nur die Luftzahl Lambda, sondern auch die spezifischen Konzentrationen von Sauerstoff (O₂), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) im Abgas stromabwärts eines Katalysators zu messen. Hierzu wird aus dem Signal einer im Abgas stromabwärts des Katalysators angeordneten Sprungsonde und aus dem gleichzeitig erfaßten Signal einer in unmittelbarer Nähe zu der Sprungsonde im Abgas angeordneten Breitbandsonde auf die Konzentration der einzelnen Gaskomponenten des Abgases geschlossen.

Bevorzugt wird hierzu aus der Abhängigkeit des Signals der Sprungsonde von der Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und von der Konzentration von Wasserstoff (H₂) und aus der Abhängigkeit des Signals der Breitbandsonde von der Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und von der Konzentration von Wasserstoff (H₂) auf die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) geschlossen. Die Kenntnis dieser Konzentrationen kann für mehrere Zwecke genutzt werden. Zum einen ist die Kenntnis für die Kompensation der beschriebenen Querempfindlichkeiten und damit zur genaueren Bestimmung der Luftzahl Lambda vorteilhaft. Hierdurch läßt sich die Führungsregelung verbessern. Aus der Kenntnis der Konzentration der einzelnen Gaskomponenten kann darüber hinaus auch eine Bestimmung des Alterungszustandes des Katalysators, insbesondere zum Zwecke der On-Board-Diagnose, erfolgen. Schließlich ist die Kenntnis der Konzentration der Gaskomponenten auch für eine Korrektur eines Katalysatormodells in einer an sich bekannten modellgestützten Gemischregelung vorteilhaft.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der Zeichnung zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors und

2a die Abhängigkeit einer Sprungsonde von der CO- und H₂-Konzentration

2b die Abhängigkeit einer Breitbandsonde von der CO- und H₂-Konzentration.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In dem Abgasstrang 105 einer Brennkraftmaschine 100 ist unmittelbar stromabwärts des (nicht dargestellten) Abgaskrümmers eine erste Abgassonde 110 angeordnet, deren Ausgangsignal einer Steuereinrichtung 200 zugeführt wird. Diese Abgassonde 110 dient als sogenannte Regelsonde. Basierend auf ihrem Signal findet eine schnelle Lambdaregelung zur Kompensation großer Vorsteuerfehler in der Gemischzusammensetzung statt.

Auf die Regelsonde 110 folgt ein (Drei-Wege-)Katalysator 120. Stromabwärts des Katalysators 120 sind eine weitere Sprungsonde 130 sowie eine Breitbandsonde 140, die in unmittelbarer Nähe zur weiteren Sprungsonde 130 im Abgas angeordnet ist, vorgesehen. Die Ausgangssignale der weiteren Sprungsonde 130 und der Breitbandsonde 140 werden ebenfalls der Steuereinrichtung 200 zugeführt.

Stromabwärts des Katalysators 120 treten bei fettem Betrieb praktisch nur reduzierende, bei magerem Betrieb praktisch nur oxidierende Abgasbestandteile auf, das heißt einerseits Sauerstoff (O₂) (reduzierender Abgasbestandteil) und andererseits Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) (oxidierende Abgasbestandteile). Reduzierende und oxidierende Gasbestandteile treten mit anderen Worten nicht gleichzeitig im Abgas auf. Aus diesem Grunde kann im mageren Bereich das Signal der Breitbandsonde 140 zur Bestimmung der Sauerstoff (O₂)-Konzentration verwendet werden und auf diese Weise die Luftzahl Lambda bestimmt werden.

Im fetten Bereich muß dagegen gleichzeitig die Kohlenmonoxid (CO) und die Wasserstoff (H₂)-Konzentration bestimmt werden. Hierzu werden die in 2a, 2b dargestellten Abhängigkeiten der Sondensignale der Sprungsonde 130 und der Breitbandsonde 140 von der Kohlenmonoxid (CO)-Konzentration und von der Wasserstoff (H₂)-Konzentration verwendet. Der funktionale Zusammenhang des Sondensignals der Sprungsonde 130 von der Kohlenmonoxid (CO)- und von der Wasserstoff (H₂)-Konzentration unterscheidet sich signifikant vom funktionalen Zusammenhang des Sondensignals der Breitbandsonde 140 von der Kohlenmonoxid (CO)- und der Wasserstoff (H₂)-Konzentration. Die funktionalen Zusammenhänge können beispielsweise in Form von Kennfeldern in der Steuereinrichtung 200 gespeichert sein. Möglich ist es auch, daß die funktionale Abhängigkeit der Sondensignale von der Kohlenmonoxid (CO)- sowie von der Wasserstoff (H₂)-Konzentration approximiert werden und die entsprechenden Funktionen im Steuergerät 200 hinterlegt sind. Die gesuchte Kohlenmonoxid (CO)- sowie die gesuchte Wasserstoff (H₂)-Konzentration wird nun in dem Steuergerät 200 durch Inversion dieser Funktionen bestimmt, so daß aus den beiden Sondensignalen und deren funktionaler Abhängigkeit von den Konzentrationen die Konzentrationen ermittelt werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Sensoren 130, 140 auf einer einzigen Sonde in Form einer Mehrschichtkeramik integriert. Als Basis hierfür eignet sich die Breitbandsonde. Diese ist um eine Vorrichtung zur Messung der Spannung über der Pumpzelle zu ergänzen. Diese Spannung ist die Summe aus einerseits der Nernstspannung zwischen dem äußeren Abgas und dem auf Lambda = 1 eingestellten Abgasvolumen und, andererseits, einen zum Pumpstrom proportionalen Spannungsanteil. In Kenntnis des Ohm'schen Widerstandes der Pumpzelle wird dieser Spannungsanteil auf dem Pumpstrom berechnet. Durch Subtraktion dieses Spannungsanteils von der Gesamtspannung ergibt sich eine Signalspannung, die bis auf einen Offset die Charakteristik einer Sprungsonde aufweist. Die Berechnungen können entweder in dem integrierten Schaltkreis durchgeführt werden, der die elektronische Regelschaltung zur Einstellung von Lambda = 1 in dem Abgasvolumen realisiert, oder auf einem separaten Prozessor, beispielsweise einem Motorsteuergerät.

Alternativ kann auf einer Breitbandsonde eine zusätzliche Elektrode zur Messung der Nernst-Spannung zwischen dem äußeren Abgas und dem Referenzgas angeordnet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signal einer im Abgasstrom angeordeten Breitbandsonde (140) und dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Sprungsonde (130) auf die Konzentration einzelner Gaskomponenten des Abgases, insbesondere mindestens einer von Sauerstoff verschiedenen Gaskomponente, geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitbandsonde (140) und die Sprungsonde (130) am gleichen Ort im Abgastrakt oder in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man aus der Abhängigkeit des Signals der Sprungsonde von den Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und von Wasserstoff (H₂) und aus der Abhängigkeit des Signals der Breitbandsonde (140) von den Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und von Wasserstoff (H₂) auf die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) schließt.
Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch eine im Abgas angeordnete Breitbandsonde (140), eine im Abgastrakt angeordnete Sprungsonde (130) und eine Schaltungseinheit, welche das Signal der Breitbandsonde (140) und das Signal der Sprungsonde (130) zeitgleich erfaßt und auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprungsonde (130) und die Breitbandsonde (140) Teil einer einzigen Mehrschichtkeramik sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitbandsonde (140) und die Sprungsonde (130) im Abgastrakt so angeordnet sind, daß zwischen ihnen kein Katalysator liegt.