DE19926139A1 - Kalibrierung eines NOx-Sensors - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer Brennkraftmaschine mittels eines durch ausgewählte Betriebspunkte kalibriertem NOx-Sensors, der nach einem NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, wobei als Referenzpunkt zur Kalibrierung das Minimum der Sensorsignalkurve nach der Regenerationsphase verwendet wird.
Description
Das Verfahren bezieht sich auf die Bestimmung des NOx-Gehalts des Abgases mittels
eines NOx-Sensors und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Kalibrieren eines
derartigen NOx-Sensors sowie zum Steuern und Regeln eines NOx-
Speicherkatalysators.
NOx-Sensoren zur Bestimmung des NOx-Gehalts im Abgas einer zumindest zeitweise
magerlaufenden Brennkraftmaschine sind in verschiedenartiger Form bekannt und
bedürfen keiner näheren Erläuterung. Derartig magerlauffähige Brennkraftmaschinen
weisen in ihrem Abgastrakt üblicherweise einen NOx-Speicherkatalysator sowie zur
Bestimmung des NOx-Gehalts des Abgases einen NOx-Sensor auf. Zur Einhaltung der
NOx-Grenzwerte bei einem magerlauffähigen Verbrennungsmotor ist die Kenntnis des
NOx-Gehalts im Abgastrakt hinter dem NOx-Speicherkatalysator notwendig, um den
Zeitpunkt bestimmen zu können, an dem in dem NOx-Speicher keine Einlagerung von
NOx mehr möglich ist, d. h. der NOx-Speicher gefüllt ist, so daß eine
Regenerationsphase des Speichers notwendig ist. Das System verfügt ferner über eine
Motorsteuerungseinheit, die unter anderem das gemessene NOx-Signal verarbeiten
kann.
Die Anzeigegenauigkeit heute erhältlicher NOx-Sensoren weist ein unterschiedliches
Fehlermaß vom tatsächlichen IST-Wert der NOx-Konzentration auf. Diese individuellen
Ungenauigkeiten der Kennlinie des verwendeten Sensors können zu Fehlern im
Steuerverhalten der Motorsteuereinheit führen. Falls beispielsweise aufgrund der
Sensorungenauigkeit der Zeitpunkt der vollständigen Füllung des NOx-Speichers zu
spät erkannt wird, wird die Regeneration zu spät eingeschaltet, was zu einer erhöhten
Umweltbelastung führt.
Zur teilweisen Kompensation zumindest der Offsetungenauigkeit kann mindestens ein
Betriebspunkt des Motors herangezogen werden, bei dem die NOx-Konzentration nach
dem Katalysator mit hinreichender Genauigkeit angenommen werden kann. Das vom
Sensor gemessene NOx-Signal wird dann mit Hilfe der NOx-Konzentration dieses
Betriebspunktes korrigiert.
So kann für den NOx-Speicherkatalysator der folgende Betriebspunkt verwendet
werden: In einem gewissen Temperaturbereich, beispielsweise bei ca. 350°C, kann
selbst bei einem stark geschädigten oder vergifteten Katalysator zumindest für eine
gewisse Zeit, beispielsweise ungefähr 5-10 Sekunden, nach einer vorangegangenen
NOx-Regeneration im Leerlauf des Motors aufgrund des niedrigen NOx-Massenstroms
von einer nahezu 100%igen NOx-Einlagerung ausgegangen werden. In diesem Fall
beträgt der IST-Wert der NOx-Konzentration zwischen 0 und 5 ppm und dieser Wert
des Betriebspunkts kann zur Korrektur des NOx-Sensors verwendet werden.
Ein derartiges Verfahren ist in der Anmeldung DE-199 11 664 beschrieben.
Allerdings besteht weiterhin bei der Regelung eines NOx-Speicherkatalysators das
Problem, ob die im Leerlauf gewonnene Korrekturgröße im gesamten Bereich des zu
regelnden Betsiebs gültig ist. Ferner ist eine zeitliche Korrelation zwischen der
Sensormessung und dem Betriebszustand des Motors, vorzugsweise eines
Dieselmotors, nur bedingt möglich, da die Abgaslaufzeit und die Abgaslauflänge durch
den NOx-Speicherkatalysator und die Trägheit des Sensors nur schwer berücksichtigt
werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der
Korrekturvorgaben des NOx-Sensors sowie zur Steuerung eines NOx-
Speicherkatalysators zu schaffen. Ferner soll eine entsprechende Vorrichtung
geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie der
Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration
eines Abgasstromes einer Brennkraftmaschine mittels der Kalibrierung eines NOx-
Sensors durch ausgewählte Betriebspunkte, wobei das Minimum des NOx-
Sensorsignals nach einer Regeneration als Nullpunkt zur Steuerung des NOx-
Speicherkatalysators verwendet wird. Ferner wird der Minimalpunkt als zeitlicher
Nullpunkt für den laufenden Einspeichervorgang in den Speicherkatalysator verwendet,
um eine zeitliche Korrelation zwischen der Sensormessung und dem
Motorbetriebszustand zu erhalten.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen magerlauffähigen Verbrennungsmotor
mit einem sich im Abgastrakt befindlichen Katalysator sowie einem NOx-Sensor und
einer Motorsteuerungseinheit, wobei der Offset der Kennlinie des NOx-Sensors mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren kalibriert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer magerlauffähigen
Brennkraftmaschine mit Abgasanlage,
Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung einer Sensorkennlinie, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Sensorsignals als Funktion dar Zeit
während des Umschaltens zwischen Regeneration- und Magerbetrieb.
Fig. 1 zeigt schematisch ein magerlauffähiges motorisches System. Eine
magerlauffähiger Brennkraftmaschine 1, die von einem Motormanagement 2 gesteuert
wird, weist in seinem Abgastrakt 3 einen optionalen Vorkatalysator 4 sowie einen
Katalysator mit NOx-Speicherfunktion 5 auf. In Abgasströmungsrichtung hinter dem
Katalysator 5 ist ein NOx- oder Lambda-Sensor 6 angeordnet, der die NOx-
Konzentration der Abgase mißt und sein Meßsignal über eine Leitung 7 an das
Motormanagement 2 abgibt.
Wie bereits oben erwähnt, weisen heute erhältliche NOx-Sensoren 6 unterschiedliche
Kennlinien auf, wobei je nach Hersteller ein unterschiedliches Fehlermaß vom
tatsächlichen IST-Wert der NOx-Konzentration gegeben ist. Diese Ungenauigkeiten der
Kennlinie des Sensors 6 haben, zumindest im linearen Bereich, mehrere Ursachen, und
können unterteilt werden in die Genauigkeit, die den Offset 8 betrifft, und die
Genauigkeit, die die Steigung 9 (Empfindlichkeit) betrifft.
Fig. 2 zeigt eine Kennlinie K eines NOx-Sensors. Dargestellt ist das
Sensorausgangssignal OUT in beliebigen Einheiten als Funktion der NOx-Konzentration
NOx in ppm. Die in dem interessierenden Bereich lineare Kennlinie K weist einen Offset
8 (Achsenabschnitt) sowie eine Steigung 9 auf.
Fig. 3 zeigt schematisch in Form einer Sensorsignalkurve SK den Verlauf des NOx-
Signal OUT als Funktion der Zeit t, wobei eine einer Regenerationsphase R
nachfolgende Magerbetriebsphase M dargestellt ist. Grundsätzlich kommt es bei jedem
NOx-Regenerationsvorgang R in einem NOx-Speicherkatalysator zu einem NOx-
Desorptionspeak. Ferner wird NH3 im Katalysator mit zunehmender Dauer der
Regeneration gebildet. Beides führt zu einem Anstieg im NOx-Sensorsignal. Wird der
Motor wieder mager betrieben (Magerphase M in Fig. 3), so speichert der Katalysator
wieder NOx ein, das Sensorsignal OUT fällt, um danach mit zunehmender Beladung des
Speicherkatalysators und dadurch zunehmender Tendenz zu NOx-Durchbrüchen wieder
anzusteigen. Da jedoch die Abgaslauflänge und die Trägheit des Sensors nur schwer
berücksichtigt werden können, ist eine zeitliche Korrelation der Sensormessung zu dem
Motorbetriebszustand nur bedingt möglich.
Daher wird die Talsohle, d. h. das Minimum min der Sensorsignalkurve SK, den das
Sensorsignal OUT während dieses Vorgangs erreicht, als Nullpunkt für den laufenden
Speichervorgang angenommen und verwendet, insbesondere als zeitlicher Nullpunkt zur
Steuerung des NOx-Speicherkatalysators. Zum Beispiel wird eine Auswertung des
Sensorsignals, die beispielsweise zur Anforderung einer Katalysatorregeneration führen
kann, erst ab diesem Zeitpunkt vorgenommen. Ferner kann für dieses Minimum min
eine NOx-Konzentration von 0 angenommen werden, da von einer überwiegenden
Einspeicherung der Stickoxide in den ersten Sekunden des Magerbetriebs ausgegangen
wird. Daher kann der Wert dann auch als Betriebspunkt oder Referenzwert zur
Bestimmung des Offsets des NOx-Sensors verwendet werden. Kommt es jedoch vor der
Bestimmung dieses Nullpunkts, beispielsweise vor Ablauf einer vorbestimmten
notwendigen Zeitspanne wie beispielsweise 10 Sekunden, zu Vorgängen, die die
Kontinuität der Einspeicherung der Stickoxide in den NOx-Speicherkatalysator stören, so
wird für diesen Einspeichervorgang nicht der aktuell bestimmte Nullpunkt als Referenz
verwendet, sondern es wird ein vorbestimmter Referenzwert verwendet, der
beispielsweise in dem verwendeten Kennfeld vorgegeben ist. Derartige Vorgänge, die
die Kontinuität der Einspeicherung stören können, sind beispielsweise
Schubabschaltungsphasen, nicht magerer Motorbetrieb oder starke Änderungen in der
Motorlast.
1
Magerlauffähige Brennkraftmaschine
2
Motormanagement
3
Abgasanlage
4
Vorkatalysator
5
Katalysator mit NOx-Speicherfunktion
6
NOx-/Lambda-Sensor
7
Verbindung
8
Offset
9
Steigung
K Kennlinie
OUT Ausgangssignal
NOx[ppm] NOx-Konzentration in ppm
M Magerphase
R Regenerationsphase
min Minimum
t Zeit
SK Sensorsignalkurve
K Kennlinie
OUT Ausgangssignal
NOx[ppm] NOx-Konzentration in ppm
M Magerphase
R Regenerationsphase
min Minimum
t Zeit
SK Sensorsignalkurve
Claims (9)
1. Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer
Brennkraftmaschine (1) mittels eines NOx-Sensors (6), wobei der Sensor (6)
nach einem NOx-Speicherkatalysator (5) angeordnet ist und mittels mindestens
einem ausgewählten Betriebspunkt kalibriert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Minimum (min) der Sensorsignalkurve (SK) nach einer
Regenerationsphase (R) des Speicherkatalysators (5) als Nullpunkt zur
Steuerung der Regelung des NOx-Speicherkatalysators verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum (min)
als Referenzpunkt zur Kalibrierung des NOx-Sensors verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Übernahme des Nullpunkts (min) als Referenzwert unterbleibt, wenn es in
zeitlicher Richtung vor der Bestimmung des Minimums innerhalb einer
vorbestimmten Zeitspanne zu Vorgängen kommt, die die Kontinuität der
Einlagerung des NOx stören.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß derartige Vorgänge
durch eine Schubabschaltungsphase, ein stöchiometrischer oder fetter
Motorbetrieb oder eine starke Änderung der Motorlast gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
als Referenzwert vorübergehend ein vorbestimmter Referenzwert, beispielsweise
aus einem Motorkennfeld, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Offset (8) der Kennlinie des NOx-Sensors (6) korrigiert
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steigung (9) der Kennlinie des NOx-Sensors (6) korrigiert wird.
8. Brennkraftmaschine (1) mit einem sich im Abgastrakt (3) befindlichen NOx-
Speicherkatalysator (5) sowie einem NOx-Sensor (6) und einer
Motorsteuerungseinheit (2), wobei der NOx-Speicherkatalysator (5) mit dem
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche betrieben und
gegebenenfalls der NOx-Sensor kalibriert wird.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brennkraftmaschine magerlauffähig ist.
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