DE102006053841A1

DE102006053841A1 - Verfahren zur Diagnose eines NOx-Messaufnehmers

Info

Publication number: DE102006053841A1
Application number: DE200610053841
Authority: DE
Inventors: Tino Arlt; Bertrand Dr. Lemire; Gerd Dr. Rösel; Norbert Dr. Sieber; Tim Walde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2008058832A1

Abstract

Der NOx-Messaufnehmer (1, 24) weist zwei Messzellen (4, 8) auf, wobei der ersten Messzelle (4) das zu messende Abgas zugeführt wird und mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes (IPO) eine Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. Die zweite Messzelle (8) ist mit der ersten Messzelle (4) verbunden und mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes (IP1) wird eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt und beide Messzellen liegen in einem Festkörperelektrolyten. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird laufend die NOx-Konzentration $I1 mittels des NOx-Messaufnehmers (1, 24) gemessen und überprüft, ob vorgegebene Diagnosebedingungen erfüllt sind. Bei Erfülltsein der Bedingungen wird vom Messbetrieb auf einen Diagnosebetrieb umgeschaltet, indem der Sollwert für den Sauerstoffionen-Pumpstrom (IPO) der ersten Messzelle (4) von einem vorgegebenen ersten Wert (AP) auf einen vorgegebenen zweiten Wert (DP) derart geändert wird, dass NOx in der ersten Messzelle (4) zerstört wird. Nach Erreichen eines stabilen Wertes für die Nox-Konzentration $I2 wird dieser Wert mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches des NOx-Messaufnehmers (1, 24) hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit bewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines NOx-Messaufnehmers gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches 1.
Um den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben werden können, da der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine im Magerbetrieb besonders hoch ist. Zur Erfüllung geforderter Abgasgrenzwerte ist jedoch im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine regelmäßig eine spezifische Abgasnachbehandlung erforderlich, da ansonsten Grenzwerte hinsichtlich zulässiger NOx-Emissionen überschritten würden.
Deshalb werden NOx-Speicherkatalysatoren verwendet, die aufgrund einer besonderen Beschichtung in der Lage sind, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren, die bei magerer Verbrennung entstehen. Zur Entleerung eines solchen NOx-Speicherkatalysators ist eine Regeneration erforderlich, in der gespeicherte NOx-Verbindungen im NOx-Speicherkatalysator in unschädliche Verbindungen umgewandelt werden, wenn ein Reduktionsmittel zugegeben wird. Als Reduktionsmittel können beispielsweise Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff verwendet werden.
Alternativ hierzu können zur Abgasnachbehandlung von mager-laufenden Brennkraftmaschinen nach dem Otto- oder Dieselprinzip Katalysatorsysteme mit selektiver katalytischer Reaktion eingesetzt werden, zu deren Steuerung ebenfalls ein NOx-Messaufnehmer eingesetzt wird.
Zur Auslösung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators sowie zur Beladungsgradermittlung NOx-Speicherkatalysators wird in der Regel das Signal eines stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensors herangezogen.
Beispielsweise ist zur Messung der NOx-Konzentration ein Dickschicht-Messaufnehmer in der Veröffentlichung N. Kato et al., "Thick Film ZrO2 NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 980170, 1989, oder in N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Messaufnehmer weist zwei Messzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Messkonzept: In einer ersten Messzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Messzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer Messelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Messaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z.B. 750°C, gebracht.
Durch Komponenten im Abgas, insbesondere Magnesium, oder ähnliche Substanzen kann es zu einer Vergiftung des NOx-Messaufnehmers kommen, so dass das Signal des NOx-Messaufnehmers nicht den wahren Gehalt an NOx im Abgas wiedergibt und deshalb nicht mehr brauchbar ist. Liefert der NOx-Messaufnehmers falsche oder gar keine NOx-Werte, so führt dies zu einer nicht zu duldenden Erhöhung der NOx-Emissionen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten NOx-Messaufnehmers anzugeben, das es mit einfachen Mitteln erlaubt, einen vergifteten NOx-Messaufnehmers von einem fehlerfreien NOx-Messaufnehmers zu unterscheiden.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der NOx-Messaufnehmers zwei Messzellen aufweist, wobei der ersten Messzelle das zu messende Abgas zugeführt wird und mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes eine Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. Die zweite Messzelle ist mit der ersten Messzelle verbunden und mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes wird eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt und beide Messzellen liegen in einem Festkörperelektrolyten. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird laufend die NOx-Konzentration mittels des NOx-Messaufnehmers gemessen und überprüft, ob vorgegebene Diagnosebedingungen erfüllt sind. Bei Erfülltsein der Bedingungen wird vom Messbetrieb auf einen Diagnosebetrieb umgeschaltet, indem der Sollwert für den Sauerstoffionen-Pumpstrom der ersten Messzelle von einem vorgegebenen ersten Wert auf einen vorgegebenen zweiten Wert derart geändert wird, dass NOx in der ersten Messzelle zerstört wird. Nach Erreichen eines stabilen Wertes für die NOx-Konzentration wird dieser Wert mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches der NOx-Messaufnehmers hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit bewertet.
Auf diese Weise lässt sich auf einfache Weise ein fehlerfreier von einem vergifteten NOx-Messaufnehmers unterscheiden und somit erhöhte Emissionen von NOx aufgrund fehlerhaftem oder nicht vorhanden NOx Signal sicher vermeiden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, bei der ein NOx-Messaufnehmer Anwendung findet,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Messaufnehmer mit schematisch dargestellter Schaltung,
3 verschiedene Kennlinien eines NOx-Sensors und
4 ein Diagramm, welches die Verstimmung des Sollwertes des Pumpstromes in der ersten Messzelle in Abhängigkeit der gemessenen NOx-Konzentration zeigt.
2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Messaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Messaufnehmer 1 wird in der in 1 dargestellten Vorrichtung als Messaufnehmer 24 zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Messwerte des NOx-Messaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx-Messaufnehmer 24 verbunden ist, und dem Betriebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzuführsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, dass ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Messaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhalten zeigt.
Der Messaufnehmer 24, 1 ist in 2 detaillierter dargestellt. Der aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO₂ bestehende, eine elektrische Heizeinrichtung 13 aufweisende Messaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert dabei durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Messzelle 4.
Zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in dieser Messzelle 4 wird eine Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Dabei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 angeordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt.
Mit der Nernstspannung V0 als Führungsgröße regelt ein als digitaler Regler C0 dienender Mikrocontroller über eine Stellspannung eine spannungsgesteuerte Stromquelle UI0, die einen ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des Messaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt.
Die so ausgebildete erste Schaltkreisanordnung stellt somit in der ersten Messzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein.
Die zweite Messzelle 8 ist mit der ersten Messzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Messzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Messzelle 8. In der zweiten Messzelle 8 wird über eine ähnliche Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung abgegriffen. Die Einzelheiten des Nernstspannungsabgriffes werden nachstehend noch erläutert. Mit der zweiten Nernstspannung V1 als Führungsgröße regelt ein digitaler Regler C1, der beispielsweise in dem für Regler C0 verwendeten Mikrocontroller verwirklicht werden kann, mittels einer zweiten Stellspannung eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle UI1, die einen zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 aus der zweiten Messzelle 8 hinaustreibt.
Diese zweite Schaltkreisanordnung stellt somit in der zweiten Messzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein, die anders ist als die in der ersten Messzelle 4. Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, dass NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere keine Zersetzung stattfindet.
Das NOx wird nun an der Messelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 von der Messelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Messzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 im Wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen, die aus der Zersetzung von NOx an der Messelektrode 10 stammen. Zum Treiben des Pumpstromes IP2 wird eine dritte Nernstspannung V2 zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgegriffen. Die Einzelheiten dieses Nernstspannungsabgriffes werden nachstehend noch erläutert werden. Mit dieser dritten Nernstspannung V2 als Führungsgröße regelt ein Regler C2 über eine dritte Stellspannung eine dritte spannungsgesteuerte Stromquelle UI2, die den Pumpstrom IP2 treibt, der ein Maß für die NOx-Konzentration in der Messzelle 8 und somit im zu messenden Abgas ist.
Diese dritte Schaltungsanordnung treibt somit den Messstrom darstellenden Pumpstrom aus Sauerstoffionen aus der zweiten Messzelle 8 heraus.
Beim Abgriff der Nernstspannungen V0, V1, V2 werden diese an eine Konditionierschaltung geleitet, die dem jeweiligen A/D-Port des Mikrocontrollers vorgeschaltet ist. Dabei ist für jeden A/D-Port eine Konditionierschaltung vorgesehen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise der DE 199 07 947 B4 entnehmbar.
In dem Diagramm gemäß 3 ist auf der Abszisse der tatsächliche Wert der NOx-Konzentration NOx im Abgas in der Einheit ppm (parts per million) aufgetragen, während auf der Ordinate die Messwerte für die vom NOx-Messaufnehmer erhaltene NOx-Konzentration N ^ Ox, ebenfalls in der Einheit ppm aufgetragen sind. Mit dem Bezugszeichen NK ist eine so genannte Nominalkennlinie für den NOx-Messaufnehmer 1, 24 eingetragen. Liegen die gemessenen Werte für die NOx-Konzentration innerhalb eines durch die mit strichlinierter Darstellung eingezeichneten Schwellen S1 und S2 festgelegten Toleranzbandes mit dem veränderlichen Abstand T, so ist der NOx-Messaufnehmer als in Ordnung einzustufen. Die Nominalkennlinie für den NOx-Messaufnehmer sowie die Schwellen S1 und S2 sind der Spezifikation des Herstellers des NOx-Messaufnehmers zu entnehmen. Die Kennlinie für einen durch Vergiftungen geschädigten NOx-Messaufnehmer zeigt die Kennlinie VK. Eine Vergiftung des NOx-Messaufnehmers kann beispielsweise durch im Abgas enthaltenes Magnesium oder ähnliche Substanzen hervorgerufen werden. Eine Vergiftung wirkt sich durch eine Verringerung der Empfindlichkeit des NOx-Messaufnehmer aus, was sich in der gezeigten Darstellung als eine Veränderung der Kennlinie NK in Richtung geringerer Steigung (Kennlinie VK) ausdrückt.
Das Diagramm nach 4 zeigt den Verlauf der gemessenen NOx-Konzentration NOx in Abhängigkeit von dem Pumpstrom IP0 in der ersten Messzelle 4 (2) in der Einheit μA. Mit dem Bezugszeichen AP ist der Arbeitspunkt im fehlerfreien Betrieb des NOx-Messaufnehmers aufgezeigt, d. h. er müsste bei einem Pumpstrom von beispielsweise –7μA einen Messwert von 1100ppm anzeigen. Tatsächlich liefert er aber nur einen Messwert von 300ppm. Durch Verschieben des Arbeitspunktes nach rechts, d.h. in Richtung höheren Pumpstromes IP1 bis zu einem vorgegebenen Wert, hier als Diagnosepunkt DP bezeichnet und mit beispielsweise 15μA eingezeichnet, und anschließendem Auswerten des dabei auftretenden Offsets, lässt sich eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit des NOx-Messaufnehmers treffen. Bei einem vergifteten NOx-Messaufnehmer sinkt das NOx-Signal bis auf den Wert Oppm, d.h. man kann die gesamte Menge an NOx in der ersten Zelle zersetzen (Offset = 0). Bei einem fehlerfreien NOx-Messaufnehmers kann man nicht die ge samte Menge an NOx zersetzen, sondern es bleibt ein Rest übrig, dessen Betrag abhängig von dem Restsauerstoffgehalt im Abgas abhängt.
Im Diagramm nach 4 sind deshalb jeweils 3 Kennlinien für unterschiedliche Restsauerstoffgehalte (0%, 10% und 20% für einen fehlerfreien NOx-Messaufnehmer (Nominalkennlinien, hier als Standart Std bezeichnet) und für einen vergifteten NOx-Messaufnehmer (Magnesiumvergiftung, Mg) eingetragen. Ein Restsauerstoffgehalt von 0% korreliert mit einer Luftzahl Lambda = 1, ein Restsauerstoffgehalt von 20% korreliert mit dem Betriebszustand Schubabschaltung, d.h. maximale Sauerstoffkonzentration und ein Restsauerstoffgehalt von 20% korreliert mit einer Luftzahl Lambda ungefähr = 2.
Ist der auf diese Weise erhaltene Offset größer als ein vorgegebener, experimentell ermittelter Schwellenwert, so wird der NOx-Messaufnehmer als fehlerfrei eingestuft. Im Falle, dass der Offset gleich Null oder unterhalb des Schwellenwertes liegt, kann ein Fehlereintrag in einen Fehlerspeicher des Betriebssteuergerätes der Brennkraftmaschine erfolgen und/oder dem Fahrer des mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges akustisch und/oder optisch mitgeteilt werden. Um zu große Emissionen von NOx aufgrund eines vergifteten NOx-Messaufnehmers zu verhindern wird die Betriebsstrategie für die Brennkraftmaschine geändert und von dem Magerbetrieb auf einen Betrieb umgeschaltet, der nur geringe NOX Emissionen hervorruft, beispielsweise in den Homogenbetrieb mit einer Luftzahl Lambda = 1 umgeschaltet.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines eine NOx-Konzentration in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine erfassenden NOx-Messaufnehmers (1, 24), der zwei Messzellen (4,8) aufweist, wobei der ersten Messzelle (4) das zu messende Abgas zugeführt wird und mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes (IP0) eine Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll, die zweite Messzelle (8) mit der ersten Messzelle (4) verbunden ist und mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes (IP1) eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, und beide Messzellen in einem Festkörperelektrolyten liegen, dadurch gekennzeichnet, dass – während des Betriebes der Brennkraftmaschine laufend die NOx-Konzentration (NOx) mittels des NOx-Messaufnehmers (1, 24) gemessen wird, – überprüft wird, ob vorgegebene Diagnosebedingungen erfüllt sind, – bei Erfülltsein der Bedingungen vom Messbetrieb auf einen Diagnosebetrieb umgeschaltet wird, indem der Sollwert für den Sauerstoffionen-Pumpstrom (IP0) der ersten Messzelle (4) von einem vorgegebenen ersten Wert (AP) auf einen vorgegebenen zweiten Wert (DP) derart geändert wird, dass NOx in der ersten Messzelle (4) zerstört wird, – nach Erreichen eines stabilen Wertes für die NOx-Konzentration (NOx) dieser Wert mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches der NOx-Messaufnehmers (1, 24) hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen fehlerfreien NOx-Messaufnehmer (1, 24) erkannt wird, wenn dieser Wert den Schwellenwert überschreitet, andernfalls auf einen vergifteten NOx-Messaufnehmer (1, 24) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert abhängig von dem Restsauerstoffgehalt im Abgas gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosebedingungen erfüllt sind, wenn der Messwert für die NOx-Konzentration (N ^ Ox) oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt und die Sauerstoffkonzentration oberhalb eines weiteren Schwellenwertes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosebedingungen erfüllt sind, wenn die Last und die Drehzahl Brennkraftmaschine annähernd konstant sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem fehlerhaftem NOx-Messaufnehmer (1, 24) vom Magerbetrieb auf Betrieb mit homogenem Gemisch mit einer Luftzahl Lambda = 1 umgeschaltet wird.