DE102018206451A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit 3-Wege-Katalysator und Lambdaregelung über NOx-Emissionserfassung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, beschrieben. Mithilfe eines Binärlambdasensors oder Linearlambdasensors und eines NO_x- und/oder NH₃-Sensors stromab des 3-Wege-Katalysators wird eine besonders schnelle und genaue Lambdaregelung durchgeführt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist.
• In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2017 218 327. 6 ist ein derartiges Verfahren beschrieben. Hierbei wird ein für die Emissionsregelung wichtiger Lambdasollwert stromauf eines 3-Wege-Katalysators durch kombinierte Messung eines Lambdawertes und eines NH₃-Wertes durch einen NO_x-Sensor mit integrierter Lambda-Sonde stromab des 3-Wege-Katalysators bestimmt bzw. festgelegt. Durch die genaue Festlegung dieses Lambdasollwertes vor dem 3-Wege-Katalysator kann Lambda nach dem Katalysator in einem genau definierten Bereich gehalten werden, um die NO_x- und CO₂/HC-Emissionen zu minimieren.
• Bei diesem Verfahren wird unterhalb eines Schwellenwertes des den Lambdawert wiedergebenden elektrischen Signales (Binärsignales) der Lambdasollwert stromauf des 3-Wege-Katalysators durch die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signales für den Lambdawert und dem gemessenen Lambdawert bestimmt. Über einem Schwellenwert des entsprechenden Lambdasignales wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators jedoch auf andere Weise bestimmt, nämlich mithilfe der Differenz zwischen einem NH₃-Sollwert des NO_x-Sensors und dem gemessenen NH₃-Signal des NO_x-Sensors. Die nach dem 3-Wege-Katalysator anfallende NH₃-Menge wird daher zu Regelungszwecken verwendet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit 3-Wege-Katalysator und Lambdaregelung zur Verfügung zu stellen, bei dem die Lambdaregelung besonders rasch und genau durchgeführt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
• Anordnen eines Binärlambdasensors und eines NO_x- und/oder NH₃-Sensors stromab des 3-Wege-Katalysators;
• beim Erstlauf der Brennkraftmaschine Einstellen eines Lambdasollwertes zur Regelung durch den Binärlambdasensor auf einen Anfangswert;
• während der Lambdaregelung mit diesem Sollwert Messen des NH₃-Wertes im Abgas nach dem 3-Wege-Katalysator über ein NO_x-Signal oder NH₃-Signal vom NO_x- und NH₃-Sensor;
• gleichzeitiges Messen des Binärsensorsignales vom Binärlambdasensor;
• wenn der NH₃-Wert über einem ersten Schwellenwert liegt, Reduzieren des Lambdasollwertes des Binärlambdasignales, bis der NH₃-Wert unter dem ersten Schwellenwert liegt oder das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt;
• Aufzeichnen des entsprechenden Binärsensorsignales, wenn der NH₃-Wert den ersten Schwellenwert passiert, zur Binärsensorsignalsollwertadaption als V_binär-links ; und
• Berechnen des realen Lambdasollwertes für die Lambdaregelung nach folgender Gleichung: $${\text{V}}_{\text{Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsollwert}}=\text{a}\times {\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{links}}+\left(1-\text{a}\right)\times {\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{rechts}}$$
  
  worin bedeuten $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{links}}={\text{Binarsensorsignal an der NH}}_3-\text{Grenze in Fett}-\text{Richtung}\\ \text{zur Sollwertadaption}\end{array}$$
  
  $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{rechts}}=\text{Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsensorsignal n}\ddot{\text{a}}\text{her an Lambda 1 auf der fetten}\\ \text{Seite}\end{array}$$
  
  $$\text{a}=\text{Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1}\text{.}$$
  
• Als Binärlambdasensor und NO_x- und/oder NH₃-Sensor müssen nicht unbedingt getrennte Sensoren vorgesehen sein. Vielmehr kann es sich beispielsweise auch um einen NO_x- bzw. NH₃-Sensor mit integrierter Lambda-Sonde handeln.
• Der in der obigen Gleichung (1) verwendete Gewichtungsfaktor a, der zwischen 0 und 1 liegt, kann in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom ausgewählt werden. In den meisten Fällen wird dieser Gewichtungsfaktor zwischen 0,5 und 0, 9 gewählt. Bei einem hohen Luftmassenstrom liegt der Gewichtungsfaktor näher an 0,9, um einen NOx-Durchbruch zu vermeiden.
• Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann die Lambda-Regelung besonders rasch und genau durchgeführt werden. Das Einhalten der gewünschten Emissionsgrenzen kann über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine unter unterschiedlichen Bedingungen und selbst mit gealtertem 3-Wege-Katalysator mit einem besonders geringen Kalibrierungsaufwand garantiert werden.
• In Weiterbildung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren ferner dadurch aus, dass jedes Mal dann, wenn während des Betriebes der Brennkraftmaschine das NH₃-Signal wieder den NH₃-Schwellenwert (erster Schwellenwert) passiert, das entsprechende Binärsensorsignal wieder aufgezeichnet und für eine neue Sollwertberechnung gemäß Gleichung (1) verwendet wird.
• Das gleiche Verfahren kann für die Sollwertberechnung eines Linearlambdasensorsignales nach dem 3-Wege-Katalysator verwendet werden. Hierbei sieht die Erfindung zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, vor, das die folgenden Schritte umfasst:
• Anordnen eines Linearlambdasensors und eines NOx- und/oder NH3-Sensors stromab des 3-Wege-Katalysators;
• beim Erstlauf der Brennkraftmaschine Einstellen eines Lambdasollwertes zur Steuerung durch den Linearlambdasensor auf einen Anfangswert;
• während der Lambdaregelung mit diesem Sollwert Messen des NH₃-Wertes im Abgas nach dem 3-Wege-Katalysator über ein NO_x-Signal oder NH₃-Signal vom NO_x- und/oder NH₃-Sensor;
• gleichzeitiges Messen eines Binärsensorsignales und eines Linearsensorsignales vom Linearlambdasensor;
• wenn der NH₃-Wert über einem ersten Schwellenwert liegt, Erhöhen des Lambdasollwertes des Linearlambdasensorsignales, bis der NH₃-Wert unter dem ersten Schwellenwert liegt oder das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt;
• Aufzeichnen des entsprechenden Linearlambdasensorsignales, wenn der NH₃-Wert den ersten Schwellenwert passiert, zur Linearlambdasollwertadaption als Lambda_links ;
• wenn zu Beginn das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt, Reduzieren des Lambdasollwertes des Linearlambdasensorsignales, bis das Binärlambdasignal über dem zweiten Schwellenwert liegt oder das NH₃-Signal über dem ersten Schwellenwert liegt;
• Aufzeichnen des entsprechenden Linearlambdasensorsignales, wenn das Binärsensorsignal den zweiten Schwellenwert passiert zur Linearlambdasollwertadaption als Lambda_rechts ; und
• Berechnen des realen Lambdasollwertes nach folgender Gleichung $${\text{Lambda}}_{\text{Sollwert}}=\text{a}\times {\text{Lambda}}_{\text{links}}+\left(1-\text{a}\right)\times {\text{Lambda}}_{\text{rechts}}$$
  
  worin bedeuten $$\begin{array}{l}{\text{Lambda}}_{\text{links}}={\text{Linearlambdasensorsignal an der NH}}_3-\text{Grenze in}\\ \text{Fettrichtung zur Sollwertadaptation}\text{.}\end{array}$$
  
  $$\begin{array}{l}{\text{Lambda}}_{\text{rechts}}=\text{Linearlambdasignal n}\ddot{\text{a}}\text{her an Lambda 1 auf der fetten}\\ \text{Seite bei einem Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsensorsignal auf dem 2}\text{.Schwellenwert}\end{array}$$
  
  $$\text{a}=\text{Gewichtungsfaktor zwichen 0 und 1}\text{.}$$
  
• Als Linearlambdasensor und NO_x- und/oder NH₃-Sensor müssen nicht unbedingt getrennte Sensoren vorgesehen sein. Vielmehr kann es sich beispielsweise auch um einen NO_x- bzw. NH₃-Sensor mit integrierter Lambda-Sonde handeln.
• Der vorstehend angegebene Gewichtungsfaktor a kann in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom ausgewählt werden. In den meisten Fällen wird der Gewichtungsfaktor zwischen 0,4 und 0,8 gewählt. Bei einem hohen Luftmassenstrom liegt der Gewichtungsfaktor näher an 0,8, um einen NO_x-Durchbruch zu vermeiden.
• Auch mit dieser Verfahrensvariante werden die vorstehend aufgezeigten Vorteile erreicht.
• In Weiterbildung dieser Verfahrensvariante wird jedes Mal dann, wenn während des Betriebes der Brennkraftmaschine das NH₃-Signal den NH₃-Schwellenwert (erster Schwellenwert) passiert oder das Binärsensorsignal den zweiten Schwellenwert passiert, das entsprechende Linearlambdasensorsignal wieder als Lambda_links oder Lambda_rechts aufgezeichnet und für eine neue Sollwertberechnung gemäß Gleichung (2) verwendet.
• Bei der ersten Verfahrensvariante beträgt der Anfangswert des Lambdasollwertes vorzugsweise 750 mV. Der erste Schwellenwert (NH₃-Wert) beträgt vorzugsweise 10 ppm, während der 2. Schwellenwert (Binärsensorsignal) vorzugsweise 650 mV beträgt.
• Bei der zweiten Verfahrensvariante beträgt der Anfangswert des Lambdasollwertes vorzugsweise 0,997. Der erste Schwellenwert (NH₃-Wert) beträgt vorzugsweise 10 ppm, während der zweite Schwellenwert (Binärsignal) vorzugsweise 650 mV beträgt.
• Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens (beider Verfahrensvarianten) wird für eine On-board-Diagnose das NOx-Sensorsignal am Lambdasollwert entweder zur Regelung mit dem Binärsensorsignal oder mit dem Linearlambdasensorsignal verwendet. Wenn dabei der dementsprechend erhaltene Wert über einem dritten Schwellenwert liegt, wird der 3-Wege-Katalysator als fehlerhaft eingestuft.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Diagramm die NO_x- und Binär- und Linearlambdasignale von einem NO_x-Sensor mit integrierter Lambdasonde.
• Wie vorstehend erläutert, betrifft die Erfindung die Adaption des Binärsensorsignales oder Linearlambdasensorsignales nach dem 3-Wege-Katalysator auf der fetten Seite (Lambda < 1) durch ein NO_x- oder NH₃-Sensorsignal des NO_x- und/oder NH₃-Sensors mit nachfolgender Bestimmung des Lambdasollwertes entweder in Form des Binärsensorsignales oder Lambdasignales auf der Basis des adaptierten Signales für eine genaue Lambdaregelung nach dem 3-Wege-Katalysator.
• Das Diagramm zeigt auf der Abszisse das Linearlambdasensorsignal nach dem 3-Wege-Katalysator und auf der Ordinate das NO_x-Signal sowie das Binärsensorsignal. Bei der vorstehend beschriebenen ersten Verfahrensvariante wird der Lambdasollwert zur Regelung mit dem Binärlambdasensor nach dem 3-Wege-Katalysator bei einem Anfangswert von 750 mV eingestellt. Wie vorstehend beschrieben, werden dann während der Lambdaregelung mit diesem Sollwert der NH₃-Wert nach dem 3-Wege-Katalysator und das entsprechende Binärsignal gemessen. Wenn hierbei der NH₃-Wert über 10 ppm liegt, wird der Lambdasollwert des Binärsensorsignales soweit reduziert, bis der NH₃-Wert unter 10 ppm oder das Binärsensorsignal unter 650 mV (zweiter Schwellenwert) liegt. Das entsprechende Binärsensorsignal, wenn NH₃ den entsprechenden Schwellenwert passiert, wird als V_binär-links aufgezeichnet.
• Ferner wird der Wert V_{binär-rechts} erfasst, der dem Binärsensorsignal näher an Lambda auf der fetten Seite entspricht und hier 650 mV beträgt.
• Aus der vorstehend wiedergegebenen Gleichung wird dann mithilfe eines Gewichtungsfaktors der entsprechende Binärsollwert (V_{Binärsollwert} ) berechnet.
• Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Verfahrensvariante wird der Lambdasollwert zur Regelung mit einem Linearlambdasensor nach dem 3-Wege-Katalysator auf einen Anfangswert von 0,997 eingestellt. Es werden dann die einzelnen Verfahrensschritte in der vorstehend wiedergegebenen Weise ausgeführt, wobei hier als erster Schwellenwert (NH₃-Wert) ein Wert von 10 ppm und als zweiter Schwellenwert (Binärsignal) ein Wert von 650 mV zugrunde gelegt wird. Die entsprechenden Werte Lambda_links und Lambda_rechts werden in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt. Mithilfe des entsprechenden Gewichtungsfaktors wird aus Gleichung (2) der Lambdasollpunkt berechnet.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102017218327 [0002]

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: - Anordnen eines Binärlambdasensors und eines NO_x- und/oder NH₃-Sensors oder einer entsprechenden Sensorkombination stromab des 3-Wege-Katalysators; - beim Erstlauf der Brennkraftmaschine Einstellen eines Lambdasollwertes zur Regelung durch den Binärlambdasensor auf einen Anfangswert; - während der Lambdaregelung mit diesem Sollwert Messen des NH₃-Wertes im Abgas nach dem 3-Wege-Katalysator über ein NO_x-Signal oder NH₃-Signal vom NO_x- und NH₃-Sensor; - gleichzeitiges Messen des Binärsensorsignales vom Binärlambdasensor; - wenn der NH₃-Wert über einem ersten Schwellenwert liegt, Reduzieren des Lambdasollwertes des Binärlambdasignales, bis der NH₃-Wert unter dem ersten Schwellenwert liegt oder das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt; - Aufzeichnen des entsprechenden Binärsensorsignales, wenn der NH₃-Wert den ersten Schwellenwert passiert, zur Binärsensorsignalsollwertadaption als V_binär-links; und - Berechnen des realen Lambdasollwertes für die Lambdaregelung nach folgender Gleichung: $${\text{V}}_{\text{Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsollwert}}=\text{a}\times {\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{links}}+\left(1-\text{a}\right)\times {\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{rechts}}$$

   

   worin bedeuten $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{links}}={\text{Bin}}_{\ddot{\text{a}}}-\text{Grenze in}\\ \text{Fett}-\text{Richtung zur Sollwertadaption}\end{array}$$

   

   $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{bin}\ddot{\text{a}}\text{r}-\text{rechts}}=\text{Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsensorsignal n}\ddot{\text{a}}\text{her an Lambda 1 auf der}\\ \text{fetten Seite}\end{array}$$

   

   $$\text{a}=\text{Gewichtungsfaktor zwichen 0 und 1}\text{.}$$

   
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Mal dann, wenn während des Betriebs der Brennkraftmaschine das NH₃-Signal wieder den NH₃-Schwellenwert (erster Schwellenwert) passiert, das entsprechende Binärsensorsignal wieder aufgezeichnet und für eine neue Sollwertberechnung gemäß Gleichung (1) verwendet wird.
3. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in deren Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: - Anordnen eines Linearlambdasensors und eines NO_x- und/oder NH₃-Sensors oder einer entsprechenden Sensorkombination stromab des 3-Wege-Katalysators; - beim Erstlauf der Brennkraftmaschine Einstellen eines Lambdasollwertes zur Regelung durch den Linearlambdasensor auf einen Anfangswert; - während der Lambdaregelung mit diesem Sollwert Messen des NH₃-Wertes im Abgas nach dem 3-Wege-Katalysator über ein NO_x-Signal oder NH₃-Signal vom NO_x- und/oder NH₃-Sensor; - gleichzeitiges Messen eines Binärsensorsignales und eines Linearsensorsignales vom Linearlambdasensor; - wenn der NH₃-Wert über einem ersten Schwellenwert liegt, Erhöhen des Lambdasollwertes des Linearlambdasensorsignales, bis der NH₃-Wert unter dem ersten Schwellenwert liegt oder das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt; - Aufzeichnen des entsprechenden Linearlambdasensorsignales, wenn der NH₃-Wert den ersten Schwellenwert passiert, zur Linearlambdasollwertadaption als Lambdalinks ; - wenn zu Beginn das Binärsensorsignal unter einem zweiten Schwellenwert liegt, Reduzieren des Lambdasollwertes des Linearlambdasensorsignales, bis das Binärlambdasignal über dem zweiten Schwellenwert liegt oder das NH₃-Signal über dem ersten Schwellenwert liegt; - Aufzeichnen des entsprechenden Linearlambdasensorsignales, wenn das Binärsensorsignal den zweiten Schwellenwert passiert zur Linearlambdasollwertadaption als Lambda_rechts; und - Berechnen des realen Lambdasollwertes nach folgender Gleichung $$\begin{array}{l}{\text{Lambda}}_{\text{Sollwert}}=\text{a}\times {\text{Lambda}}_{\text{links}}+\left(1-\text{a}\right)\times \text{Lamb}-\\ {\text{da}}_{\text{rechts}}\end{array}$$

   

   worin bedeuten $$\begin{array}{l}{\text{Lambda}}_{\text{links}}={\text{Linearlambdasensorsignal an der NH}}_3-\text{Grenze in}\\ \text{Fettrichtung zur Sollwertadaption},\end{array}$$

   

   $$\begin{array}{l}{\text{Lambda}}_{\text{rechts}}=\text{Linearlambdasensorsignal n}\ddot{\text{a}}\text{her an Lambda 1 auf der}\\ \text{fetten Seite bei einem Bin}\ddot{\text{a}}\text{rsensorsignal auf dem zweiten Schwellenwert}\end{array}$$

   

   $$\text{a}=\text{Gewichtungsfaktor zwichen 0 und 1}\text{.}$$

   
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Mal dann, wenn während des Betriebes der Brennkraftmaschine das NH₃-Signal wieder den NH₃-Schwellenwert (erster Schwellenwert) passiert oder das Binärsensorsignal den zweiten Schwellenwert passiert, das entsprechende Linearlambdasensorsignal wieder als Lambda-_links oder Lambda_rechts aufgezeichnet und für eine neue Sollwertberechnung gemäß Gleichung (2) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine On-board-Diagnose das NO_x-Sensorsignal am Lambdasollwert entweder zur Regelung mit dem Binärsensorsignal oder mit dem Linearlambdasensorsignal verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der gemäß Anspruch 5 erhaltene Wert über einem dritten Schwellenwert liegt, der 3-Wege-Katalysator als fehlerhaft eingestuft wird.

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