DE102019206680A1 - Verfahren zur Nullpunktkalibrierung eines Stickoxidsensors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nullpunktkalibrierung (83) eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors, der in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors stromabwärts eines SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, in dem der Abgasstrang keine Stickoxide enthält, mindestens ein Messwert des Stickoxidsensors als Adaptionswert verwendet wird. Eine Freigabe (82) der Nullpunktkalibrierung (83) erfolgt nur dann, wenn der Abgasstrang an der Position des Stickoxidsensors kein Ammoniak enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nullpunktkalibrierung eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Abgasnachbehandlungssysteme zur Verringerung von Stickoxidemissionen verwenden beispielsweise Technologien wie stickoxidspeichernde Katalysatoren (nitrogen storage catalyst; NSC) oder die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (selective catalytic reduction; SCR). Bei beiden Technologien kann es im Betrieb zur Abgabe von Ammoniakemissionen kommen.
  • Ein NSC-Katalysator speichert Stickoxide eines sauerstoffreichen Abgases unter der Wirkung eines Edelmetallkatalysators in Form von Nitraten. Durch ein Anfetten des Kraftstoffluftgemisches im Verbrennungsmotor werden die Stickoxidmoleküle in den Abgasstrom abgegeben und durch unvollständig verbrannte, reduzierend wirkende Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid idealerweise zu Stickstoff reduziert. Teilweise erfolgt jedoch auch eine weitere Reduzierung zu Ammoniak.
  • Bei Verwendung eines SCR-Katalysators ist vorgesehen, dass durch Einbringen einer Reduktionsmittellösung, bei der es sich üblicherweise um eine wässrige Harnstofflösung handelt (Harnstoffwasserlösung; HWL) in den Abgasstrang Ammoniak erzeugt wird, welches mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden im SCR-Katalysator zu Stickstoff und Wasser reagiert. Dabei kann nicht abreagiertes Ammoniak den SCR-Katalysator jedoch als sogenannter Ammoniakschlupf wieder verlassen. Die Zumessung der Reduktionsmittelmenge sowie Diagnosefunktionen zur Erkennung von defekten SCR-Katalysatoren erfolgen unter anderem auf der Grundlage der Messwerte von Stickoxidsensoren im Abgasstrang. Diese reagieren querempfindlich auf Ammoniak.
  • Der von einem Stickoxidsensor ausgegebene Nullpunkt weicht vom realen Wert ab. Dieser Nullpunkt-Offset kann sowohl positiv als auch negativ sein. Deshalb ist eine Nullpunktkalibrierung üblich. Diese erfolgt in einem Betriebszustand, in dem das Abgas keine Stickoxide enthält. Aufgrund der Querempfindlichkeit des Stickoxidsensors gegenüber Ammoniak muss für die Durchführung der Nullpunktkalibrierung allerdings die Ammoniakkonzentration des Abgases modelliert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Verfahren zur Nullpunktkalibrierung eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors, der in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors stromabwärts eines NSC-Katalysators oder eines SCR-Katalysators angeordnet ist, sieht in bekannter Weise vor, dass in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, in dem der Abgasstrang keine Stickoxide enthält, mindestens einen Messwert des Stickoxidsensors als Adaptionswert für die Nullpunktkalibrierung verwendet wird. Eine Freigabe der Nullpunktkalibrierung erfolgt allerdings nur dann, wenn der Abgasstrang an einer Position des Stickoxidsensors kein Ammoniak enthält. Wenn in herkömmlicher Weise im Rahmen der Nullpunktkalibrierung eine Ammoniakkonzentration eine Position des Stickoxidsensors modelliert werden muss, so können im Modellverhalten nicht berücksichtigte Systemfehler zu Ungenauigkeiten der Nullpunktkalibrierung führen. Diese Ungenauigkeiten können durch Verwendung der beschriebenen Freigabebedingung vermieden werden.
  • Eine Überprüfung, ob der Abgasstrang an der Position des Stickoxidsensors kein Ammoniak enthält, erfolgt vorzugsweise mittels eines nullpunktkalibrierten Ammoniaksignals eines Ammoniaksensors. Die Nullpunktkalibrierung des Ammoniaksignals ist vorteilhaft, da es ähnlichen Störfaktoren wie das Signal des Stickoxidsensors unterliegt und ähnliche Toleranzen aufweist.
  • Grundsätzlich kann es sich bei dem Ammoniaksensor um einen Ammoniaksensor handeln, welcher in der Nähe des Stickoxidsensors im Abgasstrang verbaut ist. Um auf ein zusätzliches Bauteil verzichten zu können und zudem eine maximale räumliche Nähe zwischen der Ammoniakmessung und der Stickoxidmessung zu erreichen, ist es jedoch bevorzugt, dass der Ammoniaksensor als Schaltkreis eines Sensorelements des Stickoxidsensors ausgeführt ist.
  • Während ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors, in dem der Abgasstrang keine Stickoxide enthält, beispielsweise im Schubbetrieb durch Ausspülen der Verbrennungsrückstände aus dem Abgasstrang mittels Frischluft erreicht werden kann, ist in einem solchen Betriebszustand nicht garantiert, dass der Abgasstrang an der Position des Stickoxidsensors kein Ammoniak enthält. Auch im motorischen Schub kann nämlich eine Ammoniakdesorption eines SCR-Katalysators auftreten. Es ist deshalb bevorzugt, dass eine Nullpunktkalibrierung eines Ammoniaksignals in einem Betriebszustand erfolgt, in dem aus einer Temperatur des SCR-Katalysators und aus einer Menge einer in den SCR-Katalysator erfolgten Reduktionsmitteldosierung darauf geschlossen wird, dass der Abgasstrang an der Position des Ammoniaksensors kein Ammoniak enthält. Abhängig von der verwendeten Katalysatortechnologie ist es dabei möglich, dass eine Nullpunkt-Kalibrierung des Ammoniaksignals nur bei Temperaturen erfolgen kann, die unterhalb einer Light-Off-Temperatur des SCR-Katalysators liegen. Um ausreichende Zeitanteile für die Nullpunktkalibrierung des Ammoniaksignals sicherzustellen, kann es daher erforderlich sein, den Ammoniaksensor auch unterhalb seines Taupunktes zu beheizen.
  • Auch wenn ein Schubbetrieb des Verbrennungsmotors nicht hinreichend ist, um die Anwesenheit von Ammoniak an der Position des Ammoniaksensors auszuschließen, so ist es doch bevorzugt, dass die Nullpunktkalibrierung des Ammoniaksignals in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors erfolgt. Hierdurch wird die Kalibriergenauigkeit bei eventuell vorhandenen Querempfindlichkeiten des Ammoniaksensors zu Stickoxiden oder anderen Abgaskomponenten verbessert.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei der Nullpunkt-Kalibrierung des Ammoniaksensors Messwerte des Ammoniaksensors über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelt werden und mit einer Übertragungsfunktion gedämpft werden. Auf diese Weise können Einflüsse durch Signalrauschen verringert werden und somit kann die Präzision der Nullpunktkalibrierung des Ammoniaksensors erhöht werden.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen durchführen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
  • Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Nullpunktkalibrierung eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors durchzuführen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, in dem auf Ammoniak querempfindliche Stickoxidsensoren mittels Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung einer Nullpunktkalibrierung unterzogen werden können.
    • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Nullpunktkalibrierung eines auf ammoniakquerempfindlichen Stickoxidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Ein Verbrennungsmotor 10, der in 1 dargestellt ist, weist einen Abgasstrang 11 auf. In dem Abgasstrang 11 sind aufeinanderfolgend ein NSC-Katalysator 21, ein erster SCR-Katalysator 22, der auf einem Dieselpartikelfilter angeordnet ist, und ein zweiter SCR-Katalysator 23, der mit einem CUC-Katalysator (clean up catalyst) kombiniert ist, angeordnet. In einem Reduktionsmitteltank 30, auf dessen Boden ein Fördermodul 31 angeordnet ist, ist eine HWL bevorratet. Ein erstes Dosiermodul 32 ist im Abgasstrang 11 stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators angeordnet. Ein zweites Dosiermodul 33 ist im Abgasstrang 11 stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 23 angeordnet. Beide Dosiermodule 32, 33 werden mittels des Fördermoduls 31 mit HWL versorgt, die sie in den Abgasstrang 11 eindosieren. Aus der HWL wird Ammoniak freigesetzt, welches in den SCR-Katalysatoren 22, 23 mit Stickoxiden in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion reagiert. Mehrere Ammoniaksensoren 41 bis 43 und auf Ammoniak querempfindliche Stickoxidsensoren 51 bis 53 sind in dem Abgasstrang 11 angeordnet. Der erste Ammoniaksensor 41 und der erste Stickoxidsensor 51 sind zwischen dem NSC-Katalysator 21 und dem ersten Dosiermodul 32 angeordnet. Der zweite Ammoniaksensor 42 und der zweite Stickoxidsensor 52 sind zwischen dem ersten SCR-Katalysator 22 und dem zweiten Dosiermodul 33 angeordnet. Der dritte Ammoniaksensor 43 und der dritte Stickoxidsensor 53 sind stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 23 angeordnet. Jeder der SCR-Katalysatoren 22, 23 weist außerdem jeweils einen Temperatursensor 61, 62 auf. Die Messwerte aller Sensoren 41 - 43, 51 - 53, 61, 62 werden einem elektronischen Steuergerät 70 zugeführt. Dieses steuert den Verbrennungsmotor 10 und die beiden Dosiermodule 32, 33.
  • In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nullpunktkalibrierung der Stickoxidsensoren 51 - 53 werden mehrere im elektronischen Steuergerät 70 erfasste Größen als Freigabebedingungen verwendet. Diese umfassen eine Abstellzeit t des Verbrennungsmotors 10, einen Kraftstoffmassenstrom qm(Kra) im Verbrennungsmotor 10 einen Ansaugluftmassenstrom qm(Luf) im Verbrennungsmotor 10, eine Betriebsart B des Verbrennungsmotors 10, eine Temperatur T des ersten SCR-Katalysators 22 beziehungsweise des zweiten SCR-Katalysators 23, eine im ersten SCR-Katalysator 22 beziehungsweise im zweiten SCR-Katalysator 23 gespeicherte Ammoniakmenge m(NH3) und einen Reduktionsmittelmassenstrom qm(Red) durch das erste Dosiermodul 32 beziehungsweise durch das zweite Dosiermodul 33. Bevor die Nullpunktkalibrierung eines der Stickoxidsensoren 51 bis 53 durchgeführt wird, sieht das Verfahren vor, dass zunächst eine Nullpunktkalibrierung des in seiner Nähe angeordneten Ammoniaksensors 41 bis 43 erfolgt. Hierzu erfolgt zunächst eine Prüfung 80, ob alle Freigabebedingungen für eine Nullpunktkalibrierung des jeweiligen Ammoniaksensors 41 bis 43 geeignete Werte aufweisen. Sind die Freigabebedingungen erfüllt, so wird mittels des jeweiligen Ammoniaksensors 41 bis 43 ein Rohwert des Ammoniaksignals NH3roh gemessen und mittels dieses Rohwertes wird die Nullpunktkalibrierung 81 vorgenommen. Dabei wird die Messung mehrfach wiederholt und die Messwerte werden gemittelt und mit einer Übertragungsfunktion gedämpft. Durch die Nullpunktkalibrierung steht nun ein kalibriertes Ammoniaksignal NH3kal zur Verfügung.
  • Für die Nullpunkt-Kalibrierung des Stickoxidsensors 51 bis 53 erfolgt nun eine Prüfung 82, ob zum einen die bereits für die Nullpunktkalibrierung des Ammoniaksignals geprüften Größen nun Werte angenommen haben, welche Freigabebedingungen für die Nullpunktkalibrierung des Stickoxidsensors 51 bis 53 erfüllen. Zum anderen wird hierbei auch geprüft, ob das kalibrierte Ammoniaksignal NH3kal vorliegt. Sind diese Bedingungen erfüllt, so erfolgt die Nullpunktkalibrierung 83 des Stickoxidsensors 51 - 53 unter Verwendung eines Rohwertes seines Stickoxidsignals NOxroh. Auf diese Weise kann ein kalibriertes Stickoxidsignal NOxkal erhalten werden.
  • In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann alternativ auch vorgesehen sein, dass jeweils der erste Ammoniaksensor 41 und der erste Stickoxidsensor 51 beziehungsweise der zweite Ammoniaksensor 42 und der zweite Stickoxidsensor 52 beziehungsweise der dritte Ammoniaksensor 43 und der dritte Stickoxidsensor 53 jeweils in einem einzelnen Sensorbauteil realisiert sind, in dem der Ammoniaksensor als Schaltkreis eines Sensorelements des jeweiligen Stickoxidsensors ausgeführt ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Nullpunktkalibrierung (83) eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors (51 - 53), der in einem Abgasstrang (11) eines Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines NSC-Katalysators (21) SCR-Katalysators (22, 23) angeordnet ist, wobei in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10), in dem der Abgasstrang (11) keine Stickoxide enthält, mindestens ein Messwert des Stickoxidsensors (51 - 53) als Adaptionswert verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freigabe (82) der Nullpunktkalibrierung (83) nur dann erfolgt, wenn der Abgasstrang (11) an der Position des Stickoxidsensors (51 - 53) kein Ammoniak enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überprüfung, ob der Abgasstrang (11) an der Position des Stickoxidsensors (51 - 53) kein Ammoniak enthält, mittels eines nullpunktkalibrierten Ammoniaksignals (NH3kal) eines Ammoniaksensors (41 - 43) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniaksensor als Schaltkreis eines Sensorelements des Stickoxidsensors (51 - 53) ausgeführt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nullpunktkalibrierung (81) eines Ammoniaksignals (NH3roh) in einem Betriebszustand erfolgt, in dem aus einer Temperatur (T) des SCR-Katalysators (22, 23) und einer Menge (m(NH3)) einer in den SCR-Katalysator (22, 23) erfolgten Reduktionsmitteldosierung darauf geschlossen wird, dass der Abgasstrang (11) an der Position des Ammoniaksensors (41 - 43) kein Ammoniak enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullpunktkalibrierung (81) des Ammoniaksignals (NH3roh) in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nullpunktkalibrierung (81) des Ammoniaksensors (41 - 43) Messwerte des Ammoniaksensors (41 - 43) über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelt werden und mit einer Übertragungsfunktion gedämpft werden.
  7. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
  8. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
  9. Elektronisches Steuergerät (70), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eine Nullpunktkalibrierung (83) eines auf Ammoniak querempfindlichen Stickoxidsensors (51 - 53) durchzuführen.
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