DE10319983B3

DE10319983B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Lambda-Regelung und zur Katalysatordiagnose bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10319983B3
Application number: DE10319983A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ketterer; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: US7003943B2; US20040250533A1

Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Lambda-Regelung unter Verwendung eines NO¶x¶-Sensors (22), der in dem Katalysator (20) oder stromabwärts von diesem angeordnet ist. Gleichzeitig erfolgt aufgrund der gemessenen NO¶x¶-Werte eine Regelung des Betriebszustands und eine Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität für den Katalysator zur Diagnose.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambda-Regelung und zur Katalysatordiagnose bei einer Brennkraftmaschine.
Bei Ottomotoren hat sich zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte eine katalytische Nachbehandlung der Abgase mit Hilfe eines geregelten Drei-Wege-Katalysators durchgesetzt. Für die vollständige Verbrennung von Kraftstoff ergibt sich ein Luftbedarf von ungefähr 14,7kg Luft je kg Kraftstoff. Zur Charakterisierung der Gemischzusammensetzung wird das Luftverhältnis λ definiert als Verhältnis der für die Verbrennung einer Mengeneinheit des zugeführten Kraftstoffes zugeführten Luftmenge zu der für die vollkommene Verbrennung erforderlichen Mindestluftmenge.
Zur Regelung des Luft-Kraftstoffgemischs wird eine Lambda-Sonde eingesetzt, die den Rückschluss auf den Lambdawert des Abgases erlaubt. Bei binären Zirkon-Dioxid-Sonden tritt eine Sprungcharakteristik für Lambda = 1 auf. Bei jedem Wechsel von einem fetten zu einem mageren oder von einem mageren zu einem fetten Gemisch tritt ein Spannungssprung auf. Aufgrund von Alterungs- und Umwelteinflüssen (Vergiftung) am Katalysator treten Störungen auf, die den Spannungssprung verschieben. Daher wird eine Regelung mit einer Zweipunkt-Führungssonde stromabwärts des Katalysators eingesetzt, bei der die Sonde stromabwärts des Katalysators die gesteuerte Fett- bzw. Magerverschiebung durch eine langsame Korrekturregelschleife verändert.
Neben der vorstehend beschriebenen Zweipunkt-Regelung ist auch eine Regelung mit sogenannten Breitbandsonden bekannt, die in einem weiten Lambdabereich von 0,7 < λ < 4 ein eindeu tiger, linear-ansteigendes Signal liefern. Eine solche stetige Sonde erlaubt eine höhere Dynamik bei der Regelung.

No_x-Sensoren sind ebenfalls bekannt und erlauben die direkte Messung der Stickoxid-Konzentration im Abgas von Otto- und Dieselmotoren. No_x-Sensoren werden im Stand der Technik für die optimale Regelung und Diagnose von Katalysatoren durch die Motorsteuerung und die Erfüllung von OBD-Anforderungen bei der Überprüfung eines Drei-Wege-Katalysators bei Niedrigemissionskonzepten (z. B. SULEV II) eingesetzt. Beispielsweise in dem Handbuch „Verbrennungsmotor", zweite Auflage, Vieweg, Seite 590 ist ein Funktionsprinzip von einem NO_x-Sensor beschrieben. Bei diesem Aufbau des NO_x-Sensors sind zwei Kammern vorgesehen, von denen in einer ersten Kammer der im Abgas enthaltene Sauerstoff durch Anlegen eines Pumpstroms auf einen konstanten Partialdruck reduziert (mageres Abgas) oder erhöht (fettes Abgas) wird. Der notwendige Strom ist dabei proportional zum Kehrwert des Luft-Kraft-Verhältnisses. In der zweiten Kammer findet die No_x-Reduktion an der Messelektrode statt. Der zum Sauerstofffreihalten der Umgebung der Elektrode notwendige Strom ist hier proportional zur Stickoxidkonzentration und bildet üblicherweise das Messsignal.

Aus der DE 198 52 244 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit einer Trimmregelung bekannt. Zur Trimmregelung bei einer Brennkraftmaschine mit Drei-Wege-Katalysator wird statt einer stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators liegenden Lambdasonde ein NO_x-empfindlicher Messaufnehmer verwendet. Der Zusammenhang zwischen NO_x-Konzentration im Abgas und dem Lambdawert wird ausgenutzt und ein internes, einen Vorzeichenwechsel bei Lambda = 1 aufweisendes Signal des Messaufnehmers verwendet, da das Signal des Messaufnehmers aufgrund einer NH₃-Querempfindlichkeit bei Lambda = 1 ein lokales Minimum aufweist.

In der DE 198 44 994 C2 ist ein Verfahren zur Diagnose einer stetigen Lambdasonde beschrieben, wobei die bezüglich ihres Ausgangssignals eine stetige Charakteristik aufweisende Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist. Das Ausgangssignal dieser Lambdasonde dient als Eingangsgröße eines Lambdaregelungskreises, wobei einem geforderten Wert für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis periodische Zwangsanregungen mit vorgegebener Frequenz und Amplitude überlagert werden. Das Streckenverhalten des Lambdaregelungskreises wird mittels eines Modells, das als Modellparameter die Sensorverzögerungszeit beinhaltet, nachgebildet. Die Amplitudenverstärkungen von Modell und System werden ermittelt und die beiden Werte miteinander verglichen, in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches der Modellparameter Sensorverzögerungszeit adaptiert und die Lambdasonde wird als defekt eingestuft, wenn der Wert der Adaption des Modellparameters einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig und dauerhaft eine genaue Lambda-Regelung und eine Diagnose des Zustands des Katalysators erlauben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein NO_x-Sensor nach einem Teilvolumen des Katalysators oder stromabwärts von dem Katalysator angeordnet. Der NO_x-Sensor befindet sich also stromabwärts von dem Katalysator-Eintritt, so dass die von dem NO_x-Sensor gemessenen Abgase bereits mindestens einen Teil des Katalysators durchströmt haben. Als Signale des NO_x-Sensors liegen an einer Motorsteuerung ein Wert für die O₂-Konzentration und ein Wert für die NO_x-Konzentration im Abgas an. Die Motorsteuerung gibt für eine Kraftstoffeinspritzung eine Zwangsanregung mit einem mittleren Lambdawert und schwankendem fetten bzw. mageren Gemisch vor. Die Motorsteuerung bestimmt unter Verwendung des Signals für die O₂-Konzentration den mittleren Wert für das Luft-Kraftstoffgemisch und diagnostiziert aus dem Wert für die NO_x-Konzentration den Zustand des Katalysators. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der NO_x-Sensor zur Lambda-Regelung eingesetzt. Die Nachteile der Zweipunkt-Regelung ohne Führungssonde werden vermieden, indem über die gemessene NO_x-Konzentration die Belastung des Katalysators durch die Zwangsanregung auf den Alterungszustand adaptiert/angepasst wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die bekannten zwei Lambdasonden durch einen NO_x-Sensor ersetzt, der nach dem Katalysator oder nach einem Teilvolumen des Katalysators angeordnet ist. Der NO_x-Sensor liefert durch seine physikalische Ausführung ein Signal, um NO_x im Abgas zu messen und ein Signal, welches proportional zum Restsauerstoffgehalt im Abgas ist und sehr genau auf die stöchiometrische Gemischzusammensetzung schließen lässt. Die Gemischregelung wird als Führungsregelung mittels des O₂-Signals mit einer Überlagerung einer vorgesteuerten Zwangsanregung ausgeführt. Gleichzeitig erfolgt eine Katalysatordiagnose.

In einer bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens korrigiert die Motorsteuerung abhängig von den gemessenen Werten die Kraftstoffeinspritzung (Patentanspruch 2). Ähnlich der Zweipunkt-Regelung mit Führungssonde stromabwärts des Katalysators können so durch eine „langsamere" Korrekturregelschleife Alterung, Umwelteinflüsse und dergleichen an dem Katalysator und/oder dem Sensor korrigiert werden, anhand des stabilisierten Gemischs nach dem Katalysatorvolumen.

Zweckmäßigerweise bestimmt die Motorsteuerung abhängig vom Zustand des Katalysators Frequenz und/oder Amplitude der Zwangsanregung (Patentanspruch 3). Stellt die Motorsteuerung beispielsweise fest, dass die NO_x-Konzentration oszilliert, insbesondere mit der Frequenz der Zwangsanregung, so erkennt die Motorsteuerung dies und reduziert Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung (Patentanspruch 4).

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens akkumuliert die Motorsteuerung die Abweichung der Messsignale von einer mittleren NO_x-Konzentration auf. Hierzu wird der Betrag der Abweichung über ein Zeitintervall aufintegriert. Der aufakkumulierte Wert wird mit dem über die Zeit aufakkumulierten Wert der Abweichung der Lambdawerte aus der Zwangsanregung verglichen. Die Motorsteuerung rechnet für den Vergleich die NO_x-Konzentration in eine O₂-Konzentration um oder umgekehrt (Patentanspruch 5). Bevorzugt wird aus diesen Vergleich auf Speicherkapazität für Sauerstoff (OSC = Oxygen-Storage-Capacity) für den Katalysator geschlossen (Patentanspruch 6).

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt also eine Katalysatordiagnose mit gleichzeitiger Bestimmung des OSC-Verhaltens des Katalysators und eine Messung des NO_x-Gehalts im Abgas. Hierdurch wird eine genaue Bestimmung des Katalysator-Wirkungsgrades und ein besseres Einhalten von zukünftigen gesetzlichen Vorschriften für Katalysatordiagnosen möglich.

Bevorzugt steuert die Motorsteuerung in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine deren Aufheizen aufgrund der gemessenen NO_x-Konzentration (Patentanspruch 7). Ebenfalls kann die Motorsteuerung in der Kaltstartphase ein Aufheizen des Katalysators aufgrund der NO_x-Konzentration steuern (Patentanspruch 8). Hierdurch wird eine effektive Überwachung von sogenannten Kalt-Start-Strategien möglich und schafft die Vor aussetzung für Maßnahmen für ein schnelles Aufheizen (lean warm up) des Katalysators nach dem Start.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst.

Die Brennkraftmaschine besitzt mindestens einen Zylinder und in ihrem Abgastrakt ist ein Katalysator vorgesehen. Ferner weist die Vorrichtung folgende Merkmale auf: Ein NO_x-Sensor ist nach einem Teilvolumen des Katalysators oder stromabwärts von diesem angeordnet und elektrisch leitend mit einer Motorsteuerung verbunden, welche gemessene Werte zur O₂-Konzentration und zur NO_x-Konzentration im Abgas einliest und verarbeitet. Die Motorsteuerung ist elektrisch leitend mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden, die ein um einen mittleren Lambdawert schwankendes fettes und mageres Gemisch für den mindestens einen Zylinder bereitstellt. Die Motorsteuerung besitzt ein erstes Modul zur Berechnung des mittleren Wertes für das Luft-/Kraftstoffgemisch und ein zweites Modul zur Diagnose des Katalysators aufgrund der gemessenen NO_x-Werte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt gegenüber bekannten Vorrichtungen zur Lambda-Regelung nicht zwei O₂-Sensoren, sondern kommt unter Einsparung eines Sensors mit einem einzigen Sensor aus, wodurch eine deutliche Kostenreduzierung entsteht.

In einer bevorzugten Weiterführung besitzt die Motorsteuerung ein drittes Modul zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude der Zwangsanregung abhängig von den gemessenen NO_x-Werten (Patentanspruch 10).

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind sowohl bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung als auch bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung anwendbar.

Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die einzige Figur zeigt die Lambda-Regelung für eine Brennkraft maschine mit einem Drei-Wege-Katalysator in einer schematischen Ansicht.
In dieser Ansicht ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, von der drei Zylinder mit 12 gekennzeichnet sind. Über einen Ansaugtrakt 14 wird den Zylindern Frischluft zugeführt. Bei einer internen Abgasrückführung (nicht dargestellt) wird den Zylindern ein Gemisch aus Frischluft und Abgas zugeführt. Eine schematisch dargestellte Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 spritzt zu vorgegebenen Zeitpunkten eine ausreichende Menge an Kraftstoff ein. Über den Abgastrakt 18 werden die Abgase einem Drei-Wege-Katalysator 20 zugeführt. Der Drei-Wege-Katalysator ist in der Lage Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NO_x) und Kohlenwasserstoff (HC) in ausreichendem Maße abzubauen, wenn die Gemischbildung in innerhalb des sogenannten Katalysatorfensters liegt.
Stromabwärts des Katalysators ist ein NO_x-Sensor 22 vorgesehen, der ein lineares, eindeutiges Signal zur NO_x-Konzentration liefert und für λ = 1 mit einem zweiten Signal eine Sprungcharakteristik zeigt. Die gemessenen Werte werden an eine Motorsteuerung (ECU) 24 weitergeleitet, wo sie ausgewertet werden. Die Auswertung erzeugt Ansteuersignale 26 für die Kraftstoffeinspritvorrichtung 16 und Diagnosesignale zum Zustand des Katalysators 20.
Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherkapazität (OSC) des Katalysators vergleicht die Motorsteuerung die über die Zeit aufakkumulierte Abweichung der NO_x-Signale von einem mittleren NO_x-Wert. Die so aufakkumulierten Werte (gestrichelte Fläche in Diagramm 28) werden mit den aufakkumulierten Lambdawerten verglichen. Der Vergleich dieser Werte erlaubt es der Motorsteuerung, auf die in dem Katalysator 20 eingelagerte Sauerstoffmenge zu schließen. Die durch die Sauerstoffspeicherkapazität charakterisierte Amplitude und Frequenz der Oszillationen der NO_x-Signale werden von der Motorsteue rung 24 verarbeitet und als Diagnosesignal an eine Diagnoseeinrichtung 32 weitergeleitet.
Die Verbesserung der Diagnosegenauigkeit durch eine Bestimmung der NO_x-Konvertierungsfähgikeit des Katalysators in Kombination mit dem OSC-Verhalten dient zur Erfüllung der neuesten gesetzlichen Anforderungen, insbesondere in den USA. Die Überwachung der Kalt-Start-Strategie durch die Messung der NO_x-Emission in der Kalt-Start-Phase der Brennkraftmaschine und somit die Möglichkeit, Maßnahmen zum schnellen Aufheizen (lean warm up) des Katalysators nach dem Start zu bewerten und zu regeln, bilden einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts. Ferner besteht die Möglichkeit auch die Maßnahmen zum schnellen Aufheizen des Katalysators an die Katalysatoralterung und Systemtoleranz zu adaptieren. Somit wird eine Verbesserung des Emissionsverhaltens über die Lebensdauer möglich. Durch zusätzliche Verwendung der Zwangsanregung sind die dynamischen Anforderungen an die Gemischregelung gering. Somit ist die Einbauposition nach oder im Katalysator im wesentlichen variabel und kann durch das optimal zu diagnostizierende Katalysatorvolumen bestimmt werden. Durch die zusätzliche Verwendung der Zwangsanregung kann die Frequenz und Amplitude eines Diagnosezyklus des Katalysators so gesteuert werden, dass optimale Bedingungen erreicht werden, ohne die Gemischregelung zu unterbrechen (Closed loop-Diagnose). Dadurch kann die Katalysatordiagnose emissionsneutral durchgeführt werden. Die NO_x-Messung kann auch unter transienten Motorbetriebsbedingungen durchgeführt werden, so dass die Diagnosehäufigkeit unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen erhöht werden kann.

Claims

Verfahren zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgastrakt angeordneten Katalysator, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: – ein nach einem Teilvolumen des Katalysators (20) oder stromabwärts des Katalysators (20) angeordneter NO_x-Sensor (22) misst einen Wert für die O₂-Konzentration und einen Wert für die NO_x-Konzentration im Abgas und legt die Messwerte an eine Motorsteuerung (24) an, – die Motorsteuerung (24) gibt für eine Kraftstoffeinspritzung (16) eine Zwangsanregung mit um einen mittleren Lambdawert schwankenden fetten und mageren Gemisch (30) vor, – wobei mit dem Messwert für die O₂-Konzentration der mittlere Wert für das Luft-/Kraftstoffgemisch berechnet und mit dem Messwert für die NO_x-Konzentration der Zustand des Katalysators diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (24) mittels des NO_x-Sensors (22) den mittleren Wert für die Kraftstoffeinspritzung korrigiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung (24) abhängig von dem Zustand des Katalysators Frequenz und/oder Amplitude der Zwangsanregung bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Oszillation der Messsignale zur NO_x-Konzentration (28) die Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung (30) abhängig vom Zustand des Katalysators (20) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Motorsteuerung (24) die Abweichung der Messsignale von einer mittleren NO_x-Konzentration aufakkumuliert und den aufakkumulierten Wert mit den über die Zeit aufakkumulierten Abweichungen der Lambdawerte der Zwangsanregung vergleicht, – wobei die NO_x-Konzentration für den Vergleich in eine O₂-Konzentration umgerechnet wird oder umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich die Speicherkapazität für Sauerstoff (OSC) für den Katalysator bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung in einer Kalt-Start-Phase der Brennkraftmaschine deren Aufheizen aufgrund der gemessenen NO_x-Konzentration steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung in einer Kalt-Start-Phase der Brennkraftmaschine ein Aufheizen des Katalysators aufgrund der gemessenen NO_x-Konzentration steuert.
Vorrichtung zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinder (12) und einem im Abgastrakt (18) angeordneten Katalysator (20), dadurch gekennzeichnet, dass – ein NO_x-Sensor (22) nach einem Teilvolumen des Katalysators (20) oder stromab von diesem angeordnet ist und elektrisch leitend mit einer Motorsteuerung (24) verbunden ist, die gemessenen Werte zur O₂- Konzentration und zur NO_x-Konzentration im Abgas einliest, – die Motorsteuerung elektrisch leitend mit einer Kraftstoffeinspritzung (16) verbunden ist, die ein um einen mittleren Lambdawert schwankendes fettes und mageres Gemisch in den mindestens einen Zylinder (12) einspritzt, – wobei die Motorsteuerung ein erstes Modul zu Berechnung des mittleren Werts für das Luft/Kraftstoffgemisch aufgrund der gemessenen O₂-Konzentration besitzt und einen zweiten Modul zur Diagnose des Katalysators aufgrund der gemessenen NO_x-Konzentration.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung ein drittes Modul zur Berechnung von Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung aufweist.