DE102017218327B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Dreiwegekatalysator und Lambdaregelung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Dreiwegekatalysator und Lambdaregelung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, mit den folgenden Schritten:- Anordnen eines NO-Sensors mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators;- Erzeugen eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals mit dem NO-Sensor;- Festlegen eines Schwellenwertes des elektrischen Signals und Bestimmen eines Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals nach dem Dreiwegekatalysator und dem gemessenen elektrischen Signal, wenn das gemessene elektrische Signal unter dem Schwellenwert liegt;- wenn das gemessene elektrische Signal über dem Schwellenwert liegt, Bestimmen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen einem NH-Sollwert des NO-Sensors und dem gemessenen NH-Signal des NO-Sensors;- wenn die gemessene NH-Konzentration höher ist als der NH-Sollwert, Erhöhen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators und, wenn die gemessene NH-Konzentration niedriger ist als der NH-Sollwert, Reduzieren des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators;- Adaption des NH-Sollwertes, wobei zur Adaption des NH-Sollwertes der Sollwert des elektrischen Signals bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert wird und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist.
  • In Bezug auf die Emissionen von Brennkraftmaschinen werden immer strengere Anforderungen gestellt. Dies betrifft auch den Einsatz von geregelten Dreiwegekatalysatoren, mittels denen in bekannter Weise die Oxidation von CO und CmHn und die Reduktion von NOx parallel zueinander durchgeführt werden. Voraussetzung dafür ist ein konstant stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (Lambda = 1). Ein derartiger Dreiwegekatalysator kann daher nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung eingesetzt werden.
  • Neben einer Lambdasonde stromauf des Dreiwegekatalysators zur Lambdaregelung wird hierbei ferner eine Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators zur Überwachung der Funktionsweise des Katalysators eingesetzt. Damit sowohl die NOx- als auch die CO2/HC-Emessionen minimiert werden, ist somit eine entsprechend genaue Lambdaregelung bzw. Katalysatorüberwachung von großer Bedeutung.
  • Wie erwähnt, ist es hierbei bekannt, eine Lambdasonde stromauf des Dreiwegekatalysators und eine Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators zu verwenden. Die Lambdaregelung nach dem Katalysator wird dabei durch Vorgabe eines Sollwertes für das Spannungssignal (Binärsignal) der Lambdasonde realisiert. Beispielsweise wird ein Sollwert von 750 mV mit einer Bandbreite von ± 20 mV vorgegeben. Innerhalb dieses Bereiches wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators nicht durch das Binärsignal der Lambdasonde stromab des Katalysators korrigiert. Außerhalb dieses Bereiches wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators korrigiert, und zwar in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Wert stromab des Dreiwegekatalysators. Wenn sich der Messwert unter dem Sollwert befindet, wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators in Richtung auf fett reduziert. Wenn sich der Messwert über dem Sollwert befindet, wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators in die Richtung mager erhöht.
  • Es kann auch von Vorteil sein, den Sollwert der Lambdasonde (des Binärsensors) beispielsweise über 750 mV einzustellen, um einen NOx-Durchbruch auf bessere Weise verhindern zu können. Bei einer höheren Binärspannung kann jedoch eine Spannungsänderung zu einer größeren Lambdaverschiebung führen, und die Genauigkeit des Lambdawertes stromab des Dreiwegekatalysators kann über den Binärspannungswert der Sonde nicht mehr garantiert werden. Dies kann zu einer höheren Lambdadrift in Richtung auf fett führen, was eine höhere HC- und CO-Emission bewirkt. Die bekannte Vorgehensweise ist daher mit Ungenauigkeiten behaftet.
  • In der DE 101 17 050 C1 ist ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer unter Lambda-Regelung betriebenen Brennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgastrakt auf, in dem ein Katalysator angeordnet ist, wobei fortlaufend ein Vorkat-Lambdawert des Abgases stromauf des Katalysators erfasst wird, wobei ein Vorkat-Lambdasignal erzeugt wird, das Vorkat-Lambdasignal als Führungsgröße der Lambda-Regelung verwendet wird, fortlaufend ein Nachkat-Lambdawert des Abgases stromab des Katalysators erfasst wird, wobei ein Nachkat-Lambdasignal erzeugt wird, das monoton fallend vom Lambdawert des Abgases stromab des Katalysators abhängt, und mittels des Nachkat-Lambdasignals in einer Trimmregelung eine Korrektur der Lambda-Regelung durchgeführt wird. Dabei wird ein Messsignal erzeugt, das zumindest unterhalb eines bestimmten Lambdawertes nahe Lambda = 1 streng monoton steigend oder fallend vom Lambdawert des Abgases stromab des Katalysators abhängt. Bei Signalpegeln des Nachkat-Lambdasignals oberhalb eines Schwellenwertes wird das weitere Messsignal und bei Signalpegeln des Nachkat-Lambdasignals unterhalb dieses Schwellenwertes wird das Nachkat-Lambdasignal selbst zur Trimmregelung verwendet.
  • Aus der DE 198 52 244 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit Trimmregelung einer Brennkraftmaschine bekannt. Zur Trimmregelung bei einer Brennkraftmaschine mit Drei-Wege-Katalysator wird statt einer stromab des Drei-Wege-Katalysators Lambda-Sonde ein NOx-empfindlicher Messaufnehmer verwendet. Ein Zusammenhang zwischen NOx-Konzentration im Abgas und Lambda-Wert wird ausgenutzt und ein internes, einen Vorzeichenwechsel bei Lambda = 1 aufweisendes Signal des Messaufnehmers verwendet, da das Signal des Messaufnehmers aufgrund einer NH3-Querempfindlichkeit bei Lambda = 1 lediglich ein lokales Minimum aufweist.
  • Aus der US 2010/0241340 A1 ist es bekannt, die Alterung eines NOx-Sensors bei der Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem zu berücksichtigen. Dabei wird u. a. vorgeschlagen, Offset-Abweichungen während einer Absperrung der Kraftstoffzufuhr oder bei abgestellter Brennkraftmaschine zu messen und zu korrigieren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Emissionen eines Dreiwegekatalysators besonders genau steuern lassen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
    • - Anordnen eines NOx-Sensors mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators;
    • - Erzeugen eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals mit dem NOx-Sensor;
    • - Festlegen eines Schwellenwertes des elektrischen Signals und Bestimmen eines Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals nach dem Dreiwegekatalysator und dem gemessenen elektrischen Signal, wenn das gemessene elektrische Signal unter dem Schwellenwert liegt;
    • - wenn das gemessene elektrische Signal über dem Schwellenwert liegt, Bestimmen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors;
    • - wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert, Erhöhen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators und, wenn die gemessene NH3-Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert, Reduzieren des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators;
    • - Adaption des NH3-Sollwertes, wobei zur Adaption des NH3-Sollwertes der Sollwert des elektrischen Signals bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert wird und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird ein für die Emissionssteuerung wichtiger Lambdasollwert stromauf eines Dreiwegekatalysators durch kombinierte Messung eines Lambdawertes und NH3-Wertes durch einen NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators bestimmt bzw. festgelegt. Durch die genaue Festlegung dieses Lambdasollwertes vor dem Dreiwegekatalysator kann Lambda nach dem Katalysator in einem genau definierten Bereich gehalten werden, um die NOx- und CO2/HC-Emissionen zu minimieren.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unterhalb eines Schwellenwertes des den Lambdawert wiedergebenden elektrischen Signals (Binärsignals), der beispielsweise auf 650 mV festgesetzt wird, der Lambdasollwert stromauf des Dreiwegekatalysators durch die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals für den Lambdawert und dem gemessenen Lambdawert (Binärsignal) bestimmt. Über einem Schwellenwert des entsprechenden Lambdasignals (Binärsignals), d.h. beispielsweise über 650 mV, wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators jedoch auf andere Weise bestimmt, nämlich mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert, der beispielsweise in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur auf 10 ppm festgelegt wird, des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors. Die nach dem Dreiwegekatalysator anfallende NH3-Menge wird daher erfindungsgemäß zu Steuerungszwecken verwendet, da in einem fetten Gemischzustand NH3 durch den Dreiwegekatalysator erzeugt wird und das NH3-Signal in Bezug auf den Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator sehr sensitiv ist. NH3 kann dabei ebenfalls mit dem NOx-Sensor gemessen werden.
  • In diesem Bereich wird nunmehr der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator in Abhängigkeit von der vorstehend erwähnten Differenz variiert, und zwar wird der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator auf mager hin erhöht, wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert. Wenn im Gegensatz dazu die gemessene NH3-Konzentration geringer ist als der NH3-Sollwert, wird der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator auf fett hin reduziert.
  • Des Weiteren wird der NH3-Sollwert adaptiert, da über die Lebensdauer des Dreiwegekatalysators bei gleichem Lambdawert infolge Alterung des Katalysators die NH3-Erzeugung zurückgehen und die NOx-Durchbruchswahrscheinlichkeit ansteigen kann. Der NH3-Sollwert wird dabei in der folgenden Weise adaptiert:
  • Der Sollwert des elektrischen Signals wird bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert, und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator wird über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt. Die Geschwindigkeit der Reduzierung kann hier beispielsweise 40 mV pro sec in Richtung der niedrigen Spannung (beispielsweise 400 mV) betragen.
  • Gleichzeitig kann das NOx-Signal vom NOx-Sensor gemessen und aufgrund der Reduktion der NH3-Konzentration kontinuierlich auf ein Minimum reduziert werden und dann durch die höhere Durchbruchswahrscheinlichkeit der NOx-Konzentration durch den Katalysator wieder erhöht werden, wobei der Minimalwert des NOx-Signals für die Adaption und auch die Diagnose des Dreiwegekatalysators verwendet werden kann. Der NH3-Sollwert entspricht dabei dem Minimalwert und einer Differenz (Delta, beispielsweise 10 ppm). Bei einem neuen Katalysator sollte der Minimalwert 0 betragen.
  • Wenn der Minimalwert über einem Schwellenwert liegt, beispielsweise 70 ppm (in Abhängigkeit von der Temperatur), wird der Katalysator als defekt diagnostiziert.
  • Um die Genauigkeit des NOx-Sensors bei einer niedrigen Konzentration zu erhöhen, wird vorzugsweise das Offset des NOx-Sensors während einer Absperrung der Kraftstoffzufuhr oder eines Motorstopps adaptiert, wobei während dieser Phase das NOx-Signal kontinuierlich beobachtet wird, bis ein stabiler Minimalwert erreicht ist, und wobei dieser Wert benutzt wird, um ein NOx-Signalkennfeld zu adaptieren, da in diesem Fall das NOx-Ausgangssignal 0 sein sollte. Das NOx-Signalkennfeld entspricht hierbei der Korrelation zwischen dem Strom des NOx-Sensors und dem NOx-Konzentrationsausgangssignal.
  • Die einzige Figur zeigt in einem Diagramm das NOx-Signal und das binäre Lambdasignal von einem NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde, der nach einem Dreiwegekatalysator im Abgasstrang eines Ottomotors angeordnet ist. Auf der Abszisse ist hierbei der Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator eingetragen. Die Ordinate gibt das NOx-Signal in ppm sowie das binäre Lambdasensorsignal in mV wieder.
  • Im fetten Bereich des Lambdasignals ist ein Schwellenwert des Lambdasignals von 750 mV angegeben. Unterhalb dieses Schwellenwertes, d.h. unterhalb 750 mV, wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator durch die Differenz zwischen dem Sollwert des Binärsignals und dem gemessenen Binärsignal bestimmt. Oberhalb dieses Schwellenwertes von 750 mV wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator durch die Differenz zwischen einem NH3-Sollwert, der hier mit 10 ppm angegeben ist, des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors bestimmt. Wenn die gemessene NH3-Konzentratin höher ist als der NH3-Sollwert, wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator auf mager erhöht. Wenn die Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert, wird der Lambdasollwert auf fett verringert.
  • Durch eine kombinierte Messung eines Lambdawertes und eines NH-Wertes durch einen NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators lässt sich somit eine besonders genaue Festlegung des Lambdasollwertes vor dem Katalysator erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, wobei ein NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators angeordnet ist, der zur Erzeugung eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals und zur Erzeugung eines die NH3-Konzentration im Abgas wiedergebenden NH3-Signals ausgebildet und zur Weiterleitung dieser Signale an eine Steuereinrichtung ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise ist bei der Brennkraftmaschine der stromab des Dreiwegekatalysators angeordnete NOx-Sensor zur Erzeugung eines die NOx-Konzentration im Abgas wiedergebenden NOx-Signals und zur Weiterleitung dieses Signals an die Steuereinrichtung ausgebildet.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: - Anordnen eines NOx-Sensors mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators; - Erzeugen eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals mit dem NOx-Sensor; - Festlegen eines Schwellenwertes des elektrischen Signals und Bestimmen eines Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals nach dem Dreiwegekatalysator und dem gemessenen elektrischen Signal, wenn das gemessene elektrische Signal unter dem Schwellenwert liegt; - wenn das gemessene elektrische Signal über dem Schwellenwert liegt, Bestimmen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors; - wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert, Erhöhen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators und, wenn die gemessene NH3-Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert, Reduzieren des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators; - Adaption des NH3-Sollwertes, wobei zur Adaption des NH3-Sollwertes der Sollwert des elektrischen Signals bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert wird und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig das NOx-Signal vom NOx-Sensor gemessen und aufgrund der Reduktion der NH3-Konzentration kontinuierlich auf ein Minimum reduziert wird und dann durch die höhere Durchbruchswahrscheinlichkeit der NOx-Konzentration durch den Katalysator wieder erhöht wird, wobei der Minimalwert des NOx-Signals für die Adaption und auch die Diagnose des Dreiwegekatalysators verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Offset des NOx-Sensors während einer Absperrung der Kraftstoff zufuhr oder eines Motorstopps adaptiert wird, wobei während dieser Phase das NOx-Signal kontinuierlich beobachtet wird, bis ein stabiler Minimalwert erreicht ist, und wobei dieser Wert benutzt wird, um ein NOx-Signalkennfeld zu adaptieren, da in diesem Fall das NOx-Ausgangssignal Null sein sollte.
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