DE19956822A1 - Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration - Google Patents

Abstract

Zur Messung der NO¶x¶-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine (20) wird ein Dickschicht-Meßaufnehmer (24) verwendet, der zwei Meßzellen aufweist. Aus einem in der ersten Meßzelle fließenden Sauerstoffionen-Pumpstrom wird der 1/lambda-Wert des Abgases bestimmt, beispielsweise mittels eines Kennfeldes, und aus diesem, beispielsweise mittels einer zuvor in einer Kalibriermessung bestimmten Kennlinie, ein Meßfehler bestimmt, mit dem die gemessene NO¶x¶-Konzentration korrigiert werden kann. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Meßfehler vom Luftverhältnis im Abgas abhängt. Drückt man dieses durch den 1/lambda-Wert aus, kann bei der Korrektur auf eine rechenaufwendige Division verzichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx- Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z. B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschicht- Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist bei­ spielsweise in der Veröffentlichung N. Kato et al., "Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Con­ centration", Society of Automotive Engineers, Veröffentli­ chung 980170, 1989, oder in N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusi­ onsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sau­ erstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mit­ tels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abge­ senkt. Die Zersetzung von NOx an einer Meßelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Meßaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Tempera­ tur, z. B. 750°C, gebracht.

Bei dieser Messung der NOx-Konzentration entsteht eine Abwei­ chung der wahren NOx-Konzentration, da es durch einen Schlupf von Sauerstoff von der ersten in die zweite Kammer zu einer Verfälschung des NOx-Meßwertes kommt. Das Abpumpen des Sauer­ stoffschlupfes in der zweiten Zelle reduziert zwar den das Meßsignal verfälschenden Sauerstoffgehalt erheblich, jedoch nicht vollständig, da immer noch Sauerstoff, der nicht aus der Zersetzung von NOx stammt, miterfaßt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren an­ zugeben, mit dem die NOx-Konzentration im Abgas einer Brenn­ kraftmaschine unter Verwendung des oben beschriebenen Meßauf­ nehmers exakter erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Meßfehler des von einem in Zweikammerbauweise aufgebauten NOx- Meßaufnehmer gelieferten Wertes für die NOx-Konzentration von der Höhe der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brenn­ kraftmaschine abhängt. Der Meßwertaufnehmer kann die Sauer­ stoffkonzentration nicht messen. Der erste Sauerstoffionen- Pumpstrom ist eben ein direktes Maß für das Luftverhältnis λ des Abgases. Bezieht man diesen Meßfehler nun nicht auf die Sauerstoffkonzentration, sondern auf λ, vorzugsweise auf des­ sen Kehrwert 1/λ, so zeigt sich, daß der Meßfehler bei vielen Meßaufnehmern durch eine einfache Funktion, bei 1/λ sogar weitgehend linear beschrieben werden kann. Unter weitgehend linear wird dabei verstanden, daß bei einer Reihenentwicklung Terme höherer Ordnung nur noch mit sehr kleinen Koeffizienten berücksichtigt werden müssen.

Aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom in der ersten Meß­ zelle wird somit ein Luftverhältnissignal, vorzugsweise der 1/λ-Wert des Abgases gewonnen, mittels dem der Meßfehler un­ ter Ausnützung eines Zusammenhangs zwischen Luftverhältnis­ signal und Meßfehler bestimmt wird. Um diesen Meßfehler wird die gemessene NOx-Konzentration dann korrigiert.

Vorzugsweise wird der Zusammenhang zuvor in einer Kalibrier­ messung bestimmt, so daß der Meßfehler in Form eines Kennfel­ des, einer Kennlinie oder eines funktionalen Zusammenhangs vorliegt.

Um das Luftverhältnissignal aus dem ersten Sauerstoffionen- Pumpstrom gewinnen zu können, wird weiter eine Kennlinie be­ stimmt, die den Zusammenhang zwischen erstem Sauerstoffionen- Pumpstrom in der ersten Zelle und dem Luftverhältnissignal, beispielsweise 1/λ oder einer anderen Funktion von λ wieder­ gibt. Dabei ist der Zusammenhang zwischen erstem Sauerstoffi­ onen-Pumpstrom und 1/λ überraschenderweise weitgehend linear, so daß es weiter vorteilhaft ist, als Luftverhältnissignal 1/λ zu wählen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß bei der Korrektur der gemessenen NOx-Konzentration nur Multiplikatio­ nen, Subtraktionen und Additionen nötig sind. Eine Division, die die Rechenleistung eines kostengünstigen Mikrokontrollers übermäßig stark beanspruchen würde, ist nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher be­ schrieben. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines NOx- Meßaufnehmers und

Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Meßaufnehmer 1 wird in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Be­ stimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brenn­ kraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Meßwerte des NOx- Meßaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx-Meßaufnehmer 24 verbunden ist, und einem Be­ triebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzufuhrsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhal­ ten zeigt.

Der Meßaufnehmer 24, 1 ist in Fig. 2 detaillierter darge­ stellt. Der aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO₂ bestehende Meßaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusi­ onsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx- Konzentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird durch Abgriff einer Nernstspannung zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Da­ bei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 ange­ ordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt.

Die abgegriffene Nernstspannung wird einem als Regler C0 die­ nenden 8-Bit Mikrocontroller zugeführt, der eine Stellspan­ nung VS0 bereitstellt. Diese steuert eine spannungsgesteuerte Stromquelle UI0 an, die einen ersten Sauerstoffionen- Pumpstrom IP0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des Meßauf­ nehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außen­ elektrode 6 treibt. Dabei wird mittels der Stellspannung VS0 vom Regler C0 in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sau­ erstoffkonzentration eingeregelt. Diese wird über die Nernst­ spannung zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen, so daß der Regelkreis des Reglers C0 geschlossen ist. Der erste Sauerstoffionen-Pumpstrom ist ein Maß für das Luftverhältnis im Abgas, wie von Lambda-Sonden bekannt ist.

Die beschriebene Schaltkreisanordnung stellt so in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Die zweite Meßzelle 8 ist mit der ersten Meßzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusi­ onsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vor­ handene Gas in die zweite Meßzelle 8. In der zweiten Meßzelle wird über eine Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoff­ konzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernst­ spannung abgegriffen und einem Regler C1 zugeführt, der eine zweite Stellspannung VS1 bereitstellt, mit der eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle UI1 angesteuert wird. Die Schaltkreisanordnung zum Treiben des Sauerstoffionen- Pumpstroms IP1 aus der zweiten Meßzelle 8 heraus entspricht somit der Schaltkreisanordnung für die erste Meßzelle 4.

Die Schaltkreisanordnung treibt den Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 so, daß sich in der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.

Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, daß NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbeson­ dere keine Zersetzung stattfindet. Das NOx wird nun an der Meßelektrode 20, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 von der Meße­ lektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsau­ erstoffgehalt in der Meßzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen, die aus der Zersetzung von NOx an der Meßelektrode 10 stammen. Der Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Abgas.

Dieser Pumpstrom IP2 wird wie die vorherigen Pumpströme von einer spannungsgesteuerten Stromquelle UI2 getrieben, deren Stellspannung VS2 von einem Regler C2 vorgegeben wird, der die Nernstspannung zwischen der der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift und durch Vorgabe der Stell­ spannung VS2 eine vorbestimmte Nernstspannung einregelt.

Der Restsauerstoffgehalt der Meßzelle 8 ist jedoch nur ideal­ erweise Null, da ein Schlupf von Sauerstoff von der ersten in die zweite Meßzelle immer noch eine Abhängigkeit der gemesse­ nen NOx-Konzentration von der Sauerstoffkonzentration im Ab­ gas bewirkt.

Diese Abhängigkeit wird nun rechnerisch nach dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Verfahren korrigiert. Zuerst wird aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 in der ersten Meßzelle 4 ein Sauerstoffsignal 1/LAM gewonnen, welches das Luftverhältnis im Abgas ausdrückt. Die Umwandlung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms IP0 erfolgt dabei mit einer Kenn­ linie 15 oder einem Kennfeld, das jedem Strom einen 1/λ-Wert, der in diesem Fall das Luftverhältnissignal 1/LAM ist, zuord­ net. Die Kennlinie 15 wurde zuvor für den jeweiligen Meßauf­ nehmer 1 in einer Kalibriermessung bestimmt.

Dieses Luftverhältnissignal 1/LAM wird mit einer weiteren Kennlinie 16 in einen Meßfehler NOx_D umgesetzt. Die Kennli­ nie 16 wurde aus einer entsprechenden Kalibriermessung des Meßaufnehmers 1 gewonnen und drückt den Zusammenhang zwischen Meßfehler und 1/LAM aus.

Für den Fall, daß sich ein funktionaler Zusammenhang zwischen Meßfehler NOx_D und Luftverhältnissignal 1/LAM finden läßt, wird die Umsetzung per Kennlinie durch eine Umrechnung per funktionalem Zusammenhang ersetzt. Wird als Luftverhältnis­ signal der 1/λ-Wert genommen, ergibt sich ein weitgehend li­ nearer Zusammenhang. Kann man sich nicht auf einen solchen wesentlich linearen Zusammenhang stützen, ist anstatt einer Funktion die Kennlinie 16 hinterlegt. Im folgenden wird je­ doch davon ausgegangen, daß der 1/λ-Wert als Luftverhältnis­ signal 1/LAM verwendet wird und somit die Stützung auf einen weitgehend linearen Zusammenhang erfolgt. Dann kann durch einfache Multiplikation des Wertes des Luftverhältnissignals 1/LAM mit einem Multiplikationsfaktor sowie Addition eines Additionsfaktors ein Meßfehler NOx_D erhalten werden. Durch eine einfache Multiplikation dieses dann beispielsweise als Korrekturmultiplikator realisierten Meßfehlers NOx_D in der Rechenoperation 17 mit der gemessenen NOx-Konzentration NOx-M erhält man die korrigierte NOx-Konzentration NOx_C.

Dabei wird weder bei der Bestimmung des Meßfehlers NOx_D aus dem Luftverhältnissignal 1/LAM noch bei der Berechnung der korrigierten NOx-Konzentration NOx_C eine Division erforder­ lich, die in der Regel eine Gleitkommaarithmetik mit sich brächte und deshalb einen aufwendigen Mikrokontroller erfor­ derte. Stattdessen kann ein einfacher kostengünstiger Mikro­ kontroller verwendet werden.

Ist es nicht möglich, sich bei der Bestimmung des Meßfehlers NOx_D aus dem Luftverhältnissignal 1/LAM auf einen weitgehend linearen Zusammenhang zu stützen, sondern wird eine Kennlinie 16 eingesetzt, kann man die Kennlinie 15 mit dieser Kennlinie 16 vereinigen, so daß direkt aus dem ersten Sauerstoffionen- Pumpstrom IP0 der Meßfehler NOx_D, beispielsweise als Mul­ tiplikations- oder Additionskorrekturfaktor erhalten wird. Dann fällt ein Arbeitsschritt weg, da auf die Generierung des Luftverhältnissignals 1/LAM verzichtet wird. Benötigt man al­ lerdings dieses Luftverhältnissignal 1/LAM, beispielsweise für andere Steuerungs- oder Regelungsfunktionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine, kann es natürlich dennoch aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 erzeugt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Meßaufnehmers mit

• - einer ersten Meßzelle, in die ein Teil des Abgases einge­ führt wird und in der eine erste Sauerstoffkonzentration durch einen Sauerstoffionen-Pumpstrom eingestellt wird,
• - einer zweiten Meßzelle, die mit der ersten Meßzelle verbun­ den ist und in der eine zweite Sauerstoffkonzentration einge­ stellt wird, wobei
• - die NOx-Konzentration in der zweiten Meßzelle gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) aus dem Sauerstoffionen-Pumpstrom ein Luftverhältnissignal bestimmt wird, das eine Funktion des λ-Wertes des Abgases wiedergibt,
• b) aus dem Luftverhältnissignal ein Meßfehler bestimmt wird, der die Abweichung der gemessenen NOx-Konzentration von der wahren NOx-Konzentration wiedergibt, und
• c) die gemessene NOx-Konzentration um den Meßfehler korri­ giert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen Luftverhältnissignal und Meßfehler in einer Kalibriermessung bestimmt wird, in der der Meßauf­ nehmer verschiedenen Gasgemischen ausgesetzt wird, und der Meßfehler erfaßt und in Form eines Kennfeldes oder einer Kennlinie oder eines funktionalen Zusammenhangs beschrieben wird, wobei in den Gasgemischen mindestens λ-Wert und NOx- Konzentration variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur im Schritt c) durch Multiplikations-Additions- und/oder Subtraktionsrechenoperationen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusammenhang zwischen Luftverhältnissignal und Meßfehler im Schritt b) eine weitgehend lineare Funktion verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) auf eine Kennlinie oder ein Kennfeld zugegrif­ fen wird, um das Luftverhältnissignal aus dem Sauerstoffio­ nen-Pumpstrom zu bestimmen.