DE19819461A1

DE19819461A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasreinigung mit Trimmregelung

Info

Publication number: DE19819461A1
Application number: DE1998119461
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang; Geb Kremeike Pfleger; Gerd Roesel; Juergen Roessler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE19819461B4

Abstract

Zur Trimmregelung bei einer Brennkraftmaschine mit Drei-Wege-Katalysator wird statt einer stromab des Drei-Wege-Katalysators angeordneten Lambda-Sonde ein NO¶x¶-sensitiver Meßaufnehmer verwendet und ein Zusammenhang zwischen NO¶x¶-Konzentration im Abgas und Lambda-Wert ausgenutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.

Zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist übli cherweise ein Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt der Brenn kraftmaschine angeordnet. Stromauf dieses Katalysators ist eine Lambda-Sonde vorgesehen, deren abgegebenes Spannungs signal wie bei allen Lambda-Sonden abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsauerstoff ist. Dieser Restsauerstoffanteil wiederum hängt vom Gemisch ab, das der Brennkraftmaschine zu geführt wurde. Bei Kraftstoffüberschuß (fettes Gemisch) ist der Sauerstoffanteil im Rohabgas niederer, bei Luftüberschuß (mageres Gemisch) höher.

Bei magerem Gemisch (Lambda < 1) liegt die Ausgangsspannung der Lambda-Sonde üblicherweise unter 100 mV, ändert sich im Bereich Lambda = 1 fast sprunghaft und erreicht bei fettem Gemisch (Lambda < 1) über 0,8 V; dies wird als Zweipunkt- Verhalten bezeichnet.

Es sind auch Lambda-Sonden bekannt, die in einem weiten Lambda-Bereich (0,7 bis 4) ein eindeutiges, monoton steigen des Signal liefern.

Der Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt nun so, daß bei einer Zweipunkt-Verhalten zeigenden Sonde das den Lambda-Wert des Rohabgases wiedergebende Ausgangssignal der Lambda-Sonde um einen vorbestimmten Mittelwert schwingt. Bei einer Breit band-Lambda-Sonde kann eine stetige Regelung auf einen Lambda = 1 zugeordneten Wert erfolgen. Da ein Drei-Wege-Katalysator bei einem Rohabgas mit Lambda = 1 optimale katalytische Ei genschaften zeigt, sollte der vorbestimmte Mittelwert bzw. der Lambda = 1 zugeordnete Wert auch tatsächlich Lambda = 1 entsprechen.

Die dynamischen und statischen Eigenschaften der Lambda-Sonde stromauf des Drei-Wege-Katalysators werden jedoch durch Alte rung und Vergiftung verändert. Dadurch wird die Lage des Lambda = 1 entsprechenden Signalpegels verschoben. Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, stromab des Drei-Wege- Katalysators eine weitere Lambda-Sonde anzuordnen, die als Monitorsonde zur Überwachung der katalytischen Umwandlung eingesetzt wird und eine Feinregulierung des Gemisches ermög licht, indem der Lambda = 1 zugeordnete Signalpegel so korri giert wird, daß der für die Konvertierung günstigste Lambda- Wert immer eingehalten werden kann. Dieses Verfahren wird als Führungs- oder Trimmregelung bezeichnet.

Um die Schadstoffemissionen moderner Brennkraftmaschinen wei ter zu vermindern, wird zusätzlich zu dem Drei-Wege- Katalysator ein NO_x-Katalysator vorgesehen. Dieser NO_x-Kata lysator kann auch in den Drei-Wege-Katalysator integriert sein. Zum optimalen Betrieb eines solchen Katalysators, der z. B. ein Speicherkatalysator sein kann, welcher in einem Be triebszustand NO_x speichert und in einem anderen Betriebs zu stand der Brennkraftmaschine das gespeicherte NO_x konver tiert, ist ein NO_x-sensitiver Meßaufnehmer, vorzugsweise stromab des NO_x-Katalysators vorhanden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Abgasreinigung einer Brennkraftmaschine dahingehend zu vereinfachen, daß auf die separate, stromab des Katalysators angeordnete Lambda- Sonde verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche 1 und 6 gelöst.

Erfindungsgemäß wird stromab des Drei-Wege-Eigenschaften zei genden Katalysators ein Meßaufnehmer vorgesehen, der die NO_x-Kon zentration im Abgas erfaßt. Zwischen der NO_x-Konzentration und dem Lambda-Wert ist ein Zusammenhang gegeben, der zur Korrektur des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels verwendet wird. Dadurch kann ohne Einsatz einer separaten, stromab des Katalysators angeordneten Lambda-Sonde eine Trimmregelung er folgen und somit sichergestellt werden, daß der Katalysator im Bereich optimaler Lambda-Werte und somit mit maximaler Konvertierungsrate betrieben wird.

Der Einsatz eines NO_x-Meßaufnehmers für die Trimmregelung ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein derartiger Meßaufnehmer zur Regelung eines NO_x-Katalysators ohnehin vorhanden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen Lambda- Wert und NO_x-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine stromab eines Drei-Wege- Katalysators,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und

Fig. 3 ein Diagramm, das für Breitband-Lambda-Sonden den angezeigten Lambda-Wert als Funktion des tatsächlichen Lambda-Wertes zeigt.

Die Erfindung betrifft die Reinigung des Abgases einer Brenn kraftmaschine mittels einer Abgasreinigungsanlage, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Es kann sich dabei um eine gemischansaugende oder direkteinspritzende Brennkraftma schine handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 20 der Fig. 2 wird von einem Betriebssteuergerät 25 gesteuert. Ein Kraftstoffzufuhrsystem 21, das z. B. als Einspritzanlage aus gebildet sein kann, wird über nicht näher bezeichnete Leitun gen vom Betriebssteuergerät 25 angesteuert und sorgt für die Kraftstoffzuteilung der Brennkraftmaschine 20. In deren Ab gastrakt 27 befindet sich ein Drei-Wege-Katalysator 22, sowie ein NO_x-reduzierender Katalysator 28, für dessen Regelung ein NO_x-Meßaufnehmer 24 vorgesehen ist. Diese beiden Katalysato ren können auch in einem Katalysator integriert sein, wobei auch ein NO_x-Speicherkatalysator möglich ist, der auch Drei- Wege-Eigenschaften zeigt. Zum Betrieb des Drei-Wege- Katalysators ist stromauf davon eine Breitband-Lambda-Sonde 23 vorgesehen, die ihre Meßwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 25 abgibt. Es werden dem Steuer gerät 25 ferner die Meßwerte weiterer Meßaufnehmer, insbeson dere für die Drehzahl, Last, Katalysatortemperatur usw. zuge führt. Mit Hilfe dieser Meßwerte steuert das Betriebssteuer gerät 25 den Betrieb der Brennkraftmaschine 20.

Der Betrieb der Brennkraftmaschine 20 erfolgt so, daß das den Sauerstoffgehalt im Rohabgas anzeigende Signal der Lambda- Sonde 23 einem vorbestimmten Signalpegel entspricht. Bei ei ner normalen, voll funktionsfähigen Lambda-Sonde 23 ent spricht dieser Signalpegel Lambda = 1 im Abgas. Der NO_x-Meß aufnehmer 24 mißt die NO_x-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators 22. Sein Meßwert wird dazu verwendet, den Lambda = 1 zugeordneten Signalpegel, wie nachfolgend be schrieben wird, feinzujustieren und so Veränderungen der Lambda-Sonde 23 auszugleichen. Dazu wird der Meßwert des NO_x-Meß aufnehmers 24 an einen Trimmregler 26 geleitet, der ein eigenständiges Gerät oder im Betriebssteuergerät 25 vorgese hen sein kann. Dieser Trimmregler 26 gleicht eine z. B. alte rungsbedingte Verschiebung des Lambda = 1 zugeordneten Si gnalpegels der Lambda-Sonde 23 aus, so daß sichergestellt ist, daß die Brennkraftmaschine 20 vom Betriebssteuergerät 25 so geregelt wird, daß der Lambda-Wert des Rohabgases im Ab gastrakt 27 stromauf des Katalysators 22 dem gewünschten Lambda = 1 entspricht.

In Fig. 3 ist die Wirkung der Trimmregelung auf den Signal verlauf der Breitband-Lambda-Sonde 23 dargestellt. Die durch gezogene Linie 17 entspricht einer idealen Sonde, bei der der angezeigte Lambda-Wert immer dem tatsächlichen Lambda-Wert entspricht. Eine gealterte Lambda-Sonde zeigt beispielsweise die in Fig. 3 enger gestrichelte Kurve 16. Diese Lambda-Sonde zeigt zu hohe Lambda-Werte an und hat darüber hinaus eine verringerte Empfindlichkeit. Durch die Trimmregelung kann nun die Kurve 16 so korrigiert werden, daß das Signal der geal terten Lambda-Sonde 23 dem einer Sonde mit Kurve 15 ent spricht, die der idealen Kurve 17 um Lambda = 1 herum sehr nahe kommt.

Während nach dem Stand der Technik eine Lambda-Sonde stromab des Katalysators 22 erforderlich wäre, um den Lambda-Wert im behandelten Abgas nach dem Katalysator 22 zu erfassen und da mit das Gemisch so einzustellen, daß das Rohabgas den Wert Lambda = 1 hat, kann erfindungsgemäß auf diese Lambda-Sonde verzichtet werden und statt dessen der NO_x-Meßaufnehmer 24 verwendet werden.

Dazu wird der in Fig. 1 dargestellte Zusammenhang wie folgt ausgenutzt. In Fig. 1 ist auf der X-Achse der Lambda-Wert und auf der Y-Achse die NO_x-Konzentration aufgetragen. Wie zu se hen ist, steigt die NO_x-Konzentration bei Gemischabmagerung über Lambda = 1 hinaus stark an und nimmt bei fettem Gemisch gleichmäßig geringe Werte an. Aufgrund des flachen Verlaufs der NO_x-Konzentration im Bereich des Katalysatorfensters, das durch die zwei senkrechten, gestrichelten Linien in Fig. 1 veranschaulicht ist, ist wegen der Meßungenauigkeit eines üb lichen NO_x-Meßaufnehmers eine Auswertung der NO_x-Kon zentration nur oberhalb einer Schwelle S sinnvoll. Die Schwelle S ist als waagrechte gestrichelte Linie in Fig. 1 eingetragen. Oberhalb der Schwelle S kann eine herkömmliche PI-Trimmregelung eingesetzt werden. Dabei kann jedoch nur ein Abdriften des Lambda-Wertes in Richtung mageres Gemisch zu verlässig verhindert werden, was eine einseitige Regelung be deutet. Verhindert werden muß noch, daß sich der Lambda-Wert im Abgas stromab des Katalysators 22 zum fetten Gemisch hin aus dem Katalysator-Fenster bewegt. Dies kann nach einer vor teilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens da durch gewährleistet werden, daß in die Betriebsregelung der Brennkraftmaschine 25 eine leichte Drift zu magerem Gemisch hin implementiert wird. Überschreitet dann der Meßwert des NO_x-Meßaufnehmers 24 den vorbestimmten Schwellwert S, wird der Trimmregler 26 aktiv und stellt die Regelung der Brenn kraftmaschine 20 so ein, daß das Gemisch kurzzeitig angefet tet wird, worauf wieder die Drift beginnt.

Bei einem NO_x-Meßaufnehmer mit hoher Auflösung ist auch eine zweiseitige Regelung denkbar. Dann kann auf einen speziellen Wert der NO_x-Konzentration geregelt werden, weil auch bei Un terschreiten eines vorbestimmten Wertes für die vom Meßauf nehmer 24 gemessene NO_x-Konzentration, d. h. beim Verlassen des Katalysatorfensters zum fetten Gemisch hin, mit einem Re geleingriff reagiert werden kann.

Gibt der NO_x-Meßaufnehmer 24 zusätzlich ein amperometrisches sauerstoffabhängiges Signal aus, kann dieses natürlich zu sätzlich zur Trimmregelung verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftma schine mit einem im Abgastrakt angeordneten Drei-Wege- Eigenschaften zeigenden Katalysator und einer stromauf des Katalysators angeordneten Lambda-Sonde, bei dem

- die Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine so er folgt, daß der Lambda-Wert des Rohabgases an der Lambda- Sonde vorbestimmte Werte annimmt, wobei ein bestimmter Si gnalpegel der Lambda-Sonde Lambda = 1 zugeordnet ist,
- in einer Trimmregelung die Konzentration einer Abgaskompo nente stromab des Drei-Wege-Eigenschaften zeigenden Kata lysators mittels eines weiteren Meßaufnehmers gemessen wird und
- in Abhängigkeit hiervon der Lambda = 1 zugeordnete Signal pegel korrigiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- als weiterer Meßaufnehmer ein NO_x-Meßaufnehmer verwendet wird, der die NO_x-Konzentration im Abgas erfaßt, wobei ein Zusammenhang zwischen NO_x-Konzentration im Abgas und Lambda-Wert des Abgases gegeben ist, und
- zur Korrektur des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels dieser Zusammenhang ausgenützt und die gemessene NO_x-Kon zentration verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der NO_x-Meßaufnehmer dazu dient, einen im Abgastrakt angeordne ten, NO_x-reduzierenden oder -speichernden Katalysator zu re geln.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch so geregelt wird, daß am NO_x-Meßaufnehmer ei ne vorbestimmte NO_x-Konzentration entsprechend Lambda = 1 ge messen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine in einem wiederkehrenden Zyklus so erfolgt, daß die NO_x-Konzentration am NO_x-Meßaufnehmer durch ständige Abmagerung des Gemisches immer leicht ansteigt und bei Erreichen eines vorbestimmten Schwellwertes das Gemisch wieder angefettet wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein NO_x-Meßaufnehmer verwendet wird, der zusätzlich ein sauer stoffabhängiges Signal liefert, verwendet wird, dadurch ge kennzeichnet, daß dieses Signal zusätzlich zur Trimmregelung verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftma schine (20) mit:

- einem im Abgastrakt (27) angeordneten Drei-Wege- Eigenschaften zeigenden Katalysator (22),
- einer stromauf des Katalysators (22) angeordneten Lambda- Sonde (23),
- einem Betriebssteuergerät (25, 26), das den Betrieb der Brennkraftmaschine so steuert, daß das Abgas an der Lambda-Sonde (23) vorbestimmte Lambda-Werte annimmt, wobei ein bestimmter Signalpegel der Lambda-Sonde Lambda = 1 zu geordnet ist, und
- einem stromab des Katalysators (22) angeordneten weiteren Meßaufnehmer (24), der die Konzentration einer Abgaskompo nente erfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Meßaufnehmer (24) ein NO_x-Meßaufnehmer ist, der die NO_x-Konzentration im Abgas erfaßt und mit dem Betriebs steuergerät (25, 26) verbunden ist, so daß dieses unter Ausnutzung des Zusammenhangs zwischen der NO_x-Konzentration im Abgas und dem Lambda-Wert des Abgases eine Korrektur des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels vornimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgastrakt (27) zusätzlich ein NO_x-reduzierender Katalysa tor (28) vorhanden ist, dessen Betrieb mit Hilfe der Meßwerte des NO_x-Meßaufnehmers (24) gesteuert wird.