DE102012221549A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei die Zusammensetzung mittels eines Abgassensors bestimmt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Ausgangssignal des Abgassensors mit einer von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängigen Korrektur korrigiert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Querempfindlichkeiten von Abgassensoren führen dazu, dass die Ausgangssignale nicht nur von der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente abhängen, sondern die Konzentration von Beimengungen ebenfalls das Ausgangssignal beeinflussen. Erfindungsgemäß wird daher die Art und Menge oder Konzentration von Beimengungen im Gasgemisch bestimmt und das Ausgangssignal des Abgassensors oder die Umrechnung von Ausgangssignal zum Zielwert, beispielhaft einem Lambdawert, entsprechend korrigiert. Durch die Korrektur wird erreicht, dass sich unabhängig von der aktuellen Abgaszusammensetzung ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Abgassensors und dem Zielwert ergibt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei die Zusammensetzung mittels eines Abgassensors bestimmt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei im Abgaskanal zumindest ein Abgassensor angeordnet ist und wobei der Brennkraftmaschine ein Steuergerät zur Auswertung eines Ausgangssignals des Abgassensors zugeordnet ist.
  • Zur Optimierung des Schadstoffausstoßes und der Abgasnachbehandlung werden bei modernen Brennkraftmaschinen Lambdasonden zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases und zur Steuerung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Lambdasonden bestimmen den Sauerstoffgehalt des Abgases, was zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs und somit des Abgaslambdas vor einem Katalysator verwendet wird. Dabei wird über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der Brennkraftmaschine derart geregelt, dass eine für die Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehene Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird. Bei Ottomotoren wird in der Regel auf ein Lambda von 1, also ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, geregelt. Die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.
  • Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, auch als Sprungsonde oder Nernst-Sonde bezeichnet, weist die Spannungs-Lambda-Kennlinie bei Lambda = 1 einen sprungartigen Abfall auf. Sie erlaubt daher im Wesentlichen die Unterscheidung zwischen fettem Abgas (λ < 1) bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kraftstoffüberschuss und magerem Abgas (λ > 1) bei Betrieb mit Luftüberschuss und ermöglicht eine Regelung des Abgases auf ein Lambda von 1.
  • Eine Breitband-Lambdasonde, auch als stetige oder lineare Lambdasonde bezeichnet, ermöglicht die Bestimmung des Lambdawertes in dem Abgas in einem weiten Bereich um Lambda = 1 herum. Damit kann beispielhaft eine Brennkraftmaschine auch auf einen mageren Betrieb mit Luftüberschuss geregelt werden.
  • Eine Linearisierung der Sondenkennlinie einer Zweipunkt-Lambdasonde erlaubt es, auch mit einer solchen kostengünstigeren Sonde in einem eingeschränkten Lambdabereich eine stetige Lambdaregelung vor Katalysator zu verwirklichen. Voraussetzung hierfür ist, dass zwischen der Sondenspannung der Zweipunkt-Lambdasonde und dem Lambdawert ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang muss über die gesamte Lebensdauer der Zweipunkt-Lambdasonde vorliegen, da andernfalls die Genauigkeit der Regelung nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen auftreten können. Auf Grund von Fertigungstoleranzen und von Alterungseffekten der Zweipunkt-Lambdasonde ist diese Voraussetzung nicht erfüllt. Daher werden Zweipunkt-Lambdasonden vor Katalysator zumeist mit einer Zweipunkt-Regelung verwendet. Diese hat den Nachteil, dass in Betriebsmodi, für die ein mageres oder fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch notwendig ist, beispielsweise zur Katalysatordiagnose oder zum Bauteileschutz, das Ziel-Lambda nur vorgesteuert eingestellt, aber nicht geregelt werden kann. In den Schriften mit den internen Bezeichnungen R.343360 und R.343914 der Anmelderin werden Lösungen für diese Problematiken angegeben.
  • Darüber hinaus wird die Sondenspannung einer Abgassonde (nicht nur einer Zweipunkt-Lambdasonde) in der Regel auch durch Querempfindlichkeiten der Sonde gegenüber Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und, bei anderen als Lambdasonden, auch Sauerstoff bestimmt. Das führt dazu, dass bei unterschiedlichen Abgaszusammensetzungen trotz gleichen Abgaslambdas unterschiedliche Ausgangsspannungen der Abgassonde gemessen werden. Insbesondere können sich im Fahrbetrieb bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine trotz gleichen Abgaslambdas unterschiedliche Ausgangsspannungen der Abgassonde einstellen. Wird dies nicht berücksichtigt, wird ein verfälschter Lambdawert bestimmt, was sich nachteilig auf die Genauigkeit der Lambdaregelung auswirkt.
  • Die DE 10147491 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs für einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator und wenigstens einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde, die eine erste Information über den Sauerstoffgehalt des Abgases liefert, welche die Einstellung des Kraftstoff/Luft-Gemischs beeinflußt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine zweite Information über den hinter dem Katalysator im Abgas vorhandenen Wasserstoff gebildet wird und dass die zweite Information die Einstellung des Kraftstoff/Luft-Gemischs beeinflusst.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Ausgangssignal einer Abgassonde bereitgestellt werden kann, das eine verminderte Abhängigkeit von Querempfindlichkeiten aufgrund der Abgaszusammensetzung aufweist.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Ausgangssignal des Abgassensors mit einer von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängigen Korrektur korrigiert wird. Querempfindlichkeiten von Abgassensoren führen dazu, dass das Ausgangssignal nicht nur von der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente abhängt, sondern die Konzentration von Beimengungen ebenfalls das Ausgangssignal beeinflussen. Erfindungsgemäß wird daher die Art und Menge oder Konzentration von Beimengungen im Gasgemisch bestimmt und das Ausgangssignal des Abgassensors oder die Umrechnung von Ausgangssignal zum Zielwert, beispielhaft einem Lambdawert, entsprechend korrigiert. Durch die Korrektur wird erreicht, dass sich unabhängig von der aktuellen Abgaszusammensetzung ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Abgassensors und dem Zielwert ergibt.
  • Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass zur Bestimmung der Korrektur eine Konzentration oder ein Mengenanteil einer oder mehrerer Komponenten des Gasgemischs aus einem Modell oder auf Basis von in einer Steuerung der Brennkraftmaschine verfügbaren Messgrößen bestimmt werden.
  • Werden Querempfindlichkeiten für Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und/oder Wasserstoff und/oder Wasserdampf und/oder Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden und/oder Sauerstoff berücksichtigt, kann durch die Korrektur ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Abgassensors und dem Zielwert erreicht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, aus dem Ausgangssignal des Abgassensors einen Lambdawert des Gasgemischs zu bestimmen. Es kann insbesondere eine kostengünstige Zweipunkt-Lambdasonde mit dem Verfahren ertüchtigt werden, in einem gewissen Bereich eine stetige Lambdaregelung zu verwirklichen. Eine Lambdaregelung mit dem Abgassensor im Abgaskanal der Brennkraftmaschine wird durch die Berücksichtigung der Querempfindlichkeiten in den unterschiedlichsten Motorbetriebspunkten besonders genau und zuverlässig. Unzulässig hohe Emissionen an unerwünschten Abgaskomponenten können so vermieden werden.
  • Eine Variante des Verfahrens sieht vor, dass eine Umrechnung des Ausgangssignals in den Lambdawert mittels einer Referenzkennlinie des Abgassensors und einem Sensormodell erfolgt, in dem Querempfindlichkeiten des Abgassensors berücksichtigt werden.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird gelöst, indem in dem Steuergerät ein Programmablauf oder ein Schaltkreis vorgesehen ist, der für eine Korrektur des Ausgangssignals des Abgassensors aufgrund von zumindest einer Komponente des Gasgemischs vorgesehen ist. Die Korrektur des Ausgangsignals und die korrigierte Umrechnung in einen Zielwert, wie beispielhaft in einen Lambdawert, führt zu einer verbesserten Regelgenauigkeit der Steuerung und zu verminderten Emissionen der Brennkraftmaschine.
  • Ist der Abgassensor als Zweipunkt-Lambdasonde ausgebildet, kann kostengünstig eine präzise Lambdaregelung für die Brennkraftmaschine verwirklicht werden, wobei auch in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eine dauerhaft präzise Bestimmung des Lambdawerts des Abgases möglich ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 Spannungs-Lambda-Kennlinien einer Zweipunkt-Lambdasonde.
  • 1 zeigt eine Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 einer Zweipunkt-Lambdasonde sowie eine Spannungs-Lambda-Kennlinie 13, die durch eine Querempfindlichkeit der Zweipunkt-Lambdasonde gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 verschoben ist. Die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 und die Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 sind auf einer Sondenspannungs-Achse 11 entlang einer Lambda-Achse 18 aufgetragen. Die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 entspricht dem Verlauf des Ausgangssignals einer intakten, ungealterten Zweipunkt-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung ohne den Einfluß von Querempfindlichkeiten. Sie weist bei Lambda = 1 ihre maximale Steigung auf. Der Sprung von einer hohen Ausgangsspannung zu einer niedrigen Ausgangsspannung findet in einem vergleichsweise kleinen Lambdafenster statt. Die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 dient der Bestimmung eines Lambdawerts aus einer Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde. Ist dieser Zusammenhang eindeutig, kann – wenn auch in einem eingeschränkten Lambdabereich – mittels einer kostengünstigen Zweipunkt-Lambdasonde eine Lambdaregelung verwirklicht werden, für die ansonsten eine Breitband-Lambdasonde eingesetzt werden muss. Durch Querempfindlichkeiten der Zweipunkt-Lambdasonde für Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide kann es jedoch zu einer Verschiebung kommen, so dass die Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 entsteht. Dieses Verhalten gilt sinngemäß auch für andere Abgassensoren, bei denen Querempfindlichkeiten auftreten.
  • Im praktischen Fahrbetrieb bei unterschiedlichen Motorbetriebspunkten können sich hierdurch trotz gleichem Abgaslambda unterschiedliche Ausgangssignale des Abgassensors ergeben. In einem solchen Fall ist die Genauigkeit der Lambdaregelung nicht mehr ausreichend und es können unzulässig hohe Emissionen auftreten. Ohne Querempfindlichkeiten stellt sich ein Spannungswert 17 gemäß der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 bei einem ersten Lambdawert 14 ein. Wirken sich Querempfindlichkeiten aus, stellt sich derselbe Spannungswert 17 gemäß der Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 bei einem zweiten Lambdawert 16 ein. Die Querempfindlichkeit bewirkt somit einen scheinbaren Lambdaunterschied 15.
  • Liegt eine Verschiebung der tatsächlichen Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 12 zu höheren Sondenspannungen vor, wie es in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, stellt sich ein bestimmter Spannungswert 17 bei einem zu mageren Lambda ein. Bei einer Verschiebung hin zu niedrigeren Sondenspannungen stellt sich derselbe Spannungswert bei einem zu fetten Lambda ein. Eine Lambdaregelung mit einer um einen positiven Wert verschobenen Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 führt demnach zu einem zu mageren Abgas, während eine um einen negativen Wert verschobene Spannungs-Lambda-Kennlinie 13 zu einem zu fetten Abgas führt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10147491 [0008]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei die Zusammensetzung mittels eines Abgassensors bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal des Abgassensors mit einer von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängigen Korrektur korrigiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Korrektur eine Konzentration oder ein Mengenanteil einer oder mehrerer Komponenten des Gasgemischs aus einem Modell oder auf Basis von in einer Steuerung der Brennkraftmaschine verfügbaren Messgrößen bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Querempfindlichkeit des Abgasensors die für Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und/oder Wasserstoff und/oder Wasserdampf und/oder Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden und/oder Sauerstoff berücksichtigt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ausgangssignal des Abgassensors ein Lambdawert des Gasgemischs bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umrechnung des Ausgangssignals in den Lambdawert mittels einer Referenzkennlinie des Abgassensors und einem Sensormodell erfolgt, in dem Querempfindlichkeiten des Abgassensors berücksichtigt werden.
  6. Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei im Abgaskanal zumindest ein Abgassensor angeordnet ist und wobei der Brennkraftmaschine ein Steuergerät zur Auswertung eines Ausgangssignals des Abgassensors zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät ein Programmablauf oder ein Schaltkreis vorgesehen ist, der für eine Korrektur des Ausgangssignals des Abgassensors aufgrund von zumindest einer Komponente des Gasgemischs vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor als Zweipunkt-Lambdasonde ausgebildet ist.
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