DE102018218136A1 - Diagnostic method for an exhaust gas aftertreatment system and exhaust gas aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors und ein Abgasnachbehandlungssystem beschrieben. Bei dem Verfahren wird der im Betrieb eines Dreiwegekatalysators (2) entstehende Temperaturanstieg im Abgas mit einem Temperatursensor (9) gemessen und mit einem Temperaturanstieg verglichen, der einem einer Operation des Dreiwegekatalysators (2) im optimalen Verwertungsfenster entsprechenden Temperaturanstieg entspricht. Es findet somit eine temperaturbasierte Erkennung des Konvertierungsfensters des Dreiwegekatalysators (2), die für eine Reihe von neuen Funktionen verwendet werden kann, Anwendung. Ferner wird ein Abgasnachbehandlungssystem beschrieben, das in der vorstehend erläuterten Weise operiert.A method for operating an exhaust gas aftertreatment system of a gasoline engine and an exhaust gas aftertreatment system are described. In the method, the temperature rise in the exhaust gas during operation of a three-way catalytic converter (2) is measured with a temperature sensor (9) and compared with a temperature rise that corresponds to a temperature rise corresponding to an operation of the three-way catalytic converter (2) in the optimal utilization window. Temperature-based detection of the conversion window of the three-way catalytic converter (2) is therefore used, which can be used for a number of new functions. Furthermore, an exhaust gas aftertreatment system is described which operates in the manner explained above.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems eines Ottomotors, das im Abgasstrang einen Dreiwegekatalysator, ein Lambdasondensystem und einen Temperatursensor nach dem Dreiwegekatalysator aufweist.The present invention relates to a method for operating an exhaust gas aftertreatment system of a gasoline engine, which has a three-way catalytic converter, a lambda probe system and a temperature sensor after the three-way catalytic converter in the exhaust line.
Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren entstehen Abgasemissionen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Um schädliche Emissionen zu vermeiden bzw. zu reduzieren, werden in Fahrzeugen mit Ottomotor Dreiwegekatalysatoren eingesetzt, die eine entsprechende Abgasnachbehandlung durchführen und über 90 % der Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in die ungefährlichen Bestandteile Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umwandeln. Um diesen hohen Umwandlungsgrad der Schadstoffe zu gewährleisten, muss mithilfe eines Regelkreises mithilfe eines Lambdasondensystems das Luftverhältnis (auch als λ bezeichnet) in einem engen Bereich um λ = 1, dem sogenannten Lambdafenster, gehalten werden.Exhaust emissions arise from the combustion of hydrocarbons in motor vehicles with internal combustion engines. In order to avoid or reduce harmful emissions, three-way catalytic converters are used in vehicles with petrol engines that carry out appropriate exhaust gas aftertreatment and convert over 90% of the pollutants carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and unburned hydrocarbons (HC) into the non-hazardous components carbon dioxide ( Convert CO 2 ), nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). In order to ensure this high degree of conversion of the pollutants, the air ratio (also referred to as λ) must be kept in a narrow range around λ = 1, the so-called lambda window, using a control circuit using a lambda sensor system.
Hierzu weisen derartige Abgasnachbehandlungssysteme in der Regel eine Lambdasonde vor (stromauf) und eine Lambdasonde nach (stromab) des Dreiwegekatalysators auf. Mit einem derartigen System erfolgt eine Kaskadenregelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, im Lambdafenster. Diese Kaskadenregelung setzt sich normalerweise aus einer Lambdaregelung als inneren Regelkreis auf Basis der Vor-Katalysator-Lambdasonde und einer sogenannten Trimmregelung als äußeren Regelkreis auf Basis der Nach-Katalysator-Lambdasonde zusammen. Beide Regelkreise sollen sicherstellen, dass die Abgaszusammensetzung, welche in den Katalysator einströmt, optimal ist für eine maximale Konvertierungsrate des Katalysators und damit einhergehend für eine minimale Emission von CO, NOx und HC nach dem Katalysator.For this purpose, exhaust gas aftertreatment systems of this type generally have a lambda probe before (upstream) and a lambda probe after (downstream) the three-way catalytic converter. With such a system, the fuel-air mixture that is fed to the internal combustion engine is cascaded in the lambda window. This cascade control normally consists of a lambda control as an inner control loop based on the pre-catalyst lambda probe and a so-called trim control as an outer control loop based on the post-catalyst lambda probe. Both control loops are intended to ensure that the exhaust gas composition that flows into the catalytic converter is optimal for a maximum conversion rate of the catalytic converter and, consequently, for a minimal emission of CO, NOx and HC after the catalytic converter.
Es ist ferner bekannt, in derartigen Abgasnachbehandlungssystemen einen Temperatursensor vorzusehen, der nach der zweiten Lambdasonde (Nach-Katalysator-Sonde) am Abgasstrang angeordnet ist. Ein derartiger Temperatursensor kann hierbei beispielsweise einem im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter vorgeschaltet sein.It is also known to provide a temperature sensor in such exhaust gas aftertreatment systems, which is arranged on the exhaust line after the second lambda probe (after-catalyst probe). Such a temperature sensor can, for example, be connected upstream of a particle filter arranged in the exhaust line.
Die vorliegende Erfindung betrifft nunmehr die Durchführung einer Diagnose bzw. Überwachung eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems. Eine Überwachung der Nach-Katalysator-Sonde und der Trimmregelung ist hierbei Standard. Es gibt jedoch keine direkte Plausibilisierung von Nach-Katalysator-Sonde und Trimmregelung, die überprüft, ob die Abgasnachbehandlung im optimalen Konvertierungsbereich des Katalysators betrieben wird.The present invention now relates to carrying out a diagnosis or monitoring of such an exhaust gas aftertreatment system. Monitoring the post-catalyst probe and the trim control is standard here. However, there is no direct plausibility check of the post-catalyst probe and trim control, which checks whether the exhaust gas aftertreatment is operated in the optimal conversion range of the catalyst.
Bekannt ist die Durchführung von elektrischen Diagnosen sowie von Plausibilitätsdiagnosen der Nach-Katalysator-Lambdasonde. Ferner wird überwacht, dass die Trimmregelung einen vorgegebenen Eingriffswert nicht überschreitet. Eine explizite genaue Überwachung des für die Emissionen wichtigen λ = 1 Wertes (üblicherweise 0,60-0,72 V Sondenspannung) oder ob der aktuelle gewählte Spannungssollwert des Trimmreglers das Katalysatorkonvertierungsfenster optimal trifft, ist jedoch heute nicht vorhanden.It is known to carry out electrical diagnoses and plausibility diagnoses of the post-catalyst lambda probe. It is also monitored that the trim control does not exceed a predetermined intervention value. However, there is currently no explicit, precise monitoring of the λ = 1 value that is important for emissions (usually 0.60-0.72 V probe voltage) or whether the currently selected voltage setpoint of the trim regulator optimally hits the catalyst conversion window.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Diagnoseverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine besonders hohe Sicherheit in Bezug auf die Einhaltung der Abgasemissionsgrenzen erreichbar ist.The object of the present invention is to provide a diagnostic method with which a particularly high level of safety with regard to compliance with the exhaust emission limits can be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- Regeln des Betriebes des Abgasnachbehandlungssystems mithilfe des Lambdasondensystems derart, dass die Zusammensetzung des in den Dreiwegekatalysator einströmenden Abgases optimal ist für eine maximale Konvertierungsrate des Dreiwegekatalysators;
- Regulating the operation of the exhaust gas aftertreatment system with the aid of the lambda sensor system such that the composition of the exhaust gas flowing into the three-way catalytic converter is optimal for a maximum conversion rate of the three-way catalytic converter;
Messen des im Betrieb des Dreiwegekatalysators entstehenden Temperaturanstieges im Abgas mit dem Temperatursensor;Measuring the temperature rise in the exhaust gas occurring during operation of the three-way catalytic converter with the temperature sensor;
Vergleichen des gemessenen Temperaturanstieges mit einem einer Operation des Dreiwegekatalysators im optimalen Konvertierungsfenster entsprechenden Temperaturanstieg; und
Diagnostizieren des Systems als funktionsgerecht, wenn der gemessene Temperaturanstieg dem des optimalen Konvertierungsfensters entspricht, und als fehlerhaft, wenn der gemessene Temperaturanstieg nicht dem des optimalen Konvertierungsfensters entspricht.Comparing the measured temperature rise with a temperature rise corresponding to an operation of the three-way catalyst in the optimal conversion window; and
Diagnosing the system as functional if the measured temperature rise corresponds to that of the optimal conversion window and as faulty if the measured temperature rise does not correspond to that of the optimal conversion window.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine temperaturbasierte Erkennung des Konvertierungsfensters des Dreiwegekatalysators durchgeführt. Bei Untersuchungen auf dem Motorprüfstand wurde nämlich festgestellt, dass bei dem Dreiwegekatalysator die exotherme Reaktion im optimalen Konvertierungsfenster bewirkt, dass die Abgastemperatur entsprechend steigt. Dieser Temperaturanstieg im Abgas wird vom nachgeschalteten Temperatursensor gemessen. Durch einen Vergleich des gemessenen Wertes mit einem Sollwert, der einem einer Operation des Dreiwegekatalysators im optimalen Konvertierungsfenster entsprechenden Temperaturanstieg entspricht, wird erfindungsgemäß diagnostiziert, ob das System funktionsgerecht arbeitet oder fehlerhaft ist.In the method according to the invention, a temperature-based detection of the conversion window of the three-way catalytic converter is thus carried out. Examinations on the engine test bench found that the three-way catalytic converter's exothermic reaction in the optimal conversion window caused the exhaust gas temperature to rise accordingly. This temperature rise in the exhaust gas is measured by the downstream temperature sensor. By comparing the measured value with a setpoint that corresponds to an operation of the three-way catalytic converter in optimal conversion window corresponds to a corresponding temperature rise, it is diagnosed according to the invention whether the system is functioning properly or is faulty.
Beispielsweise wird erfindungsgemäß der gemessene Temperaturanstieg mit einem Sollwert verglichen, der etwa 50° K entspricht. Durch diesen Vergleich kann erkannt werden, ob sich der Katalysator im optimalen Konvertierungsbereich befindet oder nicht. Diese temperaturbasierte Erkennung des Konvertierungsfensters kann beispielsweise für folgende Funktionen verwendet werden:
- 1. Kontrolle/Überwachung eines Trimmregler-Sollwertes dahingehend, dass dieser das optimale Katalysator-Konvertierungsfenster trifft.
- 2. Eine Optimierung von Sollwert-Anpassungsalgorithmen über die Lebensdauer, die heute üblicherweise zugunsten der NOx-Vermeidung leicht fett appliziert werden, was einen leicht erhöhten Kraftstoffverbrauch/CO2-Ausstoß zur Folge hat.
- 3. Es kann eine Anpassung des Trimmregler-Sollwertes (Adaption) durchgeführt werden.
- 4. Eine Überwachung des Lambda =1-Punktes einer Nachkatsonde, falls dies zukünftig vom Gesetzgeber gefordert wird.
- 1. Check / monitor a trim controller setpoint to ensure that it hits the optimal catalyst conversion window.
- 2. An optimization of setpoint adjustment algorithms over the service life, which today are usually applied in bold in favor of NOx avoidance, which results in a slightly increased fuel consumption / CO 2 emissions.
- 3. The trim controller setpoint can be adjusted.
- 4. Monitoring the lambda = 1 point of a post-cat probe, if this is required by law in the future.
Das Abgas wird vorzugsweise mithilfe eines Lambdasondensystems geregelt, das eine erste Lambdasonde vor dem Dreiwegekatalysator und eine zweite Lambdasonde nach dem Dreiwegekatalysator aufweist.The exhaust gas is preferably regulated using a lambda probe system which has a first lambda probe upstream of the three-way catalytic converter and a second lambda probe downstream of the three-way catalytic converter.
Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise mithilfe der beiden Lambdasonden eine Kaskadenregelung mit einem inneren Regelkreis auf Basis der ersten Lambdasonde und einem äußeren Regelkreis auf Basis der zweiten Lambdasonde (Trimmregelung) durchgeführt.In the method according to the invention, too, a cascade control with an inner control loop based on the first lambda probe and an outer control loop based on the second lambda probe (trim control) is preferably carried out with the aid of the two lambda probes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Temperaturanstieg des Abgases nach dem Dreiwegekatalysator mit einem im bzw. am Abgasstrang vorgesehenen Temperatursensor gemessen. Bei diesem Temperatursensor handelt es sich vorzugsweise um einen Temperatursensor, der einem im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter vorgeschaltet ist. Um entsprechende Grenzwerte für die Anzahl der Partikel im Abgasstrom einzuhalten, finden in derartigen Abgasnachbehandlungssystemen immer mehr Partikelfilter Verwendung, die den Dreiwegekatalysatoren nachgeschaltet sind. Diese Partikelfilter (Ottopartikelfilter) sind insbesondere mit zwei Temperatursensoren vor und nach dem Partikelfilter und einem Differenzdrucksensor versehen. Erfindungsgemäß wird nunmehr der für den Partikelfilter vorgesehene Vortemperatursensor dafür benutzt, um den Temperaturanstieg nach dem Dreiwegekatalysator zu messen und auf diese Weise die korrekte Funktionsweise des Abgasnachbehandlungssystems zu diagnostizieren.In the method according to the invention, the temperature rise of the exhaust gas after the three-way catalytic converter is measured with a temperature sensor provided in or on the exhaust line. This temperature sensor is preferably a temperature sensor which is connected upstream of a particle filter arranged in the exhaust line. In order to comply with corresponding limit values for the number of particles in the exhaust gas flow, more and more particle filters are used in such exhaust gas aftertreatment systems, which are connected downstream of the three-way catalytic converters. These particulate filters (gasoline particulate filters) are in particular provided with two temperature sensors before and after the particulate filter and a differential pressure sensor. According to the invention, the pre-temperature sensor provided for the particle filter is now used to measure the temperature rise after the three-way catalytic converter and in this way to diagnose the correct functioning of the exhaust gas aftertreatment system.
Es findet daher erfindungsgemäß eine systemübergreifende Nutzung der durch das Partikelfiltersystem (GPF-System) neu vorhandenen Temperatursonde für das Subsystem Lambdaregelung und Lambdasonde Verwendung. Ferner sorgt die erfindungsgemäße Lösung für Sicherheit gegenüber eventuell zukünftig aufkommender Vorschriften zur Überwachung des Lambda-1-Punktes der Nachkatsonde oder des Trimmregler-Sollwertes. Eine Adaption des Trimmregler-Sollwertes und damit eine leichte Verbesserung der CO2-Emissionen ist möglich. Ferner wird eine erhöhte Sicherheit erreicht, um die Emissionsgrenzen über die komplette Fahrzeuglebensdauer einzuhalten.Therefore, according to the invention, a cross-system use of the new temperature probe by the particle filter system (GPF system) is used for the lambda control and lambda probe subsystem. Furthermore, the solution according to the invention provides security against any future regulations for monitoring the
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem eines Ottomotors mit einem im Abgasstrang angeordneten Dreiwegekatalysator, einem Lambdasondensystem und einem Temperatursensor nach dem Dreiwegekatalysator sowie einer Steuereinheit.The present invention further relates to an exhaust gas aftertreatment system of a gasoline engine with a three-way catalytic converter arranged in the exhaust line, a lambda probe system and a temperature sensor after the three-way catalytic converter and a control unit.
Erfindungsgemäß ist hierbei der Temperatursensor zum Messen des Temperaturanstieges des Abgases durch den Betrieb des Dreiwegekatalysators und die Steuereinheit zum Vergleichen des gemessenen Temperaturanstieges mit einem einer Operation des Dreiwegekatalysators im optimalen Konvertierungsfenster entsprechenden Temperaturanstieg und zum Diagnostizieren des Systems als funktionsgerecht, wenn der gemessene Temperaturanstieg dem des optimalen Konvertierungsfensters entspricht, und als fehlerhaft, wenn der gemessene Temperaturanstieg nicht dem des optimalen Konvertierungsfensters entspricht, ausgebildet.According to the invention, the temperature sensor for measuring the temperature rise of the exhaust gas through the operation of the three-way catalytic converter and the control unit for comparing the measured temperature rise with a temperature rise corresponding to an operation of the three-way catalytic converter in the optimal conversion window and for diagnosing the system are functional if the measured temperature rise corresponds to that of the optimal one Conversion window corresponds, and as faulty if the measured temperature rise does not correspond to that of the optimal conversion window.
Das Abgasnachbehandlungssystem weist vorzugsweise einen inneren Regelkreis auf Basis einer ersten Lambdasonde und einen äußeren Regelkreis auf Basis einer zweiten Lambdasonde auf.The exhaust gas aftertreatment system preferably has an inner control loop based on a first lambda probe and an outer control loop based on a second lambda probe.
Der Temperatursensor entstammt vorzugsweise einem Partikelfiltersystem und ist dabei einem im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter vorgeschaltet. Dieser Partikelfilter besitzt neben dem vorgeschalteten Temperatursensor einen nachgeschalteten Temperatursensor sowie einen Differenzialdrucksensor.The temperature sensor preferably originates from a particle filter system and is connected upstream of a particle filter arranged in the exhaust line. In addition to the upstream temperature sensor, this particle filter has a downstream temperature sensor and a differential pressure sensor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß dem Stand der Technik; und -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Abgasnachbehandlungssystems.
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1 a schematic representation of an exhaust gas aftertreatment system according to the prior art; and -
2nd a schematic representation of an exhaust gas aftertreatment system designed according to the invention.
Mit den beiden Lambdasonden
Die entsprechende Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist bei 7 schematisch angedeutet.The corresponding setting of the air-fuel ratio is indicated schematically at 7.
Es ist bekannt, dass die exotherme Reaktion im optimalen Konvertierungsfenster des Dreiwegekatalysators
Neben einer reinen Diagnosefunktion kann das erfindungsgemäße System auch in das Regelsystem eingreifen und beispielsweise den Trimmregler-Sollwert entsprechend anpassen, damit der Katalysator den optimalen Konvertierungsbereich trifft. Hierdurch wird letztendlich der Emissionsausstoß verbessert.In addition to a purely diagnostic function, the system according to the invention can also intervene in the control system and, for example, adapt the trim controller setpoint accordingly so that the catalytic converter meets the optimal conversion range. This will ultimately improve emissions.
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Wikipediaeintrag "Ottopartikelfilter" vom 17.07.2018, online abgerufen am 06.06.2019. * |
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