DE10242914A1 - Verfahren zur Adaption der NOx-Rohemission bei Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionskonzentration stromauf eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine (1) liegenden Katalysators (3), bei dem ein Ist-Wert für eine NOx-Rohemissionskonzentration ermittelt wird, bei dem die Brennkraftmaschine (1) kurzzeitig mit einem unterstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, eine NH3-Konzentration stromab des Katalysators (3) gemessen und daraus der Ist-Wert der NOx-Rohemissionskonzentration berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionskonzentration stromauf eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine liegenden Katalysators, bei dem ein Ist-Wert für eine NOx-Rohemissionskonzentration ermittelt wird.
  • Die Behandlung des Abgases von Brennkraftmaschinen gewinnt bei Brennkraftmaschinen vermehrt an Bedeutung. So sind Drei-Wege-Katalysatoren bei Lambda-geregelten Brennkraftmaschinen Stand der Technik.
  • Bei Betrieb einer Brennkraftmaschine mit überstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch steigt die Emission von NOx-Verbindungen spürbar an. Es sind deshalb diverse Maßnahmen bekannt, den NOx-Gehalt im Abgas einer Brennkraftmaschine zu kontrollieren bzw. zu vermindern. Im einfachsten Fall genügten motorische Maßnahmen, wie Steuerung einer Abgasrückführung.
  • Für weitergehende Magerkonzepte werden NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, die aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine NOx-Verbindungen adsorbieren, so dass diese nicht mehr in die timwelt gelangen können. Zum Desorbieren werden solche NOx-Speicherkatalysatoren in Regenerationsphasen kurzzeitig mit unterstöchiometrischem Luft/Kraft-Verhältnis betrieben, da dadurch in das Abgas eingebrachte Kohlenwasserstoffverbindungen als nötiges Reduktionsmittel für die NOx-Speicherkatalysatoren wirken. Dann werden Stickoxide desorbiert und gleichzeitig reduziert.
  • Der Wirkungsgrad der Absorption eines NOx-Speicherkatalysators fällt mit höherer Beladung ab. Zur Steuerung eines NOx- Speicherkatalysators wird deshalb ein sogenannter Beladungsgrad als Quotient aus momentaner absoluter NOx-Beladung und maximaler NOx-Speicherkapazität berechnet. Die Einleitung der erwähnten Regenerationsphasen erfolgt dann abhängig von diesem Beladungsgrad. Da einerseits bei übermäßiger Beladung eines NOx-Speicherkatalysators ein verstärkter Schlupf von NOx-Verbindungen durch den NOx-Speicherkatalysator auftritt und andererseits ein unnötig häufiges Durchführen von Regenerationszyklen den Kraftstoffverbrauch, bedingt durch die mit den Regenerationszyklen verbundenen Betriebsphasen mit überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch, zur Folge haben, ist man bestrebt, den Beladungsgrad möglichst exakt berechnen zu können. Dies bedingt, dass sowohl von der momentanen Beladung, als auch der maximalen Speicherkapazität eine möglichst genaue Kenntnis nötig ist.
  • Die maximale Speicherkapazität eines NOx-Speicherkatalysators kann auf einem Prüfstand durch Messung der eingelagerten NOx-Menge pro Zeiteinheit bis zum Erreichen eines Sättigungszustandes ermittelt werden. Für den normalen Betrieb erfolgt davon ein gewisser Abschlag, da eine Sättigung des NOx-Speicherkatalysators im normalen Betrieb aus Emissionsgründen nicht zulässig ist. Prinzipiell könnte man dieser maximalen Speicherkapazität dann dauerhaft den NOx-Speicherkatalysator steuern, jedoch gilt es zu berücksichtigen, dass die maximale Speicherkapazität einem Alterungsprozess unterliegt, d.h. über die Betriebsdauer eines N0x-Speicherkatalysators abnimmt. Es ist deshalb nötig, die maximale Speicherkapazität während der Lebensdauer eines NOx-Speicherkatalysators häufig zu adaptieren.
  • Dazu verwendete Adaptionsverfahren benötigen die Kenntnis der aktuellen NOx-Rohemissionskonzentration im Abgas. Gleiches gilt für die erwähnte Steuerung einer Abgasrückführanlage.
  • Dem Fachmann sind Modelle bekannt, die Werte für die NOx-Rohemissionskonzentration in Abhängigkeit vom Betriebszustand einer Brennkraftmaschine berechnen. Die Genauigkeit solcher Modelle ist jedoch begrenzt. Dadurch bedingte Toleranzen wurden bislang im Betrieb der Brennkraftmaschine oder der Auslegung eines NOx-Speicherkatalysators durch einen Zuschlag berücksichtigt, der allerdings bei gleichen Abgaswerten einen erhöhten Kraftstoffverbrauch oder eine Verschlechterung der Abgaswerte ohne Verbrauchserhöhung bedingt.
  • Diese Problematik stellt sich bei Brennkraftmaschinen, die einen Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt aufweisen und nur kurzzeitig oder in geringerem Maße mit überstöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben werden, gleichermaßen.
    •
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionskonzentration der eingangs genannten Art dahingehend fortzubilden, dass eine höhere Genauigkeit erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine kurzzeitig mit einem unterstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, eine NH3-Konzentration stromab des Katalysators gemessen und daraus der Ist-Wert der NOx-Rohemissionskonzentration berechnet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf die Erkenntnis auf, dass NOx-Speicherkatalysatoren bei unterstöchiometrischer Zusammensetzung des Abgases, d.h. bei Betrieb einer Brennkraftmaschine mit unterstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch NOx zu NH3 reduzieren. Eine Konvertierung von NOx (aus dem Abgas) zu NH3 findet statt, wenn alle oxidierenden Bestandteile, die am Katalysator adsorbiert sind, durch das aus unterstöchiometrischer Verbrennung stammende Abgas verbraucht worden sind. Als oxidierende Bestandteile können adsorbiert sein:
    • – bei Dreiwegekatalysatoren: O2
    • – bei NOx-Katalysatoren: O2- und NOx
  • Bei Beaufschlagung eines Katalysators mit Abgas aus unterstöchiometrischer Verbrennung wird deshalb zuerst am Katalysator adsorbiertes O2-/NOx desorbiert. Stromab des Katalysators ist erst dann eine Konzentrationsänderung detektierbar wenn adsorbiertes O2/NOx vollständig verbraucht ist. Dieser Zeitpunkt fällt zusammen mit dem Starten der NH3-Bildung.
  • Es kann deshalb vorteilhaft sein, die NH3-Messung erst dann durchzuführen oder verwerten, wenn stromab des Katalysators Abgas aus unterstöchiometrischer Verbrennung detektierbar ist.
  • Die auftretende Umsatzrate NOx zu NH3 hängt von der Bauweise des Katalysators ab und kann in Versuchen ermittelt werden. Es sind Beschichtungen für z.B. NOx-Speicherkatalysatoren bekannt, die eine nahezu vollständige Umsetzung von NOx in NH3 bewirken, wenn die Brennkraftmaschine mit dem erwähnten unterstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch, d.h. mit sogenanntem fettem Gemisch betrieben wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei für Drei-Wege-Katalysatoren und NOx-Speicherkatalysatoren gleichermaßen geeignet, da beide Katalysatortypen die Eigenschaft haben, bei unterstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch NOx-Verbindungen zu NH3 zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß wird deshalb zur Bestimmung der NOx-Rohemissionskonzentration die Brennkraftmaschine kurzzeitig mit einem solchen unterstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, so dass durch eine einfache Messung der NH3-Konzentration die NOx-Rohemissionskonzentration zum Betriebspunkt bekannt ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der NOx-Rohemissionskonzentration hat den Vorteil, dass mögliche Abweichungen durch Einflussfaktoren auf einen modellierten Wert der NOx-Rohemissionskonzentration z.B. durch Luftfeuchte, An sauglufttemperatur, Einstellung einer Abgasrückführanlage sowie Bauteilstreuungen, vermindert sind. Man erhält einen genauen Wert für die NOx-Rohemissionskonzentration, wodurch eine verbesserte Steuerung einer Brennkraftmaschine möglich ist. Genauere Werte für die maximale Speicherkapazität eines solchen NOx-Speicherkatalysators sind erreichbar; eine Kraftstoffverbrauchsminderung ist möglich.
  • Eine solche punktuelle Kenntnis genügt bereits für eine erhebliche Verbesserung bei der Steuerung einer Brennkraftmaschine, da damit entweder eine Adaption eines Modells zur Berechnung der NOx-Rohemissionskonzentration vorgenommen werden kann, oder über eine bekannte Funktion, die die NOx-Rohemissionskonzentration als Funktion des Lambda-Wertes des Luft/Kraftstoff-Gemisches angibt, auf die NOx-Rohemissionskonzentration bei anderen Lambda-Werten geschlossen werden kann.
  • Die Berechnung der NOx-Rohemissionskonzentration aus der gemessenen NH3-Konzentration kann beispielsweise unter Rückgriff auf eine z.B. im Steuergerät abgelegte Funktion oder ein Kennfeld erfolgen. Besonders einfach ist die Berechnung, wenn die NH3-Konzentration mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert wird, da dann nur ein einziger, rechensparsamer Vorgang ausgeführt werden muss. Der Proportionalitätsfaktor ist dabei passend zur Umsatzrate von NOx zu NH3 des Katalysators zu wählen.
  • Die nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine, kann diese Umsatzrate betriebsparameterabhängig anders liegen. Für solche Fälle ist es zu bevorzugen, dass der Proportionalitätsfaktor betriebsparameterabhängig gewählt wird.
  • Da diese Betriebsparameterabhängigkeit in den meisten Fällen lediglich eine geänderte NOx/NH3-Umsatzrate des NOx-Speicherkatalysators widerspiegelt, kann es unter dem Gesichtspunkt des minimalen Rechenaufwandes vorteilhaft sein, zuerst einen Wert für diese Umsatzrate zu ermitteln, beispielsweise durch Rückgriff auf ein Kennfeld, und den Proportionalitätsfaktor dann abhängig von diesem Wert für die Umsatzrate zu wählen.
  • Bei Brennkraftmaschinen ist man bemüht, den Sensorikaufwand so gering wie möglich zu halten, nicht zuletzt aus Kostengründen. Weiter ist für den abgasgünstigen Betrieb einer Brennkraftmaschine oft ein NOx-Sensor stromab z.B. eines NOx-Speicherkatalysators vorgesehen, um die Steuerung zu verbessern. Solche NOx-Sensoren haben meist eine Querempfindlichkeit gegen NH3, d.h. sie geben auch bei Beaufschlagung mit NH3 ein Messsignal ab. Für solche Fälle ist es zweckmäßig, einen solchen, bereits vorgesehenen Sensor, der schon anderweitig zur Steuerung der Brennkraftmaschine Verwendung findet, auch zur Messung der NH3-Konzentration einzusetzen. Es ist deshalb bevorzugt, die NH3-Konzentration mit einem auf NH3 querempfindlichen NOx-Sensor zu messen und bei der Berechnung einen Querempfindlichkeitsfaktor dieses NOx-Sensors zu berücksichtigen. Damit kann ein zusätzlicher Sensor eingespart werden; stattdessen wird ein bereits vorhandener Sensor vorteilhaft genutzt.
  • Die erfindungsgemäß bestimmte NOx-Rohemissionskonzentration kann bei der Steuerung der Brennkraftmaschine auf vielfältige Weise verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, den Ist-Wert der NOx-Rohemissionskonzentration zum Abgleich eines Modells zur Ermittlung der NOx-Rohemissionskonzentration zu verwenden, da dann unabhängig von der Betriebsphase der Brennkraftmaschine, d.h. auch ohne unterstöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Gemisch, immer mit hoher Genauigkeit die NOx-Rohemissionskonzentration ermittelt werden kann.
  • Die Einleitung der unterstöchiometrischen Betriebsphasen zur Messung der NH3-Konzentration kann bei einigen Betriebszuständen einen starken Wechsel des Betriebspunktes zur Folge haben. Dies könnte mitunter unter Komfortgesichtspunkten unerwünscht sein. Auch ist bei bestimmten Bedingungen das Ab gasverhalten nicht für die NOx-Bestimmung günstig. Es ist deshalb vorteilhaft, das Verfahren zur Bestimmung der NOx-Rohemissionskonzentration nur in geeigneten Betriebsphasen durchzuführen, d.h. wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine innerhalb gewisser Rahmenbedingungen liegt. Dies können beispielsweise stationäre Betriebszustände sein, das Erreichen einer Mindesttemperatur des Katalysators usw.
  • Da weiter bei der Messung der NOx-Konzentration etwaige Störungen das Ergebnis verfälschen würden, ist es vorteilhaft, den Messwert für die NH3-Konzentration erst dann zu verwerten, wenn er gewisse Stabilitätskriterien erfüllt, z.B. eine gewisse Schwankungsbreite unterschreitet. Alternativ kann auch ein Stabilitätskriterium für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine herangezogen werden, um zu ermitteln, ob ein Messwert für die NH3-Konzentration gültig ist.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine,
  • 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionskonzentration und
  • 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Adaption eines Modells, mit dem eine NOx-Rohemissionskonzentration berechnet werden kann.
  • 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 1, die Ansaugluft über einen (nicht näher bezeichneten) Ansaugtrakt ansaugt und ihre Abgase in einen Abgastrakt 2 abgibt. Im Abgastrakt 2 befindet sich ein Katalysator 3, der als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet ist.
  • Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein Steuergerät 4 geregelt, das unter anderem eine Einspritzanlage 5 ansteuert, die der Brennkraftmaschine 1 Kraftstoff zuteilt. Das Steuergerät 4 ist über (nicht näher bezeichnete) Leitungen mit der Brennkraftmaschine 1 sowie mit einer Lambda-Sonde 6 und einem NOx-Sensor 7 verbunden, die im Abgastrakt 2 stromauf bzw. stromab des Katalysators 3 liegen und die Abgaskonzentration messen.
  • Das Steuergerät 4 betreibt die Brennkraftmaschine, soweit es die Leistungsanforderungen zulassen, mit überstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch. In diesem Betriebszustand speichert der Katalysator 3 NOx-Verbindungen aus dem Abgas im Abgastrakt 2. Stellt das Steuergerät 4 fest, dass der Katalysator 3 einen gewissen Beladungsgrad erreicht hat, stellt es den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 auf unterstöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Gemisch um, indem die Einspritzanlage 5 entsprechend angesteuert wird. In solchen Betriebsphasen wandelt der Katalysator 3 eingespeicherte NOx-Verbindungen in unschädliche Verbindungen um und wird dabei regeneriert, weshalb diese Betriebsphasen als Regenerationsphasen bezeichnet werden.
  • Zur Berechnung des Beladungsgrades benötigt das Steuergerät 4 Kenntnis über die NOx-Konzentration NOx im Abgastrakt 2 stromauf des Katalysators 3. Für einen einzelnen Betriebspunkt bestimmt das Steuergerät q diese NOx-Konzentration nach folgendem, in 2 als Blockschaltbild dargestellten Verfahren:
    In einem ersten Schritt S1 wird die Brennkraftmaschine kurzzeitig auf den Betrieb mit unterstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch gestellt. Anschließend wird in einem Schritt S2 der NOx-Sensor 7 abgefragt. Da es sich beim NOx-Sensor 7 um eine stark auf NH3 querempfindliche Messeinrichtung handelt, wobei die Querempfindlichkeit im Betriebspunkt, der in Schritt S1 eingestellt ist, 100 % beträgt, ist der Messwert, der vom NOx-Sensor 7 an das Steuergerät 4 gemeldet wird, ein direktes Maß für die NOx-Konzentration.
  • Anschließend ermittelt das Steuergerät 4 in einem Schritt S3 einen Proportionalitätsfaktor K, der die Umsatzrate von NOx zu NH3 im Katalysator 3 wiedergibt. In einer nachfolgenden Multiplikation der NH3-Konzentration NH3 mit dem Proportionalitätsfaktor K errechnete das Steuergerät 4 in Schritt S4 den Wert für die gesuchte NOx-Konzentration NOx. Somit ist zu dem Betriebspunkt der in Schritt S1 eingestellt wurde, die NOx-Rohemissionskonzentration bekannt. Anschließend wird die in Schritt S1 eingeleitete Gemischanfettung wieder zurückgenommen.
  • Das Steuergerät 4 kann nun mittels eines bekannten funktionellen Zusammenhangs zwischen Lambda-Wert und NOx-Konzentration zu jedem Lambda-Wert, bei dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, die aktuelle NOx-Rohemissionskonzentration feststellen.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Auswertung dieser Funktionalität kann das in 3 als Flussdiagramm dargestellte Verfahren ausgeführt werden, mit dem ein Modell zur Berechnung eines modellierten Wertes NOx Mod für die NOx-Rohemissionskonzentration ermittelt werden kann, adaptiert wird.
  • Dazu wird zuerst in einem Schritt S5 festgestellt, ob eine Adaption möglich oder nötig ist. Diesbezüglich können entsprechende Abfragen vorgenommen werden, beispielsweise ob der Betrieb der Brennkraftmaschine sich innerhalb gewisser Rahmenbedingungen hält, wie lange die letzte Adaption zurückliegt usw. Ist keine Adaption nötig (N-Verzweigung) wird vor Schritt S5 zurückgesprungen, ansonsten (J-Verzweigung) wird mit Schritt S6 fortgefahren.
  • Im Schritt S6 bestimmt das Steuergerät 4 mit Hilfe des Mode11s einen Modellwert NOx Mod für die NOx-Rohemissions konzentration und vergleicht diesen anschließend in Schritt S7 mit dem zwischenzeitlich oder zuvor durch die Schritte S1 und S4 bestimmten Ist-Wert für die NOx-Konzentration NOx.
  • Bei diesem Vergleich wird in Schritt S7 eine Abweichung D berechnet, die ein Maß dafür ist, wie genau das Modell die tatsächlichen Verhältnisse bezüglich der NOx-Rohemissionskonzentration wiedergibt. Ist die Abweichung D null oder unterhalb einer gewissen Grenze, hat das Modell ausreichende Genauigkeit.
  • In Schritt S8 erfolgt mittels einer Korrekturfunktion Kor(D) eine Korrektur des Modells unter Rückgriff auf die Abweichung D. Diese Korrekturfunktion in Schritt S8 kann beispielsweise einen Korrekturfaktor in die Modellberechnung einführen, der durch Multiplikation mit dem Inversen des Verhältnisses zwischen dem Ist-Wert der NOx-Konzentration und dem Modellwert eine Korrektur vornimmt. Alternativ kann die Abweichung D auch additiv in das Modell einfließen. Natürlich sind auch andere Korrekturmöglichkeiten gegeben, die dem Fachmann bekannt und möglich sind, so er Kenntnis vom aktuellen Ist-Wert der NOx-Konzentration hat.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Rohemissionskonzentration stromauf eines im Abgastrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) liegenden Katalysators (3), bei dem ein Ist-Wert (NOx) für eine NOx-Rohemissionskonzentration ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) kurzzeitig mit einem unterstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, eine NH3-Konzentration (NH3) stromab des Katalysators (3) gemessen und daraus der Ist-Wert (NOx) der NOx-Rohemissionskonzentration berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung die NH3-Konzentration (NH3) mit einem Proportionalitätsfaktor (K) multipliziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor (K) betriebsparameterabhängig gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor (K) abhängig von einer NOx/NH3-Umsatzrate des Katalysators (3) gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NH3-Konzentration (NH3) mit einem auf NH3 auerempfindlichen NOx-Sensor (7) gemessen wird und bei der Berechnung ein Querempfindlichkeitsfaktor des NOx-Sensors (7) berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert (NOx) zum Abgleich eines Modells zur Ermittlung der NOx-Rohemissionskonzentration verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der NH3-Konzentration erst verwertet wird, wenn stromab des Katalysators (3) ein Lambda-Wert für unterstöchiometrische Verbrennung detektiert wird.
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