DE19819461B4

DE19819461B4 - Verfahren zur Abgasreinigung mit Trimmregelung

Info

Publication number: DE19819461B4
Application number: DE1998119461
Authority: DE
Inventors: Hong Dr. Zhang; geb. Kremeike Corinna Pfleger; Gerd Dr. Rösel; Jürgen RÖSSLER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE19819461A1

Abstract

Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgastrakt angeordneten Drei-Wege-Eigenschaften zeigenden Katalysator, einer stromauf des Katalysators angeordneten Lambda-Sonde und einem stromab des Katalysators angeordneten NO_x-Messaufnehmer, bei dem die Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine so erfolgt, dass der Lambda-Wert des Rohabgases an der Lambda-Sonde vorbestimmte Werte annimmt, wobei ein bestimmter Signalpegel der Lambda-Sonde Lambda = 1 zugeordnet ist, und die NO_x-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators mittels des NO_x-Messaufnehmers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet , dass der Zusammenhang zwischen der NO_x-Konzentration im Abgas und dem Lambda-Wert des Abgases bestimmt wird und in einer Trimmregelung der Lambda = 1 zugeordnete Signalpegel der Lambda-Sonde in Abhängigkeit von diesem Zusammenhang zum Ausgleich alterungsbedingter Änderungen des Signalpegels korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist üblicherweise ein Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Stromauf dieses Katalysators ist eine Lambda-Sonde vorgesehen, deren abgegebenes Spannungssignal wie bei allen Lambda-Sonden abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsauerstoff ist. Dieser Restsauerstoffanteil wiederum hängt vom Gemisch ab, das der Brennkraftmaschine zugeführt 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 steigendes 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 Breitband-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 Eigenschaften 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 Alterung 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 ermöglicht, indem der Lambda = 1 zugeordnete Signalpegel so korrigiert 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 weiter zu vermindern, wird zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator ein NO_x-Katalysator vorgesehen. Dieser NO_x-Katalysator 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 Betriebszustand NO_x speichert und in einem anderen Betriebszustand der Brennkraftmaschine das gespeicherte NO_x konvertiert, ist ein NO_x-sensitiver Meßaufnehmer, vorzugsweise stromab des NO_x-Katalysators vorhanden.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 195 16 239 A1 bekannt, der sich im übrigen auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entnehmen lässt. Diese Druckschrift befasst sich mit einer Verbesserung des NO_X-Speicher- und Regenerationsprozesses, bei dem zwischen einem Betrieb mit einem Lambda-Wert > 1 und einem Betrieb mit einem Lambda-Wert < 1 hin- und hergeschaltet wird.
Aus der DE 195 16 239 A1 ist ein Verfahren zum Parametrieren eines Lambda-Reglers bekannt, bei dem die Übertragungsfunktion der Lambda-Regelstrecke durch Hintereinanderschalten zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung und einem Totzeitglied dargestellt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so weiterzubilden, dass die Trimmregelung zur Korrektur des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels ohne eine separate, stromab des Katalysators angeordnete Lambda-Sonde durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zwischen der NO_x-Konzentration stromab des Katalysators und dem Lambda-Wert ein funktioneller Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang wird zur Korrektur des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels verwendet. Dadurch kann ohne Einsatz einer separaten, stromab des Katalysators angeordneten Lambda-Sonde eine Trimmregelung erfolgen 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 Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird stromab des Drei-Wege-Eigenschaften zeigenden Katalysators ein Meßaufnehmer vorgesehen, der die NO_x-Konzentration 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 erfolgen 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 Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
1 ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen Lambda-Wert und NO_x-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine stromab eines Drei-Wege-Katalysators,
2 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und
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 Brennkraftmaschine mittels einer Abgasreinigungsanlage, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist. Es kann sich dabei um eine gemischansaugende oder direkteinspritzende Brennkraftmaschine handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 20 der 2 wird von einem Betriebssteuergerät 25 gesteuert. Ein Kraftstoffzufuhrsystem 21, das z.B. als Einspritzanlage ausgebildet sein kann, wird über nicht näher bezeichnete Leitungen vom Betriebssteuergerät 25 angesteuert und sorgt für die Kraftstoffzuteilung der Brennkraftmaschine 20. In deren-Abgastrakt 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 Katalysatoren 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 Steuergerät 25 ferner die Meßwerte weiterer Meßaufnehmer, insbesondere für die Drehzahl, Last, Katalysatortemperatur usw. zugeführt. Mit Hilfe dieser Meßwerte steuert das Betriebssteuergerät 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 einer normalen, voll funktionsfähigen Lambda-Sonde 23 entspricht dieser Signalpegel Lambda = 1 im Abgas. Der NO_x-Meßaufnehmer 24 mißt die NO_x-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators 22. Sein Meßwert wird dazu verwendet, den Lambda = 1 zugeordneten Signalpegel, wie nachfolgend beschrieben wird, feinzujustieren und so Veränderungen der Lambda-Sonde 23 auszugleichen. Dazu wird der Meßwert des NO_x-Meßaufnehmers 24 an einen Trimmregler 26 geleitet, der ein eigenständiges Gerät oder im Betriebssteuergerät 25 vorgesehen sein kann. Dieser Trimmregler 26 gleicht eine z.B. alterungsbedingte Verschiebung des Lambda = 1 zugeordneten Signalpegels 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 Abgastrakt 27 stromauf des Katalysators 22 dem gewünschten Lambda = 1 entspricht.
In 3 ist die Wirkung der Trimmregelung auf den Signalverlauf der Breitband-Lambda-Sonde 23 dargestellt. Die durchgezogene 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 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 gealterten Lambda-Sonde 23 dem einer Sonde mit Kurve 15 entspricht, die der idealen Kurve 17 um Lambda = 1 herum sehr nahekommt.
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 damit das Gemisch so einzustellen, daß das Rohabgas den Wert Lambda = 1 hat, kann erfindungsgemäß auf diese Lambda-Sonde verzichtet werden und stattdessen der NO_x-Meßaufnehmer 24 verwendet werden.
Dazu wird der in 1 dargestellte Zusammenhang wie folgt ausgenutzt. In 1 ist auf der X-Achse der Lambda-Wert und auf der Y-Achse die NO_x-Konzentration aufgetragen. Wie zu sehen 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 1 veranschaulicht ist, ist wegen der Meßungenauigkeit eines üblichen NO_x-Meßaufnehmers eine Auswertung der NO_x-Konzentration nur oberhalb einer Schwelle S sinnvoll. Die Schwelle S ist als waagrechte gestrichelte Linie in 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 zuverlässig verhindert werden, was eine einseitige Regelung bedeutet. 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 vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch 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 Brennkraftmaschine 20 so ein, daß das Gemisch kurzzeitig angefettet 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 Unterschreiten eines vorbestimmten Wertes für die vom Meßaufnehmer 24 gemessene NO_x-Konzentration, d.h. beim Verlassen des Katalysatorfensters zum fetten Gemisch hin, mit einem Regeleingriff reagiert werden kann.
Gibt der NO_x-Meßaufnehmer 24 zusätzlich ein amperometrisches sauerstoffabhängiges Signal aus, kann dieses natürlich zusätzlich zur Trimmregelung verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgastrakt angeordneten Drei-Wege-Eigenschaften zeigenden Katalysator, einer stromauf des Katalysators angeordneten Lambda-Sonde und einem stromab des Katalysators angeordneten NO_x-Messaufnehmer, bei dem die Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine so erfolgt, dass der Lambda-Wert des Rohabgases an der Lambda-Sonde vorbestimmte Werte annimmt, wobei ein bestimmter Signalpegel der Lambda-Sonde Lambda = 1 zugeordnet ist, und die NO_x-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators mittels des NO_x-Messaufnehmers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet , dass der Zusammenhang zwischen der NO_x-Konzentration im Abgas und dem Lambda-Wert des Abgases bestimmt wird und in einer Trimmregelung der Lambda = 1 zugeordnete Signalpegel der Lambda-Sonde in Abhängigkeit von diesem Zusammenhang zum Ausgleich alterungsbedingter Änderungen des Signalpegels korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NO_x-Messaufnehmer dazu dient, einen im Abgastrakt angeordneten, NO_x-reduzierenden oder -speichernden Katalysator zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch so geregelt wird, dass am NO_x-Messaufnehmer eine vorbestimmte NO_x-Konzentration entsprechend Lambda = 1 gemessen wird.
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.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein NO_x-Messaufnehmer verwendet wird, der zusätzlich ein sauerstoffabhängiges Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Signal zusätzlich zur Trimmregelung verwendet wird.