DE102018211573A1

DE102018211573A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018211573A1
Application number: DE102018211573.7A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN112352155A; US20210278386A1; US11977064B2; WO2020011428A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs, wobei die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs.
Aus der WO 2017/222002 A1 sind ein Gassensor und ein Verfahren zur Messung der Konzentrationen mehrerer Komponenten eines zugeführten Gases bekannt. Dieser bekannte Gassensor weist drei in Reihe hintereinander angeordnete Kammern auf, die jeweils durch einen Diffusionspfad miteinander verbunden sind. Die erste Kammer ist über einen ersten Diffusionspfad mit einem Gaseingang verbunden, über welchen dem Gassensor der Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird, in welchem unter anderem Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid enthalten sind. In einem ersten Betriebsmodus des Gassensors, in welchem die erste Kammer deaktiviert ist, durchläuft der Abgasstrom die erste Kammer unverändert und wird über einen zweiten Diffusionspfad in die zweite Kammer geleitet. Dort erfolgt eine Umsetzung des im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxids in Stickstoffmonoxid und Sauerstoff. Dieses Stickstoffmonoxid wird zusammen mit weiterem im Abgasstrom enthaltenem Stickstoffmonoxid der dritten Kammer zugeführt. Dort erfolgen eine Umsetzung von Stickstoffmonoxid in Stickstoff und Sauerstoff sowie eine Messung eines Pumpstromes. In einem zweiten Betriebsmodus des Gassensors, in welchem die erste Kammer aktiviert ist, erfolgt bereits in dieser ersten Kammer eine Umsetzung des im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxids in Stickstoffmonoxid und Sauerstoff. Dieses Stickstoffmonoxid wird zusammen mit weiterem im Abgasstrom enthaltenem Stickstoffmonoxid über den zweiten Diffusionspfad der zweiten Kammer zugeführt, passiert diese unverändert und wird über den dritten Diffusionspfad der dritten Kammer zugeführt. Dort erfolgen wiederum eine Umsetzung von Stickstoffmonoxid in Stickstoff und Sauerstoff sowie eine Messung eines Pumpstromes. Da das über den zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer vorgesehenen Diffusionspfad übertragene Stickstoffmonoxid und das Stickstoffdioxid in den beiden vorgenannten Betriebsmoden unterschiedliche Diffusionskoeffizienten aufweisen ist ein in der dritten Kammer gemessener zugehöriger Pumpstromwert ebenfalls unterschiedlich. Aus der Differenz zwischen den gemessenen Pumpstromwerten können unter Verwendung von empirisch ermittelten, in einem Speicher hinterlegten Daten und einer hinterlegten Betriebssoftware eine zugehörige Stickstoffmonoxidkonzentration und eine zugehörige Stickstoffdioxidkonzentration individuell ermittelt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die auch in einem dynamischen Betrieb des Kraftfahrzeugs genaue Ergebnisse liefern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegeben Merkmalen gelöst. Gemäß diesem Verfahren werden zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 angegeben. Die Ansprüche 10 und 11 haben eine Vorrichtung zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs zum Gegenstand.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs erfolgt eine Verwendung von mindestens drei Pumpstrommesswerten, die zeitlich aufeinanderfolgend in zwei unterschiedlichen Betriebsmoden des Stickoxidsensors ermittelt werden.
Ein Vorteil einer derartigen Ermittlung unter Verwendung von mindestens drei Pumpstrommesswerten, die zeitlich aufeinanderfolgend ermittelt werden, besteht darin, dass die genannten Daten auch in einem dynamischen Betrieb des Kraftfahrzeugs individuell genau ermittelt werden können, obwohl in diesem dynamischen Betrieb Veränderungen der Stickoxidkonzentration und/oder des Stickoxidverhältnisses auftreten können.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigt

1 eine Blockdarstellung eines Stickoxidsensors, der zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, und
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren.

Die 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Stickoxidsensors, der zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Dieser Stickoxidsensor 1 enthält einen Sensorkörper 2, der einen Eingang 3 für den Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs aufweist. Dieser Eingang 3 ist über einen ersten Diffusionspfad 4 mit einer ersten Kammer 5 verbunden. Der ersten Kammer 5 sind Elektroden 6 und 7 zugeordnet, an welche mittels einer Steuereinheit 16 eine Spannung angelegt werden kann, um diese Kammer zu aktivieren.
Der Ausgang der ersten Kammer 5 ist über einen zweiten Diffusionspfad 8 mit einer zweiten Kammer 9 verbunden, welcher Elektroden 10 und 11 zugeordnet sind.
Der Ausgang der zweiten Kammer 9 ist über einen dritten Diffusionspfad 12 mit einer dritten Kammer 13 verbunden. Dieser dritten Kammer sind Elektroden 14 und 15 zugeordnet. Bei dieser dritten Kammer 13 handelt es sich um eine Messkammer, in welcher unter Verwendung der Elektroden 14 und 15 eine Pumpstrommessung durchgeführt werden kann. Die gemessenen Pumpstromwerte Ix werden einer Steuereinheit 16 zugeführt, die aus diesen Pumpstrommesswerten nach einem hinterlegten Arbeitsprogramm und unter Verwendung weiterer hinterlegter Daten die Stickoxidkonzentration und ein Stickoxidverhältnis des dem Eingang 3 des Stickoxidsensors 1 zugeführten Abgases ermittelt.
Der in der 1 dargestellte Stickoxidsensor 1 weist zwei Betriebsmoden auf. Im ersten Betriebsmodus ist die erste Kammer 5 deaktiviert. In diesem ersten Betriebsmodus durchlaufen das im Abgasstrom enthaltene Stickstoffmonoxid und das im Abgasstrom enthaltene Stickstoffdioxid die erste Kammer 5 unverändert und werden über den zweiten Diffusionspfad 8 der zweiten Kammer 9 zugeführt. In dieser zweiten Kammer 9 erfolgt eine Umsetzung des im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxids unter Bildung von Stickstoffmonoxid und Sauerstoff gemäß der folgenden Beziehung: 2NO₂ → 2NO + O₂.
Das dabei gebildete Stickstoffmonoxid wird zusammen mit dem weiteren im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffmonoxid über den dritten Diffusionspfad 12 in die dritte Kammer 13 weitergeleitet. Dort erfolgt eine Messung des Pumpstromes. Der Pumpstrommesswert wird der Steuereinheit 16 zugeführt. Des Weiteren erfolgt in der dritten Kammer 13 eine Umsetzung des Stickstoffmonoxids in Stickstoff und Sauerstoff, die über das Endrohr des Abgastrakts des Kraftfahrzeugs an die Umgebung ausgegeben werden.
Im zweiten Betriebsmodus ist die erste Kammer 5 aktiviert. In diesem zweiten Betriebsmodus erfolgt bereits in der ersten Kammer 5 eine Umsetzung des im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxids unter Bildung von Stickstoffmonoxid und Sauerstoff gemäß der folgenden Beziehung: 2NO₂ -> 2NO + O₂.
Das dabei gebildete Stickstoffmonoxid wird zusammen mit dem weiteren im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffmonoxid über den zweiten Diffusionspfad 8 in die zweite Kammer 9 weitergeleitet. Das der zweiten Kammer 9 zugeführte Stickstoffmonoxid durchläuft die zweite Kammer 9 unverändert und wird über den dritten Diffusionspfad 12 der dritten Kammer 13 zugeführt. Dort erfolgt eine Messung des Pumpstromes. Der Pumpstrommesswert wird der Steuereinheit 16 zugeführt. Des Weiteren erfolgt in der dritten Kammer 13 eine Umsetzung des Stickstoffmonoxids in Stickstoff und Sauerstoff, die über das Endrohr des Abgastrakts des Kraftfahrzeugs an die Umgebung ausgegeben werden.
Die in den beiden beschriebenen Betriebsmoden gemessenen Pumpstromwerte sind aufgrund der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid unterschiedlich. Diese Pumpstromdifferenz wird in der Steuereinheit 16 ermittelt und unter zusätzlicher Berücksichtigung von hinterlegter Betriebssoftware und weiterer hinterlegter Daten zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom verwendet.
Zu dieser Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses werden mindestens drei aufeinander folgende Pumpstrommesswerte verwendet, wobei jeweils zwei aufeinander folgende Pumpstrommesswerte in unterschiedlichen Betriebsmoden des Stickoxidsensors gemessen werden.
Im Falle einer Verwendung von drei Pumpstrommesswerten wird beispielsweise der erste Pumpstrommesswert im ersten Betriebsmodus, der zweite Pumpstrommesswert im zweiten Betriebsmodus und der dritte Pumpstrommesswert wiederum im ersten Betriebsmodus gemessen.
Alternativ dazu kann im Falle einer Verwendung von drei Pumpstrommesswerten der erste Pumpstrommesswert im zweiten Betriebsmodus, der zweite Pumpstrommesswert im ersten Betriebsmodus und der dritte Pumpstrommesswert wiederum im zweiten Betriebsmodus gemessen werden.
Im Falle einer Verwendung von vier Pumpstrommesswerten wird beispielsweise der erste Pumpstrommesswert im ersten Betriebsmodus, der zweite Pumpstrommesswert im zweiten Betriebsmodus, der dritte Pumpstrommesswert wiederum im ersten Betriebsmodus und der vierte Pumpstrommesswert wiederum im zweiten Betriebsmodus gemessen.
Alternativ dazu kann im Falle einer Verwendung von vier Pumpstrommesswerten der erste Pumpstrommesswert im zweiten Betriebsmodus, der zweite Pumpstrommesswert im ersten Betriebsmodus, der dritte Pumpstrommesswert wiederum im zweiten Betriebsmodus und der vierte Pumpstrommesswert wiederum im ersten Betriebsmodus gemessen werden.
Durch eine Verwendung von mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten wird erreicht, dass auch im Falle eines dynamischen Betriebes, bei dem sich die Stickoxidkonzentration und/oder das Stickoxidverhältnis in kurzer Zeit verändern, die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können.
Im Falle einer Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses aus vier aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten basiert die Ermittlung auf den folgenden Beziehungen: NO_2 + s1●NO2_1 = y1, (1a) NO_2 + NO2_2 = y2, (2a) NO_3 + s1●NO2_3 = y3 (3a) und NO_4 + NO2_4 = y4 (4a), wobei y1, y2, y3 und y4 die ermittelten aufeinander folgenden, jeweils mit einer Konstante multiplizierten Pumpstrommesswerte sind. Dabei wurden y1 und y3 im ersten Betriebsmodus und y2 und y4 im zweiten Betriebsmodus ermittelt. Bei s1 handelt es sich um einen Sensitivitätsfaktor.
Da sich die Stickstoffmonoxidkonzentration und die Stickstoffdioxidkonzentration bei einer Veränderung des Motorbetriebspunktes schnell ändern können, das Stickoxidverhältnis NO2/NOx sich aber langsam verändert, werden die Stickoxidkonzentration NOx und das Stickoxidverhältnis NO2/NOx als Variablen gewählt, um aus den gemessenen Pumpstromwerten die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis genau zu ermitteln.
Umgeformt nach NOx und mit F = NO2/NOx ergeben sich aus den oben genannten Beziehungen (1a), (2a), (3a) und (4a) die folgenden Beziehungen: (1-F)●NOx_1 + s1●F●NOx_ 1 = y1 (1b) (1-F)●NOx_2 + F●NOx_2 = y2 (2b) (1-F)●NOx_3 + s1●F●NOx_3 = y3 (3b) und (1-F)●NOx_2 + F●NOx_2 = y4 (4b).
Unter der Annahme, dass sich die Stickoxidkonzentration innerhalb der kurzen Zeit eines Modenwechsels linear ändern kann, können die vorstehenden Beziehungen wie folgt gelöst werden: N0x_2 = y2 (5) F = ((y1+y3)/2●y2)) - 1)/ (s1-1) (6) N0x_3 = (y2+y4)/2 (7) F = ((2●y3)/(y2+y4)) - 1)/ (s1-1) (8).
Folglich können die vorstehend wiedergegebenen Beziehungen in der angegebenen Reihenfolge abwechselnd für den ersten Betriebsmodus und den zweiten Betriebsmodus zu einer genauen Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses NO2/NOx im Abgas eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Genauigkeit der Ermittlung beruht dabei insbesondere auf einer Einführung des Stickoxidverhältnisses NO2/NOx als Variable und die Ermittlung der Stickoxidkonzentration NOx und des Stickoxidverhältnisses NO2/NOx durch Hinzuziehen mindestens eines dritten Pumpstrommesswertes bei der Ermittlung der genannten Daten.
Alternativ dazu können auch das Stickoxidverhältnis NO/NOx oder das Stickoxidverhältnis NO2/NO als Variable verwendet werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, aus dem Stickoxidverhältnis NO2/NOx andere Stickoxidverhältnisse wie beispielsweise NO/NOx oder NO2/NO zu ermitteln.
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs.
Mit einem Schritt S1 beginnt das Verfahren.
Danach erfolgt in einem Schritt S2 ein Umschalten des Stickoxidsensors in den ersten Betriebsmodus, in welchem die erste Kammer 5 deaktiviert ist. Danach erfolgt in einem Schritt S3 eine Messung des Pumpstromes in der dritten Kammer 13 und es erfolgt eine Weiterleitung des gemessenen Pumpstromwertes an die Steuereinheit 16.
Anschließend wird zum Schritt S4 übergegangen, in welchem eine Umschaltung des Stickoxidsensors in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, in welchem die erste Kammer 5 aktiviert ist. Danach erfolgt in einem Schritt S5 eine Messung des Pumpstromes in der dritten Kammer 13 und es erfolgt eine Weiterleitung des gemessenen Pumpstromwertes an die Steuereinheit 16.
Danach wird zum Schritt S6 übergegangen, in welchem eine Umschaltung des Stickoxidsensors in den ersten Betriebsmodus erfolgt, in welchem die erste Kammer 5 deaktiviert ist. Nach dieser Umschaltung erfolgt in einem Schritt S7 eine Messung des Pumpstromes in der dritten Kammer 13 und es erfolgt eine Weiterleitung des gemessenen Pumpstromwertes an die Steuereinheit 16.
Anschließend wird zum Schritt S8 übergegangen, in welchem eine Umschaltung des Stickoxidsensors in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, in welchem die erste Kammer 5 aktiviert ist. Danach erfolgt in einem Schritt S9 eine Messung des Pumpstromes in der dritten Kammer 13 und es erfolgt eine Weiterleitung des gemessenen Pumpstromwertes an die Steuereinheit 16.
Nach dem Schritt S9 wird zu einem Schritt S10 übergegangen, in welchem die Steuereinheit 16 unter Verwendung der gemessenen Pumpstromwerte, eines hinterlegten Arbeitsprogrammes und weiterer hinterlegter Daten nach den oben angegebenen Beziehungen 5, 6, 7 und 8 genaue Werte für die Stickoxidkonzentration NOx und das Stickoxidverhältnis F = NO2/NOx des Abgasstromes ermittelt.
Mit einem darauf folgenden Schritt S11 endet das Verfahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/222002 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs, bei welchem die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeweils zwei aufeinander folgende Pumpstrommesswerte in unterschiedlichen Betriebsmoden eines Stickoxidsensors (1) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerte mittels eines einen Eingang für einen Abgasstrom aufweisenden Stickoxidsensors (1) gemessen werden, welcher drei in Reihe hintereinander angeordnete Kammern (5, 9, 13) aufweist, wobei jeweils zwei hintereinander angeordnete Kammern über einen Diffusionspfad (8, 12) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem in einem ersten Betriebsmodus im Abgasstrom enthaltenes Stickstoffmonoxid und im Abgasstrom enthaltenes Stickstoffdioxid die erste Kammer (5) unverändert durchlaufen und über einen Diffusionspfad (8) der zweiten Kammer (9) zugeführt werden, in der zweiten Kammer (9) eine Umsetzung des im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxids in Stickstoffmonoxid erfolgt, welches zusammen mit dem im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffmonoxid über einen weiteren Diffusionspfad (12) der dritten Kammer (13) zugeführt wird und in der dritten Kammer (13) eine Messung eines zugehörigen Pumpstromwertes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem in einem zweiten Betriebsmodus im Abgasstrom enthaltenes Stickstoffdioxid in der ersten Kammer (5) in Stickstoffmonoxid umgesetzt wird, welches zusammen mit im Abgasstrom enthaltenem Stickstoffmonoxid über einen Diffusionspfad (8) der zweiten Kammer (9) zugeführt wird, das der zweiten Kammer (9) zugeführte Stickstoffmonoxid die zweite Kammer (9) durchläuft und über einen weiteren Diffusionspfad (12) der dritten Kammer (13) zugeführt wird und in der dritten Kammer (13) eine Messung eines zugehörigen Pumpstromwertes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ermittlung der Stickoxidkonzentration und des Stickoxidverhältnisses mittels einer Steuereinheit (16) erfolgt, welcher die mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerte zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Steuereinheit (16) die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus vier aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt, von denen der erste und der dritte Pumpstrommesswert im ersten Betriebsmodus und der zweite und der vierte Pumpstrommesswert im zweiten Betriebsmodus gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Steuereinheit (16) die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis auf Basis der folgenden Beziehungen ermittelt: NO_2 + s1●NO2_1 = y1, NO_2 + NO2_2 = y2, NO_3 + s1●NO2_3 = y3 und NO_4 + NO2_4 = y4, wobei y1, y2, y3 und y4 die ermittelten aufeinanderfolgenden, jeweils mit einer Konstante multiplizierten Pumpstrommesswerte sind und s1 ein Sensitivitätsfaktor ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem die Steuereinheit (16) die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis unter der Annahme, dass sich die Stickoxidkonzentration innerhalb der Zeit eines Modenwechsels linear ändert, durch die folgenden Beziehungen ermittelt: NOx_2 = y2, F = ((y1+y3)/2●y2)) - 1)/ (s1-1), NOx_3 = (y2+y4)/2, F = ((2●y3)/(y2+y4)) - 1)/ (s1-1), wobei NOx_2 und N0x_3 jeweils eine Stickoxidkonzentration und F = NO2/NOx ein Stickoxidverhältnis ist.
Vorrichtung zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration und eines Stickoxidverhältnisses im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs, welche eine Steuereinheit (16) aufweist, die die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus mindestens drei aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Steuereinheit (16) die Stickoxidkonzentration und das Stickoxidverhältnis aus vier aufeinanderfolgenden Pumpstrommesswerten ermittelt.