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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Stickoxidsensors. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm und Computerprogrammprodukt zum Betreiben eines Stickoxidsensors.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Hierdurch ist es insbesondere für den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen, wie Katalysatoren, erforderlich die Schadstoffkomponenten im Abgastrakt sehr genau zu bestimmen.
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Zur Bestimmung des Stickoxidgehalts im Abgas werden insbesondere Stickoxidsensoren eingesetzt.
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Aus dem Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotoren", Herausgeber Richard von Basshuysen/Fred Schäfer, 2. Auflage, Juni 2002, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig/Wiesbaden, Seite 589 ff., ist ein Stickoxidsensor auf der Basis von ZrO2 Keramik bekannt, der zwei Kammern aufweist. In der ersten Kammer wird durch Anlegen eines Pumpstroms ein konstanter Partialdruck des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs hergestellt. Der Pumpstrom ist beispielsweise proportional zum Luftkraftstoffverhältnis. In der zweiten Kammer wird das im Abgas enthaltene Stickoxid durch Anlegen eines weiteren Stroms zersetzt. Hieraufhin kann an einer Messelektrode in der zweiten Kammer ein Strom gemessen werden, der proportional zum Stickoxidgehalt im Abgas ist und der das Messsignal des Stickoxidsensors bildet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die zu einem sehr genauen NOx-Emissionsmessung und NH3-Emissionsmessung beitragen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines Stickoxidsensors. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Betreiben des Stickoxidsensors, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist das Verfahren zum Betreiben des Stickoxidsensors auszuführen.
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Bei dem Verfahren wird ein erstes Messsignal des Stickoxidsensors ermittelt, das repräsentativ ist für eine erfasste Spannung zwischen einer Referenzelektrode und einer Außenelektrode. Ein zweites Messsignal wird ermittelt, das repräsentativ ist für ein gemessenes Gasgehalt in einer Messkammer des Stickoxidsensors. Das erste Messsignal wird mit einem vorgegebenen ersten Schwellenwert verglichen. Bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts wird das zweite Messsignal einer NH3-Emission zugeordnet.
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Die Außenelektrode ist insbesondere eine Pumpelektrode, die außen an dem Stickoxidsensor angeordnet ist und somit im Betrieb in direktem Kontakt mit dem Abgas ist. Die Referenzelektrode ist insbesondere eine Elektrode, die nicht außen an dem Stickoxidsensor angeordnet ist. Beispielsweise ist die Referenzelektrode in einer ersten Kammer des Stickoxidsensors angeordnet.
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Insbesondere bei einer Stickoxidfallen-Regenerationsphase kann der Stickoxidsensor sowohl zur Messung von NOx als auch zur Messung von NH3 verwendet werden, da der Stickoxidsensor querempfindlich zu NH3 ist. Durch das oben beschriebene Verfahren kann der Umschaltpunkt von NOx-Emission zu NH3-Emission sehr exakt bestimmt werden, so dass eine sehr genaue NOx-Emissionsmessung und NH3-Emissionsmessung erfolgen kann. Alternativ ist es auch möglich ein Modell zur Ermittlung zu nutzen, dies ist aber sehr ungenau, so dass keine so genaue NOx-Emissionsmessung und NH3-Emissionsmessung erfolgen kann. Alternativ ist es auch möglich Lambdasensoren zum Bestimmen des Umschaltzeitpunktes zu verwenden. Hierbei werden die Signalverläufe eines Lambdasensors vor der Stickoxidfalle und eines Lambdasensors nach der Stickoxidfalle beobachtet. Diese beiden Signalverläufe schneiden sich in der Stickoxidfallen-Regenerationsphase. Vor dem Schnittpunkt wird dann ein Messsignal des Stickoxidsensors der NOx-Emission zugeordnet und danach der NH3-Emission. Allerdings ist auch diese Zuordnung nicht so genau wie bei dem oben beschriebenen Verfahren. Des Weiteren benötigt das oben beschriebene Verfahren keinen Lambdasensor.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das zweite Messsignal mit einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert verglichen und bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts wird das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet, falls das erste Messsignal den vorgegeben ersten Schwellenwert unterschreitet.
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Hierdurch kann auf einfache Weise wieder auf die NOx-Emission umgeschaltet werden. Mit anderen Worten wird also nachdem das erste Messsignal den vorgegeben ersten Schwellenwert unterschreitet das zweite Messsignal mit dem zweiten Schwellenwert verglichen und bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts wird das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahren während einer Stickoxidfallen-Regenerationsphase durchgeführt.
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Gerade in der Stickoxidfallen-Regenerationsphase ist die exakte NH3-Messung besonders wichtig, insbesondere für eine SCR-Regelung (selektive katalytische Reduktion). Die Stickoxidfalle ist insbesondere eine LNT (Lean NOx trap).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der vorgegebene erste Schwellenwert ungefähr 450 mV.
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Bei ungefähr 450mV findet der Wechsel von NOx-Emission zu NH3-Emission statt, das heißt bei ca. 450mV geht die NOx-Emission gegen null und die NH3-Emission beginnt zu steigen, so dass gerade mit einem ersten Schwellenwert von 450mV eine sehr genaue Messung erfolgen kann. Ungefähr 450 mV umfasst hierbei beispielsweise 450 mV ± 10%.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der vorgegebene zweite Schwellenwert ungefähr 10 ppm.
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Wenn die NH3-Emission gegen null geht, kann davon ausgegangen werden, dass keine weitere NH3-Emission mehr erfolgt, so dass bei einer sehr geringen NH3-Emission wieder auf NOx-Messung umgeschaltet werden kann. Ungefähr 10 ppm umfasst hierbei beispielsweise 5–15 ppm.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, das Verfahren zum Betreiben eines Stickoxidsensors oder eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines Stickoxidsensors durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogrammprodukt, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren zum Betreiben eines Stickoxidsensors oder eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines Stickoxidsensors ausführt.
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Das Computerprogrammprodukt umfasst insbesondere ein von der Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem der Programmcode gespeichert ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Stickoxidsensor,
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2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben eines Stickoxidsensors und
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3 verschiedene Signalverläufe.
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1 zeigt einen Stickoxidsensor 10. Der Stickoxidsensor 10 ist insbesondere in einem Abgastrakt eines Fahrzeugs angeordnet.
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Das Fahrzeug weist insbesondere einen ersten Stickoxidsensor 10, einen zweiten Stickoxidsensor 10 und eine Stickoxidfalle auf, wobei der erste Stickoxidsensor 10 in Abgasfließrichtung vor der Stickoxidfalle angeordnet ist, und der zweite Stickoxidsensor 10 in Abgasfließrichtung hinter der Stickoxidfalle angeordnet ist. Die Stickoxidfalle ist insbesondere ein LNT (Lean NOx trap). Das Fahrzeug weist beispielsweise zusätzlich zwei Lambdasensoren auf, wobei ein Lambdasensor in Abgasfließrichtung vor der Stickoxidfalle angeordnet ist, und der andere Lambdasensor in Abgasfließrichtung hinter der Stickoxidfalle angeordnet ist.
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Der Stickoxidsensor 10 weist beispielsweise einen Einlass 25 auf, durch den Abgas in eine erste Kammer 11 strömen kann. Weiterhin weist der Stickoxidsensor 10 einen Diffusionspfad 15 auf und eine Messkammer 13. Weiterhin kann der Stickoxidsensor 10 weitere Kammern und weitere Diffusionspfade aufweisen.
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Der Stickoxidsensor 10 weist insbesondere für jede Kammer 11, 13 eine Außenelektrode 17 auf oder wie gezeigt eine gemeinsame Außenelektrode 17. Die Außenelektrode 17 ist insbesondere als Pumpelektrode ausgebildet.
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Weiterhin ist in der ersten Kammer 7 eine Referenzelektrode 20 angeordnet. Die Referenzelektrode 20 kann auch an einer anderen Stelle des Stickoxidsensors 10 angeordnet sein. Zusätzlich weist er für die erste Kammer 11 und die Messkammer 13 einzeln oder für beide Kammern gemeinsam eine Masseelektrode 19, 21 auf.
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Weiterhin ist in der Messkammer 13 eine Messelektrode 23 angeordnet.
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Mittels der Außenelektrode 17 und der Masseelektrode 19 kann beispielsweise ein erster Pumpstrom in der ersten Kammer 11 derart eingestellt werden, dass störende Gase wieder aus dem Einlass 25 herausströmen, sodass in der Messkammer 13 das Gasgehalt des zu messenden Gases gemessen werden kann, das durch den Diffusionspfad 15 in die Messkammer 13 gelangt. Dies wird beispielsweise erreicht, indem durch Anlegen des ersten Pumpstroms ein konstanter Partialdruck des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs hergestellt wird. Der erste Pumpstrom ist beispielsweise proportional zum Luftkraftstoffverhältnis.
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Mittels der Außenelektrode 17 und der Masseelektrode 21 kann beispielsweise ein zweiter Pumpstrom derart eingestellt werden, dass das zu messende Gas in der Messkammer 13 zersetzt wird.
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Zwischen der Referenzelektrode 20 und der Außenelektrode 17 kann eine Spannung gemessen werden. Diese Spannung bildet ein erstes Messsignal.
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An der Messelektrode 23 wird ein Strom gemessen, der proportional zu dem zu messenden Gasgehalt im Abgas ist. Dieser Strom bildet ein zweites Messsignal des Stickoxidsensors 10.
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Der Stickoxidsensor 10 ist insbesondere dazu ausgebildet einen NOx Gasgehalt zu bestimmen. Allerdings ist der Stickoxidsensor auch querempfindlich zu NH3, so dass auch ein NH3 Gasgehalt bestimmt werden kann.
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Eine Steuervorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, den Stickoxidsensor 10, insbesondere den zweiten Stickoxidsensor 10 zu betreiben, also insbesondere die Außenelektroden 17 der Stickoxidsensoren 10 anzusteuern und das erste und zweite Messsignal zu empfangen. Die Steuervorrichtung 1 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikationsschnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein.
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Die Steuervorrichtung 1 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben eines Stickoxidsensors 10 bezeichnet werden.
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Auf dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung 1 ist hierfür insbesondere ein Programm zum Betreiben des Stickoxidsensors 10 gespeichert.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Programms zum Betreiben des Stickoxidsensors 10, insbesondere des zweiten Stickoxidsensors 10. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden können. Das Programm wird insbesondere in einer Stickoxidfallen-Regenerationsphase durchgeführt.
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In einem Schritt S3 wird das erste Messsignal des Stickoxidsensors 10 ermittelt, das repräsentativ ist für eine erfasste Spannung zwischen der Referenzelektrode 20 und der Außenelektrode 17.
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In einem Schritt S5 wird das zweite Messsignal ermittelt, das repräsentativ ist für ein gemessenes Gasgehalt in der Messkammer 13 des Stickoxidsensors 10.
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In einem Schritt S7 wird das erste Messsignal mit einem vorgegebenen ersten Schwellenwert verglichen.
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In einem Schritt S9 wird bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts das zweite Messsignal einer NH3-Emission zugeordnet.
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Bevor das erste Messsignal den Schwellenwert überschreitet, wird das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet. Mit anderen Worten wird initial das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet und eine NH3-Emission wird auf null gesetzt. Nachdem das erste Messsignal den Schwellenwert überschreitet, wird das zweite Messsignal einer NH3-Emission zugeordnet. Mit anderen Worten wird nach Überschreiten das zweite Messsignal einer NH3-Emission zugeordnet und eine NOx-Emission wird auf null gesetzt. Es wird also immer nur entweder NOx oder NH3 gemessen.
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Der vorgegebene erste Schwellenwert liegt beispielsweise zwischen 400 und 500mV, insbesondere beträgt er 450 mV.
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Optional kann nach der Zuordnung zur NH3-Emission auch ein Ende der NH3-Emission detektiert werden und wieder eine NOx-Zuordnung erfolgen. Hierfür wird zunächst das erste Messsignal mit dem vorgegeben ersten Schwellenwert verglichen. Bei Unterschreiten wird beispielswiese das zweite Messsignal mit einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert verglichen und bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet. Mit anderen Worten wird nach Unterschreiten das zweite Messsignal einer NOx-Emission zugeordnet und eine NH3-Emission auf null gesetzt.
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Der vorgegebene zweite Schwellenwert liegt beispielsweise zwischen 3 ppm und 15 ppm, insbesondere beträgt er 5 oder 10 ppm.
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In einem Schritt S11 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder in dem Schritt S1 gestartet werden.
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3 veranschaulicht die Vorteile des oben beschriebenen Verfahrens. 3a zeigt einen beispielhaften Ablauf des ersten Messsignals über die Zeit. 3b zeigt Messwerte der Lambdasensoren über die Zeit. Das Rechtecksignal entspricht hierbei dem Messsignal des Lambdasensors der in Abgasfließrichtung vor der Stickoxidfalle angeordnet ist. Das Kreuzsignal entspricht hierbei dem Messsignal des Lambdasensors der in Abgasfließrichtung hinter der Stickoxidfalle angeordnet ist. Das Rautensignal stellt den eingestellten Betriebsmodus dar. Der Betriebsmodus 1 entspricht einem Betrieb mit einem fetten Gemisch, also insbesondere einem Lambdawert kleiner 0,9. Der Betriebsmodus 2 entspricht einem Betrieb mit einem mageren Gemisch, also insbesondere einem Lambdawert größer 1.
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3c zeigt Messwerte des zweiten Stickoxidsensors 10 über die Zeit. Das Kreuzsignal entspricht hierbei einem Summensignal aus NH3 und NOx. Das Dreiecksignal entspricht der mittels oben beschriebenen Verfahren ermittelten NOx-Emission. Das Kreissignal entspricht der mittels oben beschriebenen Verfahren ermittelten NH3-Emission. Bei der gestrichelten Linie der 3c überschreitet das erste Messsignal den ersten Schwellenwert (siehe 3a), somit wird die NOx-Emission auf null gesetzt und das zweite Messsignal für den restlichen Zeitraum C der NH3-Emission zugeordnet. Wie an dem Kreuzsignal zu sehen ist, lässt sich hiermit sehr genau die reale NOx-Emission und NH3-Emission nachbilden.
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Alternativ können die Lambdasensoren zum Bestimmen des Umschaltzeitpunktes verwendet werden, wie in 3b zu sehen ist. Hierbei wird der Schnittpunkt der beiden Lambdasignale als Umschaltzeitpunkt verwendet. Vor dem Überschneiden wird das zweite Messsignal der NOx-Emission zugeordnet (Zeitraum A) und danach der NH3-Emmision (Zeitraum B). Wie zu sehen ist erfolgt hierbei aber eine zu späte Umschaltung auf NH3, so dass die Messung ungenauer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotoren“, Herausgeber Richard von Basshuysen/Fred Schäfer, 2. Auflage, Juni 2002, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig/Wiesbaden, Seite 589 ff. [0004]
