EP1530674A2 - Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine comprising a fuel regulating device - Google Patents

Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine comprising a fuel regulating device

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Publication number
EP1530674A2
EP1530674A2 EP03792327A EP03792327A EP1530674A2 EP 1530674 A2 EP1530674 A2 EP 1530674A2 EP 03792327 A EP03792327 A EP 03792327A EP 03792327 A EP03792327 A EP 03792327A EP 1530674 A2 EP1530674 A2 EP 1530674A2
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EP
European Patent Office
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catalyst device
oxygen
sensor
lambda
catalyst
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03792327A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ekkehard Pott
Rudolf Krebs
Axel Lang
Oliver Kirstein
Frank Wittig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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    • F01N2560/026Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor for measuring or detecting NOx
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    • Y02T10/40Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine according to the preambles of the independent claims.
  • a broadband lambda probe is usually installed in front of the pre-catalytic converter and a step response lambda probe behind the main catalytic converter.
  • the front probe is arranged comparatively close to the internal combustion engine, so that deviations from the target composition can be quickly recognized and corrected.
  • the signal from the further lambda probe or the NOx sensor with oxygen measuring device arranged downstream of the main catalytic converter is used for fine control.
  • the control deviation to achieve a target lambda value is included in the control of the mixture deviation via the front probe.
  • a disadvantage of the conventional probe configuration is that the probe of a high thermal and mechanical which is arranged upstream of the precatalyst is close to the engine Exposure to high exhaust gas temperatures and pulsating exhaust gas flows.
  • the exhaust gas flow also leads to inaccuracies in the measurement of the mixed exhaust gas composition of all engine cylinders, so that an increased effort is required when positioning the probe upstream of the pre-catalyst. Since the flow conditions upstream of the pre-catalytic converter are dependent on the exhaust gas mass flow and the exhaust gas temperature, this is also only a compromise design.
  • the object of the present invention is therefore to create an internal combustion engine with an exhaust system having at least one pre-catalyst device and at least one main catalyst device arranged downstream of the pre-catalyst device, mixture control taking place as a function of a signal from an oxygen sensor arranged in the exhaust gas, in which the probe arrangement-specific disadvantages of the prior art be avoided. It is also an object of the present invention to provide a method for operating such an internal combustion engine. According to the invention, the objects are achieved by the features of the independent claims.
  • a first oxygen sensor is arranged, for example, downstream of the first pre-catalytic converter relative to the internal combustion engine and upstream of the main catalytic converter, the signal of which is fed to the fuel control device for mixture control.
  • Such an installation position of the first oxygen sensor gives significant advantages over the conventional sensor arrangement. An improved probe flow is ensured for the mixed exhaust gas of all cylinders. A lower effective cross-sensitivity of the oxygen sensor to hydrocarbons, hydrogen and ammonia due to a lower pollutant concentration downstream of the pre-catalyst is also to be noted.
  • the conversion of pollutants on the pre-catalytic converter leads to an increase in the temperature of the catalytic converter and exhaust gas, but since the exhaust gas system is not adiabatic at least in this area, the additionally generated energy is at least partially dissipated again, so that overall with a maximum comparable thermal load compared to an arrangement of the oxygen sensor upstream of the pre-catalyst is to be expected.
  • an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device is determined, the value of an oxygen concentration calculated upstream of the pre-catalyst device being used.
  • the lambda value excitation in the exhaust gas is not regulated, but controlled, according to the invention, so that an additional oxygen sensor upstream of the precatalyst device is dispensed with can.
  • Figure 1 is a representation of sensor configurations in exhaust systems
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the known from the prior art
  • FIG. 4 shows a representation of the mixture control according to the prior art in the case of a lambda probe arranged upstream of a precatalyst
  • FIG. 5 shows a mixture control in a lambda probe arranged downstream of a pre-catalyst
  • FIG. 6 shows a mixture control according to the invention
  • FIG. 7 shows a further mixture control according to the invention with a premature lean breakthrough downstream of a pre-catalyst
  • Figure 8 is an illustration of a mixture control according to the invention with an extended rich phase downstream of a pre-catalyst
  • FIG. 9 shows a lambda value excitation and an assigned lambda reaction for determining an oxygen storage capacity according to the invention
  • FIG. 10 shows a further lambda value excitation and an assigned lambda reaction
  • FIG. 11 shows a further lambda value excitation and an assigned lambda reaction
  • FIG. 12 shows a representation of sensor configurations known from the prior art for double-flow exhaust systems
  • FIG. 1 shows, for sensor configurations A, B and C, an internal combustion engine 1, 1A, 1 B with a downstream exhaust gas system 2, 2A, 2B, which has a pre-catalytic converter 3, 3A, 3B and a main catalytic converter 4, 4A, 4B.
  • a first oxygen sensor 5A is arranged upstream of the pre-catalytic converter 3A and a second sensor 6A, for example an oxygen sensor or a NOx sensor, is arranged downstream of the main catalytic converter.
  • a second sensor 6A for example an oxygen sensor or a NOx sensor
  • a separate diagnosis of the pre-catalyst 3B, another oxygen sensor 7B is arranged downstream of the pre-catalyst 3B.
  • an internal combustion engine 1 is shown with an exhaust system 2, in which a first oxygen sensor 5 is arranged downstream of the pre-catalyst device 3.
  • the internal combustion engine 1 is preferably a direct-injection gasoline engine or a diesel engine.
  • the internal combustion engine 1 is preferably capable of stratified charging.
  • the pre-catalyst device 3 is designed as a 3-way catalyst or as an oxidation catalyst and can also comprise a plurality of individual catalysts.
  • the first oxygen sensor 5, which is arranged downstream of the pre-catalyst device 3 according to the invention, is preferably a broadband lambda probe, which enables the oxygen concentration or the lambda value of the exhaust gas to be recorded relatively quickly, but generally only roughly.
  • the main catalytic converter device 4 arranged downstream of the oxygen sensor 5 can be a 3-way catalytic converter, a NOx storage catalytic converter or an oxidation catalytic converter and can also comprise a plurality of individual catalytic converters.
  • the sensor 6 arranged downstream of the main catalytic converter device 4 is preferably designed as a step response lambda probe, as a NOx sensor with oxygen measurement device or as a multifunction sensor.
  • the installation position of the oxygen sensor 5 upstream of the precatalyst has some disadvantages, as has already been explained above.
  • the configuration C of FIG. 1 has an installation position of the first oxygen probe that is optimized compared to the prior art, which is subject to lower loads there and moreover allows the damage condition of the pre-catalyst device to be determined separately in a relatively simple manner.
  • FIG. 2 shows a basic illustration of the guide control known from the prior art, corresponding to the sensor configuration 1A.
  • the signal from the oxygen sensor 5A preferably a broadband lambda probe, is used to detect deviations of an actual lambda value from a target lambda value specified by a fuel control device 11.
  • the signal corrected by the amount of the step response probe is fed to a control unit 8, which in particular controls injection valves 9 and / or a throttle valve 10. Since the exhaust gas run length is short in the control section belonging to the first control loop, fast, stable control can be achieved with little effort.
  • the control unit 8 comprises an exhaust gas control device.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of the guidance control for an internal combustion engine according to the invention, corresponding to sensor configuration C in FIG.
  • Corresponding modules are provided with the same reference numerals as in FIG. 2.
  • the first oxygen sensor 5 is arranged downstream of the pre-catalyst device 3, there is an increased inertia of the controlled system of the first control circuit and thus a lower stability.
  • the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 also contributes to the inertia of the controlled system.
  • the volume of the pre-catalyst device is limited to reduce the activity of the controlled system and to achieve a predetermined stability limit of the mixture control.
  • the relative volume of the pre-catalyst device 3 is preferably limited to a value between 0.7 and 0.3 of the engine displacement. Values of 0.6, 0.45 and 0.35 for the relative volume are particularly preferred.
  • a maximum volume-independent oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 is selected to achieve a predetermined stability limit of the mixture control.
  • the control intervention is intensified since there is no discernible tendency to lean the exhaust gas. Only at the later point in time T3 does the measured enrichment of the exhaust gas decrease, so that the intervention of the controller can be withdrawn. At the time T4, the control intervention is ended because the actual lambda value and the target lambda value match.
  • FIG. 5 shows a comparable scenario in an internal combustion engine 1 according to the invention with an oxygen sensor 5 arranged upstream of a pre-catalyst device 3.
  • the lambda value that can be measured in this sensor configuration downstream of the pre-catalyst device 3 is shown as a strongly drawn curve, the non-measurable lambda value upstream of the pre-catalyst device 3 as a thinly drawn curve.
  • a start-up phase begins, which is accompanied by a longer enrichment of the lambda value upstream of the pre-catalyst device, which leads to a control intervention only at a time T1.
  • control loop here is not matched to the extended exhaust gas runtime and the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3, so that the controller intervenes too weakly and then reacts to the delayed consequences of the lambda value measured downstream of the pre-catalyst device 3 with increased control interventions by which the system is made to vibrate. These vibrations are only corrected at a time T2.
  • the extended exhaust gas runtime and the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 are taken into account in the form of the control intervention in order to avoid this behavior, which does not allow a favorable exhaust gas quality to be expected.
  • the control intervention is shown in the form of a decreasing enrichment or emaciation of the exhaust gas.
  • the maximum value and decay rate are dependent on the size of the measured lambda value deviation, ie the difference between a lambda setpoint and an actual lambda value determined from the oxygen signal of the first oxygen sensor.
  • the oxygen storage capacity can be modeled or determined according to a method described below. Thus, even in dynamic operation, a certain amount of oxygen remains in the pre-catalyst device 3 and compensates for the buffering of the controlled system by the oxygen storage capacity of the catalyst device.
  • FIG. 5 A scenario analogous to FIG. 5 is illustrated in FIG.
  • the curve designation is the same as in FIG. 4, however the control intervention is modified in accordance with the above. If mixture enrichment takes place from a point in time TO, this does not initially lead to any change in the lambda value of the exhaust gas downstream of the pre-catalyst device, since the enrichment is buffered by an oxygen release due to the stored oxygen. However, the lambda value of the exhaust gas upstream of the pre-catalyst device shows a deviation immediately after the time TO. Downstream of the pre-catalyst device, a richness is measured from time T1 and, according to the invention, at time T2 the lambda value is trimmed towards the lean by a predetermined amount.
  • the size of this amount is preferably selected as a function of the exhaust gas leaning rate in the time interval T1 to T2. Then, with a predeterminable leaning rate, at which the engine operating point, the exhaust gas mass flow, the catalyst temperature and / or the recognized oxygen storage capacity is taken into account, the exhaust gas continues to be leaned out until a maximum deviation from the target value is measured at the oxygen sensor at time T4. Compared to the measured thinning rate, the decay rate of thinning is slower, linear or degressive.
  • FIG. 7 illustrates a scenario in which lean exhaust gas is measured 3 as the lean out of the control intervention downstream of the pre-catalyst device 3.
  • the emaciation is discontinued at time T6 and replaced by a fading enrichment.
  • FIG. 8 illustrates a scenario in which the measured lambda value downstream of the pre-catalytic converter device 3 runs insufficiently or not at all in the lean direction during the decay of a lean-out control intervention.
  • the leaning of the exhaust gas is continued with a constant lean control intervention until the measured lambda value falls below a predetermined deviation threshold from the setpoint lambda by the time T7.
  • the lean-out rule intervention is withdrawn.
  • the lambda value in advance of the pre-catalyst device 3 goes back from the time T8 to the desired value.
  • the control intervention is ended at time T9.
  • a lambda wobble with a predetermined amplitude and frequency is preferably generated as lambda excitation.
  • the controlled lambda value upstream of the pre-catalyst device 3 (dotted line), the lambda value downstream of the pre-catalyst device 3 with a high oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 (solid line) and the lambda value downstream of the pre-catalyst device 3 for a pre-catalyst device 3 shown with a low oxygen storage capacity (dashed line).
  • the assigned reaction is faster and the curve shape is more similar to the stimulating wobble.
  • the wobble amplitude is increased over time at a constant wobble frequency.
  • the lambda value downstream of the pre-catalytic converter 3 follows with a high oxygen storage capacity with a delay and with a relatively low amplitude (solid line), while a high oxygen storage capacity leads to a rapid subsequent reaction with a relatively high amplitude (dashed line).
  • a high oxygen storage capacity corresponds to a long response time, while a low oxygen storage capacity corresponds to a short response time.
  • FIG. 13A shows a sensor configuration in an internal combustion engine 1 with an exhaust system that has two exhaust lines 12, 13.
  • Each exhaust line 12, 13 has a pre-catalyst 14 and a main catalytic converter 15 arranged downstream of the pre-catalytic converter 14.
  • An oxygen sensor 16, 17 is arranged downstream of each pre-catalytic converter 14 and upstream of each main catalytic converter 15, so that a pair of sensors is arranged downstream of the pre-catalytic converters 14.
  • a sensor 17 is also arranged downstream of each main catalytic converter 15, so that a pair of sensors is also arranged downstream of the main catalytic converters 15.
  • the determination of a damage condition of a pre-catalytic converter can be carried out separately for each exhaust line.

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Abstract

The invention relates to an internal combustion engine (1) comprising an exhaust system which is provided with a pre-catalyst device (3) and a main catalyst device (4) arranged downstream of said pre-catalyst device (3), and a fuel regulating device (11) for regulating the mixture according to the signal emitted by at least one oxygen sensor arranged in the exhaust system. According to the invention, a first oxygen sensor (5) is arranged downstream of the pre-catalyst device (3) and upstream of the main catalyst device (4), the signal of said sensor being supplied to the fuel regulating device (11) for regulating the mixture. The invention also relates to a method for operating one such internal combustion engine.

Description

Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Kraftstoffregelungsvorrichtung Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine with a fuel control device
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine according to the preambles of the independent claims.
Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren bekannt mit Abgassystemen, die zumindest einen motornahen Vorkatalysator und zumindest einen stromab angeordneten Hauptkatalysator umfassen. Zur Kontrolle der Abgaszusammensetzung ist üblicherweise stromauf des Vorkatalysators eine Lambdasonde und stromab des Hauptkatalysators eine weitere Lambdasonde oder ein NOx-Sensor mit Sauerstoffmessvorrichtung angeordnet.Combustion engines with exhaust systems are known from the prior art which comprise at least one pre-catalytic converter close to the engine and at least one main catalytic converter arranged downstream. To control the exhaust gas composition, a lambda probe is usually arranged upstream of the pre-catalytic converter and another lambda probe or a NOx sensor with an oxygen measuring device is arranged downstream of the main catalytic converter.
Üblicherweise wird eine Breitband-Lambdasonde vor dem Vorkatalysator und eine Sprungantwort-Lambdasonde hinter dem Hauptkatalysator verbaut. Mit einer derartigen Sondenkonfiguration ist eine Gemischkontrolle und -regelung derart möglich, dass über die vordere Sonde eine Abweichung der Ist-Gemischzusammensetzung von einer Soll-Gemischzusammensetzung detektiert wird und die erkannte Abweichung in einen Regeleingriff einer Gemischvorsteuerung umgerechnet wird. Die vordere Sonde ist dabei vergleichsweise nahe an dem Verbrennungsmotor angeordnet, so dass Abweichungen von der Soll-Zusammensetzung schnell erkannt und ausgeregelt werden können. Für eine Feinregelung wird das Signal der stromab des Hauptkatalysators angeordneten weiteren Lambdasonde bzw. des NOx-Sensors mit Sauerstoffmessvorrichtung herangezogen. Insbesondere erfolgt eine genaue Kalibrierung des Lambda = 1 -Punktes der vorderen Sonde durch das Signal der hinteren Sonde im Lambda = 1 -Betrieb. Die Regelabweichung zum Erzielen eines Soll- Lambdawertes wird in die Regelung der Gemischabweichung über die vordere Sonde mit eingerechnet.A broadband lambda probe is usually installed in front of the pre-catalytic converter and a step response lambda probe behind the main catalytic converter. With such a probe configuration, mixture control and regulation is possible in such a way that a deviation of the actual mixture composition from a target mixture composition is detected via the front probe and the detected deviation is converted into a control intervention of a mixture pre-control. The front probe is arranged comparatively close to the internal combustion engine, so that deviations from the target composition can be quickly recognized and corrected. The signal from the further lambda probe or the NOx sensor with oxygen measuring device arranged downstream of the main catalytic converter is used for fine control. In particular, the lambda = 1 point of the front probe is precisely calibrated by the signal of the rear probe in lambda = 1 operation. The control deviation to achieve a target lambda value is included in the control of the mixture deviation via the front probe.
Nachteilig bei der üblichen Sondenkonfiguration ist, dass die stromauf des Vorkatalysators motornah angeordnete Sonde einer hohen thermischen und mechanischen Belastung durch hohe Abgastemperaturen sowie durch pulsierende Abgasströmungen ausgesetzt ist. Die Abgasströmung führt darüber hinaus zu Ungenauig- keiten bei der Messung der gemischten Abgaszusammensetzung aller Motorzylinder, so dass ein erhöhter Aufwand bei der Positionierung der Sonde stromauf des Vorkatalysators erforderlich ist. Da sich die Strömungsverhältnisse stromauf des Vorkatalysators abhängig vom Abgasmassenstrom und der Abgastemperatur einstellen, handelt es sich darüber hinaus hierbei auch nur um eine Kompromissauslegung.A disadvantage of the conventional probe configuration is that the probe of a high thermal and mechanical which is arranged upstream of the precatalyst is close to the engine Exposure to high exhaust gas temperatures and pulsating exhaust gas flows. The exhaust gas flow also leads to inaccuracies in the measurement of the mixed exhaust gas composition of all engine cylinders, so that an increased effort is required when positioning the probe upstream of the pre-catalyst. Since the flow conditions upstream of the pre-catalytic converter are dependent on the exhaust gas mass flow and the exhaust gas temperature, this is also only a compromise design.
Eine separate Vorkatalysatordiagnose ist mit der beschriebenen Sondenkonfiguration gemäß dem Stand der Technik und der üblichen Methode der Messung der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) des Vorkatalysators nicht möglich, da die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Gesamtsystems getestet wird. Für eine differenzierte Diagnose des Abgassystems einschließlich einer separaten Vorkatalysatordiagnose, wie sie zur Erfüllung scharfer Abgasgrenzwerte erforderlich ist, ist gemäß Stand der Technik eine zusätzliche Lambdasonde zwischen Vor- und Hauptkatalysator mit der Folge erhöhter Kosten und höherem Applikationsaufwand notwendig.A separate pre-catalyst diagnosis is not possible with the described probe configuration according to the state of the art and the usual method of measuring the oxygen storage capacity (OSC) of the pre-catalyst, since the oxygen storage capacity of the overall system is tested. For a differentiated diagnosis of the exhaust system, including a separate pre-catalytic converter diagnosis, as is required to meet strict exhaust gas limit values, an additional lambda probe between the pre-catalytic converter and the main catalytic converter is necessary with the result of increased costs and higher application costs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verbrennungsmotors mit einem zumindest eine Vorkatalysatoreinnchtung und zumindest eine stromab der Vorkatalysatoreinnchtung angeordneten Hauptkatalysatoreinrichtung aufweisenden Abgassystem, wobei eine Gemischregelung in Abhängigkeit von einem Signal eines im Abgas angeordneten Sauerstoffsensors erfolgt, bei dem die sondenanordnungsspezifischen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Verbrennungsmotors zu schaffen. Erfindungsgemäß werden die gestellten Aufgaben durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object of the present invention is therefore to create an internal combustion engine with an exhaust system having at least one pre-catalyst device and at least one main catalyst device arranged downstream of the pre-catalyst device, mixture control taking place as a function of a signal from an oxygen sensor arranged in the exhaust gas, in which the probe arrangement-specific disadvantages of the prior art be avoided. It is also an object of the present invention to provide a method for operating such an internal combustion engine. According to the invention, the objects are achieved by the features of the independent claims.
Erfindungsgemäß ist ein erster Sauerstoffsensor beispielsweise stromab des relativ zum Verbrennungsmotor ersten Vorkatalysators und stromauf des Hauptkatalysators angeordnet, dessen Signal der Kraftstoffregelungsvorrichtung zur Gemischregelung zugeführt wird. Eine derartige Einbauposition des ersten Sauerstoffsensors ergibt signifikante Vorteile gegenüber der konventionellen Sensoranordnung. Für das durchmischte Abgas aller Zylinder ist eine verbesserte Sondenanströmung sichergestellt. Ferner ist eine geringere effektive Querempfindlichkeit des Sauerstoffsensors gegen Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Ammoniak aufgrund einer stromab des Vorkatalysators geringeren Schadstoffkonzentration zu vermerken. Die Schadstoffumsetzung auf dem Vorkatalysator führt zwar zu einer Temperaturerhöhung von Katalysator und Abgas, da das Abgassystem zumindest in diesem Bereich jedoch nicht adiabat ist, wird die zusätzlich erzeugte Energie zumindest teilweise wieder abgeführt, so dass insgesamt mit einer höchstens vergleichbar hohen thermischen Belastung gegenüber einer Anordnung des Sauerstoffsensors stromauf des Vorkatalysators zu rechnen ist.According to the invention, a first oxygen sensor is arranged, for example, downstream of the first pre-catalytic converter relative to the internal combustion engine and upstream of the main catalytic converter, the signal of which is fed to the fuel control device for mixture control. Such an installation position of the first oxygen sensor gives significant advantages over the conventional sensor arrangement. An improved probe flow is ensured for the mixed exhaust gas of all cylinders. A lower effective cross-sensitivity of the oxygen sensor to hydrocarbons, hydrogen and ammonia due to a lower pollutant concentration downstream of the pre-catalyst is also to be noted. The conversion of pollutants on the pre-catalytic converter leads to an increase in the temperature of the catalytic converter and exhaust gas, but since the exhaust gas system is not adiabatic at least in this area, the additionally generated energy is at least partially dissipated again, so that overall with a maximum comparable thermal load compared to an arrangement of the oxygen sensor upstream of the pre-catalyst is to be expected.
Erfindungsgemäß wird ferner das Abgassystem zur Einhaltung vorgegebener Schadstoffemissionen gesteuert oder geregelt in Abhängigkeit von dem Signal eines stromab der Vorkatalysatoreinnchtung angeordneten Sensors, vorzugsweise eines Sauerstoff- oder NOx-Sensors. Gegenüber der herkömmlichen Sensor-Konfiguration, bei der der erste Sauerstoffsensor stromauf des ersten Vorkatalysators angeordnet ist, wird bei der erfindungsgemäßen Sondenkonfiguration eine verbesserte Sondenanströmung und geringere Querempfindlichkeit des ersten Sauerstoffsensors und damit eine höhere Funktionssicherheit des Abgassystems erreicht.According to the invention, the exhaust system is also controlled or regulated to maintain specified pollutant emissions as a function of the signal from a sensor arranged downstream of the pre-catalyst device, preferably an oxygen or NOx sensor. Compared to the conventional sensor configuration, in which the first oxygen sensor is arranged upstream of the first precatalyst, in the probe configuration according to the invention an improved flow of probe and lower cross sensitivity of the first oxygen sensor and thus a higher functional reliability of the exhaust system are achieved.
Ferner wird erfindungsgemäß zur separaten Ermittlung eines Schädigungszustandes der Vorkatalysatoreinnchtung in Abhängigkeit von dem Signal des ersten Sauerstoffsensors eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung ermittelt, wobei der Wert einer stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung berechneten Sauerstoffkonzentration herangezogen wird. Neben den bereits erwähnten, aus der Einbaulage des ersten Sauerstoffsensors stromab der Vorkatalysatoreinnchtung resultierenden Vorteilen besteht ein entscheidender Vorteil in der Möglichkeit, den Schädigungszustand der Vorkatalysatoreinnchtung ohne Einbau eines zusätzlichen zweiten Sensors separat zu ermitteln.Furthermore, according to the invention, for the separate determination of a damage state of the pre-catalyst device as a function of the signal from the first oxygen sensor, an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device is determined, the value of an oxygen concentration calculated upstream of the pre-catalyst device being used. In addition to the advantages already mentioned, which result from the installation position of the first oxygen sensor downstream of the pre-catalyst device, there is a decisive advantage in the possibility of separately determining the state of damage of the pre-catalyst device without installing an additional second sensor.
Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass zur Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung stromauf des Vorkatalysators eine vorgegebene Lambdawert-Anregung im Abgas erfolgt und eine zugehörige Reaktion stromab des Vorkatalysators mittels des ersten Sauerstoffsensors erfasst wird. Gegenüber der aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 43 389 17 A 1 , bekannten Methode zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Katalysators erfolgt die Lambdawert-Anregung im Abgas erfindungsgemäß nicht geregelt, sondern gesteuert, so dass auf einen zusätzlichen Sauerstoffsensor stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung verzichtet werden kann.According to the invention, it is also provided that to determine an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device upstream of the pre-catalyst Predefined lambda value excitation takes place in the exhaust gas and an associated reaction downstream of the pre-catalyst is detected by means of the first oxygen sensor. Compared to the method for determining the oxygen storage capacity of a catalytic converter known from the prior art, for example DE 43 389 17 A1, the lambda value excitation in the exhaust gas is not regulated, but controlled, according to the invention, so that an additional oxygen sensor upstream of the precatalyst device is dispensed with can.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Patentansprüchen - für sich oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.Further features and advantages of the invention result not only from the associated patent claims - alone or in combination - but also from the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the associated drawings.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Figur 1 eine Darstellung von Sensorkonfigurationen in AbgassystemenFigure 1 is a representation of sensor configurations in exhaust systems
Figur 2 eine Prinzipdarstellung der aus dem Stand der Technik bekanntenFigure 2 is a schematic diagram of the known from the prior art
Führungsregelungenforcement system
Figur 3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen FührungsregelungFigure 3 is a schematic diagram of a management control according to the invention
Figur 4 eine Darstellung der Gemischregelung gemäß dem Stand der Technik bei einer stromauf eines Vorkatalysators angeordneten LambdasondeFIG. 4 shows a representation of the mixture control according to the prior art in the case of a lambda probe arranged upstream of a precatalyst
Figur 5 eine Darstellung einer Gemischregelung bei einer stromab eines Vorkatalysators angeordneten LambdasondeFIG. 5 shows a mixture control in a lambda probe arranged downstream of a pre-catalyst
Figur 6 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Gemischregelung Figur 7 eine Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Gemischregelung mit einem vorzeitigen Magerdurchbruch stromab eines VorkatalysatorsFIG. 6 shows a mixture control according to the invention FIG. 7 shows a further mixture control according to the invention with a premature lean breakthrough downstream of a pre-catalyst
Figur 8 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Gemischregelung mit einer verlängerten Fettphase stromab eines VorkatalysatorsFigure 8 is an illustration of a mixture control according to the invention with an extended rich phase downstream of a pre-catalyst
Figur 9 eine Darstellung einer Lambdawert-Anregung und einer zugeordneten Lambda-Reaktion zur erfindungsgemäßen Ermittlung einer SauerstoffspeicherfähigkeitFIG. 9 shows a lambda value excitation and an assigned lambda reaction for determining an oxygen storage capacity according to the invention
Figur 10 eine Darstellung einer weiteren Lambdawert-Anregung und einer zugeordneten Lambda-ReaktionFIG. 10 shows a further lambda value excitation and an assigned lambda reaction
Figur 11 eine Darstellung einer weiteren Lambdawert-Anregung und einer zugeordneten Lambda-ReaktionFIG. 11 shows a further lambda value excitation and an assigned lambda reaction
Figur 12 eine Darstellung von aus dem Stand der Technik bekannten Sensorkonfigurationen für zweiflutige AbgassystemeFIG. 12 shows a representation of sensor configurations known from the prior art for double-flow exhaust systems
Figur 13 eine Darstellung von erfindungsgemäßen Sensorkonfigurationen für zweiflutige Abgassysteme.FIG. 13 shows a representation of sensor configurations according to the invention for double-flow exhaust systems.
Die in Figur 1 gegebene Darstellung von Sensorkonfigurationen in Abgassystemen zeigt für Sensor-Konfigurationen A, B und C jeweils einen Verbrennungsmotor 1 , 1A, 1 B mit einem nachgeschalteten Abgassystem 2, 2A, 2B, welches einen Vorkatalysator 3, 3A, 3B und einen Hauptkatalysator 4, 4A, 4B umfasst.The illustration of sensor configurations in exhaust gas systems shown in FIG. 1 shows, for sensor configurations A, B and C, an internal combustion engine 1, 1A, 1 B with a downstream exhaust gas system 2, 2A, 2B, which has a pre-catalytic converter 3, 3A, 3B and a main catalytic converter 4, 4A, 4B.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Konfiguration A ist ein erster Sauerstoffsensor 5A stromauf das Vorkatalysators 3A und ein zweiter Sensor 6A, beispielsweise ein Sauerstoffsensor oder ein NOx-Sensor, stromab des Hauptkatalysators angeordnet. Bei der Konfiguration B der Figur 1 ist zur Durchführung einer separaten Diagnose des Vorkatalysators 3B ein weiterer Sauerstoffsensor 7B stromab des Vorkatalysators 3B angeordnet.In the configuration A known from the prior art, a first oxygen sensor 5A is arranged upstream of the pre-catalytic converter 3A and a second sensor 6A, for example an oxygen sensor or a NOx sensor, is arranged downstream of the main catalytic converter. In configuration B of FIG. 1, a separate diagnosis of the pre-catalyst 3B, another oxygen sensor 7B is arranged downstream of the pre-catalyst 3B.
Bei der Konfiguration C ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgassystem 2 dargestellt, bei dem ein erster Sauerstoffsensor 5 stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 angeordnet ist. Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich vorzugsweise um einen direkt einspritzenden Otto-Motor oder einen Diesel- Motor. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor 1 schichtladefähig. Die Vorkatalysatoreinnchtung 3 ist als 3-Wege-Katalysator oder als Oxidationskatalysator ausgebildet und kann auch mehrere Einzelkatalysatoren umfassen. Der erfindungsgemäß stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 angeordnete erste Sauerstoffsensor 5 ist vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde, die eine relativ schnelle, aber im allgemeinen nur grobe Erfassung der Sauerstoffkonzentration bzw. des Lambdawert.es des Abgases ermöglicht.In configuration C, an internal combustion engine 1 according to the invention is shown with an exhaust system 2, in which a first oxygen sensor 5 is arranged downstream of the pre-catalyst device 3. The internal combustion engine 1 is preferably a direct-injection gasoline engine or a diesel engine. The internal combustion engine 1 is preferably capable of stratified charging. The pre-catalyst device 3 is designed as a 3-way catalyst or as an oxidation catalyst and can also comprise a plurality of individual catalysts. The first oxygen sensor 5, which is arranged downstream of the pre-catalyst device 3 according to the invention, is preferably a broadband lambda probe, which enables the oxygen concentration or the lambda value of the exhaust gas to be recorded relatively quickly, but generally only roughly.
Die stromab des Sauerstoffsensors 5 angeordnete Hauptkatalysatoreinrichtung 4 kann ein 3-Wege-Katalysator, ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator sein und kann auch mehrere Einzelkatalysatoren umfassen. Der stromab de Hauptkatalysatoreinrichtung 4 angeordnete Sensor 6 ist vorzugsweise als Sprungantwort-Lambdasonde, als NOx-Sensor mit Sauerstoffmessreinnchtung oder als Multifunktionssensor ausgebildet.The main catalytic converter device 4 arranged downstream of the oxygen sensor 5 can be a 3-way catalytic converter, a NOx storage catalytic converter or an oxidation catalytic converter and can also comprise a plurality of individual catalytic converters. The sensor 6 arranged downstream of the main catalytic converter device 4 is preferably designed as a step response lambda probe, as a NOx sensor with oxygen measurement device or as a multifunction sensor.
Die Einbaulage des Sauerstoffsensors 5 stromauf des Vorkatalysators hat einige Nachteile zur Folge, wie bereits oben ausgeführt wurde.The installation position of the oxygen sensor 5 upstream of the precatalyst has some disadvantages, as has already been explained above.
Die Konfiguration C der Figur 1 weist eine gegenüber dem Stand der Technik optimierte Einbaulage der ersten Sauerstoffsonde auf, die dort geringeren Belastungen unterliegt und darüber hinaus in relativ einfacher Weise eine separate Ermittlung eines Schädigungszustandes der Vorkatalysatoreinnchtung erlaubt. Für einen optimierten Betrieb des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist es jedoch angezeigt zu berücksichtigen, dass der veränderte Einbauort des ersten Sauerstoffsensors stromab der Vorkatalysatoreinnchtung eine höhere Abgaslauflänge zur Folge hat und damit eine möglicherweise zu große Trägheit der Regelstrecke der Gemischregelung bedingt.The configuration C of FIG. 1 has an installation position of the first oxygen probe that is optimized compared to the prior art, which is subject to lower loads there and moreover allows the damage condition of the pre-catalyst device to be determined separately in a relatively simple manner. For optimized operation of the internal combustion engine according to the invention, however, it is advisable to take into account that the changed installation location of the first oxygen sensor downstream of the pre-catalyst device results in a longer exhaust gas run length has and thus a possibly excessive inertia of the controlled system of the mixture control.
In Figur 2 ist hierzu eine der Sensorkonfiguration 1A entsprechende Prinzipdarstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Führungsregelung abgebildet. Das Signal des Sauerstoffsensors 5A, bevorzugt eine Breitband-Lambdasonde, wird zur Erkennung von Abweichungen eines Ist-Lambdawerts von einem durch eine Kraftstoffregelungsvorrichtung 11 vorgegebenen Soll-Lambdawert eingesetzt.For this purpose, FIG. 2 shows a basic illustration of the guide control known from the prior art, corresponding to the sensor configuration 1A. The signal from the oxygen sensor 5A, preferably a broadband lambda probe, is used to detect deviations of an actual lambda value from a target lambda value specified by a fuel control device 11.
Da baubedingt derartige Breitbandsonden zwar relativ schnell reagieren, aber auch relativ hohe Fehlerabweichungen aufweisen und insbesondere eine genaue Erkennung des Lambda = 1 -Punktes schwierig ist, erfolgt eine Korrektur des Regelein- griffs des Sauerstoffsensors 5A um den Betrag des stromab der Hauptkatalysatoreinrichtung 4A angeordneten Sensors 6A. Um den Lambda = 1 -Punkt herum kann insbesondere mit einer Sprungantwort-Sonde eine Genauigkeit im Promillebereich erreicht werden. Das um den Betrag der Sprungantwortsonde korrigierte Signal wird einem Steuergerät 8 zugeführt, welches insbesondere Einspritzventile 9 und/oder eine Drosselklappe 10 steuert. Da die Abgaslauflänge bei der zum ersten Regelkreis gehörenden Regelstrecke gering ist, kann eine schnelle, stabile Regelung mit geringem Aufwand erreicht werden. Zur Steuerung oder Regelung des Abgassystems umfasst das Steuergerät 8 eine Abgaskontrollvorrichtung.Since, due to the construction, such broadband probes react relatively quickly, but also have relatively high error deviations and, in particular, accurate detection of the lambda = 1 point is difficult, the control intervention of the oxygen sensor 5A is corrected by the amount of the sensor 6A arranged downstream of the main catalyst device 4A , Around the lambda = 1 point, an accuracy in the alcohol range can be achieved with a step response probe in particular. The signal corrected by the amount of the step response probe is fed to a control unit 8, which in particular controls injection valves 9 and / or a throttle valve 10. Since the exhaust gas run length is short in the control section belonging to the first control loop, fast, stable control can be achieved with little effort. To control or regulate the exhaust system, the control unit 8 comprises an exhaust gas control device.
In Figur 3 ist eine der Sensorkonfiguration C in der Figur 1 entsprechende Prinzipdarstellung der Führungsregelung für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor dargestellt. Entsprechende Baugruppen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figur 2. Da der erste Sauerstoffsensor 5 stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 angeordnet ist, ergibt sich eine erhöhte Trägheit der Regelstrecke des ersten Regelkreises und damit eine geringere Stabilität. Im Unterschied zur aus dem Stand der Technik bekannten Führungsregelung ist auch durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 ein Beitrag zur Trägheit der Regelstrecke gegeben. Erfindungsgemäß wird das Volumen der Vorkatalysatoreinnchtung zur Reduzierung der Tätigkeit der Regelstrecke und zur Erreichung einer vorgegebenen Stabilitätsgrenze der Gemischregelung begrenzt. Vorzugsweise wird das relative Volumen der Vorkatalysatoreinnchtung 3 auf einen Wert zwischen 0,7 und 0,3 des Motorhubraums begrenzt. Besonders bevorzugt sind Werte von 0,6, 0,45 und 0,35 für das relative Volumen.FIG. 3 shows a basic illustration of the guidance control for an internal combustion engine according to the invention, corresponding to sensor configuration C in FIG. Corresponding modules are provided with the same reference numerals as in FIG. 2. Since the first oxygen sensor 5 is arranged downstream of the pre-catalyst device 3, there is an increased inertia of the controlled system of the first control circuit and thus a lower stability. In contrast to the control system known from the prior art, the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 also contributes to the inertia of the controlled system. According to the invention, the volume of the pre-catalyst device is limited to reduce the activity of the controlled system and to achieve a predetermined stability limit of the mixture control. The relative volume of the pre-catalyst device 3 is preferably limited to a value between 0.7 and 0.3 of the engine displacement. Values of 0.6, 0.45 and 0.35 for the relative volume are particularly preferred.
Zusätzlich oder alternativ wird zur Erreichung einer vorgegebenen Stabilitätsgrenze der Gemischregelung eine maximale volumenunabhängige Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 gewählt. Vorzugsweise wird die maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit auf einen Wert zwischen 2,1 Gramm und 0,4 Gramm begrenzt. Besonders bevorzugt sind Werte von 2 Gramm, 1 Gramm und 0,5 Gramm Sauerstoff. Bevorzugt sind derartige Werte vor allem für eine Vorkatalysatoreinnchtung 3, die 4 Stunden bei 600 Grad Celsius und einem Lambda-Wert = 0,98 konditioniert wurde. Umfasst die Vorkatalysatoreinnchtung 3 mehrere Katalysatoren, so gelten die entsprechenden Maximalwerte für die Gesamtheit der Katalysatoren, d.h. für das gesamte Katalysatorvolumen bzw. die gesamte Sauerstoffspeicherfähigkeit der Einzelkatalysatoren.Additionally or alternatively, a maximum volume-independent oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 is selected to achieve a predetermined stability limit of the mixture control. The maximum oxygen storage capacity is preferably limited to a value between 2.1 grams and 0.4 grams. Values of 2 grams, 1 gram and 0.5 grams of oxygen are particularly preferred. Such values are preferred, in particular, for a pre-catalyst device 3 which has been conditioned for 4 hours at 600 degrees Celsius and a lambda value = 0.98. If the pre-catalyst device 3 comprises several catalysts, the corresponding maximum values apply to the totality of the catalysts, i.e. for the entire catalyst volume or the total oxygen storage capacity of the individual catalysts.
Unabhängig von einer Begrenzung des relativen Volumens oder der maximalen Sauerstoffspeicherfähigkeit einer Vorkatalysatoreinnchtung 3 kann in stöchio- metrisch gefahrenen Betriebszuständen ohne große Last- und Drehzahlschwankungen erwartet werden, dass die Regeleingriffe über den ersten Sauerstoffsensor nur gering sind und der in der Vorkatalysatoreinnchtung 3 gespeicherte Sauerstoff nur geringfügig be- und entladen wird. In derartigen Betriebszuständen kann, wie im Stand der Technik bekannt, eine stetige Lambda-Regelung über eine der Hauptkatalysatoreinrichtung 5 nachgeschaltete Sonde 6 erfolgen. In dynamischen Betriebszuständen, etwa einer Anfahrphase, können bei einem Sauerstoffsensor, der wie im Stand der Technik stromauf des Vorkatalysators angeordnet ist, einfache Strategien zur Gemischregelung eingesetzt werden. Dabei wird eine Abweichung zwischen einem Ist- und einem Soll-Lambdawert in einen ggf. gefilterten Regeleingriff umgesetzt. In Figur 4 ist für ein derartiges System mit einer geringen Trägheit der Regelstrecke eine derartige Regelstrategie veranschaulicht. Die obere Kurve zeigt einen vor einem Vorkatalysator gemessenen Lambda-Wert, während die untere Kurve einen Regeleingriff in Abhängigkeit von der Abweichung von dem Soll-Wert beschreibt. Ein positiver Regeleingriff führt zu einer Anfettung, ein negativer Regeleingriff zu einer Abmagerung des Abgases. Zu einem Zeitpunkt TO beginnt ein Anfahrvorgang mit einer resultierenden Anfettung des Abgases. Zu dem Zeitpunkt T1 greift die Kraftstoffregelungsvorrichtung durch einen ausmagernden Regeleingriff erstmalig ein, da eine zu hohe Abweichung des Ist-Lambdawerts von dem Soll-Lambdawert über einen zu langen Zeitraum vorliegt. Zu dem Zeitpunkt T2 wird der Regeleingriff verstärkt, da keine Tendenz zum Ausmagern des Abgases erkennbar ist. Erst zu dem späteren Zeitpunkt T3 nimmt die gemessene Anfettung des Abgases ab, so dass der Eingriff des Reglers zurückgenommen werden kann. Zu dem Zeitpunkt T4 wird der Regeleingriff beendet, da Ist-Lambdawert und Soll-Lambdawert übereinstimmen.Regardless of a limitation of the relative volume or the maximum oxygen storage capacity of a pre-catalytic converter 3, it can be expected in stoichiometrically operated operating states without large load and speed fluctuations that the control interventions via the first oxygen sensor are only slight and the oxygen stored in the pre-catalytic converter 3 only marginally is loaded and unloaded. In such operating states, as is known in the prior art, a constant lambda control can take place via a probe 6 connected downstream of the main catalyst device 5. In dynamic operating states, such as a start-up phase, simple strategies for mixture control can be used with an oxygen sensor, which is arranged upstream of the pre-catalyst, as in the prior art. A deviation between an actual and a target lambda value is converted into a possibly filtered control intervention. Such a control strategy is illustrated in FIG. 4 for such a system with a low inertia of the controlled system. The upper curve shows a lambda value measured in front of a pre-catalytic converter, while the lower curve describes a control intervention depending on the deviation from the target value. A positive control intervention leads to an enrichment, a negative control intervention leads to a leaner exhaust gas. At a time TO, a starting process begins with a resulting enrichment of the exhaust gas. At time T1, the fuel control device intervenes for the first time through a lean-out control intervention, since there is an excessive deviation of the actual lambda value from the target lambda value over an excessively long period of time. At the point in time T2, the control intervention is intensified since there is no discernible tendency to lean the exhaust gas. Only at the later point in time T3 does the measured enrichment of the exhaust gas decrease, so that the intervention of the controller can be withdrawn. At the time T4, the control intervention is ended because the actual lambda value and the target lambda value match.
In Figur 5 ist ein vergleichbares Szenario bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 1 mit einem stromauf einer Vorkatalysatoreinnchtung 3 angeordneten Sauerstoffsensor 5 dargestellt. Der bei dieser Sensorkonfiguration messbare Lambda-Wert stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 ist als stark gezeichnete Kurve, der nicht messbare Lambda-Wert stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung 3 als dünn gezeichnete Kurve dargestellt. Wiederum zu dem Zeitpunkt TO beginnt eine Anfahrphase, mit der eine längere Anfettung des Lambda-Werts stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung einhergeht, die mit einer Verzögerung erst zu einem Zeitpunkt T1 zu einem Regeleingriff führt. Allerdings ist hier der Regelkreis nicht auf die verlängerte Abgaslaufzeit und die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 abgestimmt, so dass der Regler zunächst zu schwach eingreift und anschließend auf das verzögerte Folgen des stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 gemessenen Lambda-Werts mit vergrößerten Regeleingriffen reagiert, durch die das System zum Schwingen gebracht wird. Erst zu einem Zeitpunkt T2 sind diese Schwingungen ausgeregelt. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung dieses keine günstige Abgasqualität zu erwarten lassenden Verhaltens die verlängerte Abgaslaufzeit und die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 in der Form des Regeleingriffs berücksichtigt. Erfindungsgemäß wird der Regeleingriff in Form einer abklingenden Anfettung bzw. Ausmagerung des Abgases dargestellt. Dabei sind zeitlich Maximalwert und Abklinggeschwindigkeit abhängig von der Größe der gemessenen Lambdawert-Abweichung, d.h. der Differenz zwischen einem Lambda-Sollwert und einem aus dem Sauerstoffsignal des ersten Sauerstoffsensors ermittelten Ist-Lamb- dawertes. Ferner besteht eine Abhängigkeit von der Ausmagerungs- bzw. Anfet- tungsgeschwindigkeit des stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 gemessenen Abgases, dem Motorbetriebspunkt, insbesondere dem Abgasmassenstrom und einer Abgasrückführrate sowie von Parametern wie der Abgas- bzw. Katalysatortemperatur und der jeweiligen Sauerstoffspeicherfähigkeit der Katalysatoreinrichtung 3. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit kann modelliert oder gemäß einem weiter unten beschriebenen Verfahren ermittelt werden. Damit verbleibt auch im dynamischen Betrieb weitestgehend eine gewisse Sauerstoffmasse in der Vorkatalysatoreinnchtung 3 und kompensiert die Pufferung der Regelstrecke durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Kataiysatoreinhchtung.FIG. 5 shows a comparable scenario in an internal combustion engine 1 according to the invention with an oxygen sensor 5 arranged upstream of a pre-catalyst device 3. The lambda value that can be measured in this sensor configuration downstream of the pre-catalyst device 3 is shown as a strongly drawn curve, the non-measurable lambda value upstream of the pre-catalyst device 3 as a thinly drawn curve. Again at the time TO, a start-up phase begins, which is accompanied by a longer enrichment of the lambda value upstream of the pre-catalyst device, which leads to a control intervention only at a time T1. However, the control loop here is not matched to the extended exhaust gas runtime and the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3, so that the controller intervenes too weakly and then reacts to the delayed consequences of the lambda value measured downstream of the pre-catalyst device 3 with increased control interventions by which the system is made to vibrate. These vibrations are only corrected at a time T2. According to the invention, the extended exhaust gas runtime and the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 are taken into account in the form of the control intervention in order to avoid this behavior, which does not allow a favorable exhaust gas quality to be expected. According to the invention, the control intervention is shown in the form of a decreasing enrichment or emaciation of the exhaust gas. The maximum value and decay rate are dependent on the size of the measured lambda value deviation, ie the difference between a lambda setpoint and an actual lambda value determined from the oxygen signal of the first oxygen sensor. There is also a dependency on the leaning or enrichment speed of the exhaust gas measured downstream of the pre-catalyst device 3, the engine operating point, in particular the exhaust gas mass flow and an exhaust gas recirculation rate, and on parameters such as the exhaust gas or catalyst temperature and the respective oxygen storage capacity of the catalyst device 3. The oxygen storage capacity can be modeled or determined according to a method described below. Thus, even in dynamic operation, a certain amount of oxygen remains in the pre-catalyst device 3 and compensates for the buffering of the controlled system by the oxygen storage capacity of the catalyst device.
In Figur 6 ist ein zu Figur 5 analoges Szenario veranschaulicht. Die Kurvenbezeichnung ist die gleiche wie in Figur 4, allerdings ist der Regeleingriff entsprechend dem Vorerwähnten modifiziert. Wenn ab einem Zeitpunkt TO eine Gemischanfettung erfolgt, so führt dies stromab der Vorkatalysatoreinnchtung zunächst zu keiner Veränderung des Lambda-Werts des Abgases, da die Anfettung durch eine Sauerstoffabgabe aufgrund des gespeicherten Sauerstoffs abgepuffert wird. Allerdings zeigt der Lambda-Wert des Abgases stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung bereits unmittelbar nach dem Zeitpunkt TO eine Abweichung. Stromab der Vorkatalysatoreinnchtung wird ab dem Zeitpunkt T1 eine Anfettung gemessen und erfindungsgemäß zu dem Zeitpunkt T2 der Lambda-Wert um einen vorgegebenen Betrag in Richtung Mager vertrimmt. Die Größe dieses Betrages ist vorzugsweise von der Ausmagerungsgeschwindigkeit des Abgases im Zeitintervall T1 bis T2 abhängig gewählt. Anschließend wird mit einer vorgebbaren Ausmagerungsgeschwindigkeit, bei der der Motorbetriebspunkt, der Abgasmassenstrom, die Katalysatortemperatur und/oder die erkannte Sauerstoffspeicherfähigkeit berücksichtigt wird, das Abgas so lange weiter ausgemagert, bis eine maximale Abweichung vom Soll-Wert am Sauerstoffsensor zum Zeitpunkt T4 gemessen wird. Gegenüber der gemessenen Ausmagerungsgeschwindigkeit ist die Abklinggeschwindigkeit der Ausmagerung langsamer, linear oder degressiv.A scenario analogous to FIG. 5 is illustrated in FIG. The curve designation is the same as in FIG. 4, however the control intervention is modified in accordance with the above. If mixture enrichment takes place from a point in time TO, this does not initially lead to any change in the lambda value of the exhaust gas downstream of the pre-catalyst device, since the enrichment is buffered by an oxygen release due to the stored oxygen. However, the lambda value of the exhaust gas upstream of the pre-catalyst device shows a deviation immediately after the time TO. Downstream of the pre-catalyst device, a richness is measured from time T1 and, according to the invention, at time T2 the lambda value is trimmed towards the lean by a predetermined amount. The size of this amount is preferably selected as a function of the exhaust gas leaning rate in the time interval T1 to T2. Then, with a predeterminable leaning rate, at which the engine operating point, the exhaust gas mass flow, the catalyst temperature and / or the recognized oxygen storage capacity is taken into account, the exhaust gas continues to be leaned out until a maximum deviation from the target value is measured at the oxygen sensor at time T4. Compared to the measured thinning rate, the decay rate of thinning is slower, linear or degressive.
In Figur 7 ist ein Szenario veranschaulicht, bei dem während des Abklingens der Ausmagerung des Regeleingriffs stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 mageres Abgas gemessen wird. In diesem Fall wird zum Zeitpunkt T6 die Ausmagerung abgebrochen und durch eine abklingende Anfettung ersetzt. In Figur 8 ist ein Szenario veranschaulicht, bei dem während des Abklingens eines ausmagernden Regeleingriffs der gemessene Lambda-Wert stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 nur unzureichend oder gar nicht in Richtung mager läuft. In diesem Fall wird mit einem konstanten mageren Regeleingriff die Ausmagerung des Abgases so lange fortgesetzt, bis zu dem Zeitpunkt T7 der gemessene Lambda-Wert eine vorgegebene Abweichschwelle zum Sollwert-Lambda unterschreitet. Nach dem Zeitpunkt T7 wird der Ausmagerungsregeleingriff zurückgenommen. Der Lambda-Wert vorab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 geht von dem Zeitpunkt T8 auf den Sollwert zurück. Zum Zeitpunkt T9 ist der Regeleingriff beendet.FIG. 7 illustrates a scenario in which lean exhaust gas is measured 3 as the lean out of the control intervention downstream of the pre-catalyst device 3. In this case, the emaciation is discontinued at time T6 and replaced by a fading enrichment. FIG. 8 illustrates a scenario in which the measured lambda value downstream of the pre-catalytic converter device 3 runs insufficiently or not at all in the lean direction during the decay of a lean-out control intervention. In this case, the leaning of the exhaust gas is continued with a constant lean control intervention until the measured lambda value falls below a predetermined deviation threshold from the setpoint lambda by the time T7. After time T7, the lean-out rule intervention is withdrawn. The lambda value in advance of the pre-catalyst device 3 goes back from the time T8 to the desired value. The control intervention is ended at time T9.
Da der Magerdurchbruch auf eine verminderte Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 deutet, kann die in die Form des Regeleingriffs eingehende Sauerstoffspeicherfähigkeit um einen von dem Zeitpunkt und der Höhe des Magerdurchbruchs abhängigen Betrag zurückgenommen werden und bei folgenden Regeleingriffen verwendet werden. Ferner ist generell davon auszugehen, dass mit einer verringerten Sauerstoffspeicherfähigkeit zunehmende Regeleingriffe verbunden sind, da dann die Pufferung durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit sich verringert. Dementsprechend kann aus dem mittleren Betrag des Regeleingriffs eine Änderung der Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 ermittelt werden. Auch aus einer unzureichenden Abmagerung des Abgases kann eine Änderung der Sauerstoffspeicherfähigkeit hergeleitet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung des ersten Sauerstoffsensors stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 erlaubt eine separate Ermittlung eines Schädigungszustandes der Vorkatalysatoreinnchtung 3 ohne zusätzlichen Aufwand an Senso k. Hierzu wird ein berechneter Wert einer Sauerstoffkonzentration stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung 3 mit dem aus dem Signal des ersten Sauerstoffsensors ermittelten Wert verglichen und daraus eine Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt, die in an sich bekannter Weise mit einem Schädigungszustand der Vorkatalysatoreinnchtung korreliert wird. Das Steuergerät 8 umfasst hierzu zweckmäßigerweise eine Diagnosevorrichtung.Since the lean breakthrough indicates a reduced oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3, the oxygen storage capacity entering into the form of the control intervention can be reduced by an amount dependent on the time and the amount of the lean opening and can be used in subsequent control interventions. Furthermore, it can generally be assumed that increasing control interventions are associated with a reduced oxygen storage capacity, since then the buffering due to the oxygen storage capacity is reduced. Accordingly, a change in the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 can be determined from the average amount of the control intervention. A change in the oxygen storage capacity can also be derived from inadequate emaciation of the exhaust gas. The arrangement according to the invention of the first oxygen sensor downstream of the pre-catalytic converter 3 allows a separate determination of a damage state of the pre-catalytic converter 3 without any additional effort for sensors. For this purpose, a calculated value of an oxygen concentration upstream of the pre-catalyst device 3 is compared with the value determined from the signal of the first oxygen sensor and an oxygen storage capacity is determined therefrom, which is correlated in a manner known per se with a damage state of the pre-catalyst device. For this purpose, the control unit 8 expediently comprises a diagnostic device.
Wie an sich ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird zur Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit insbesondere stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung 3 eine Lambdawert-Anregung im Abgas erzeugt und eine zugeordnete Reaktion stromab der Vorkatalysatoreinnchtung erfasst. Im Unterschied zum Stand der Technik, beispielsweise DE 43 389 17 A 1 , wird die Lambdawert-Anregung stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung 3 nicht geregelt, sondern erfolgt gesteuert.As is also known per se from the prior art, a lambda value excitation is generated in the exhaust gas in order to determine an oxygen storage capacity, particularly upstream of the pre-catalyst device 3, and an associated reaction is detected downstream of the pre-catalyst device. In contrast to the prior art, for example DE 43 389 17 A 1, the lambda value excitation upstream of the pre-catalyst device 3 is not regulated, but rather is controlled.
Bevorzugt wird als Lambda-Anregung ein Lambda-Wobble mit vorgegebener Amplitude und Frequenz erzeugt. In Figur 9 sind der gesteuerte Lambda-Wert stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung 3 (gepunktete Linie), der Lambda-Wert stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 bei einer hohen Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung 3 (durchgezogene Linie) und der Lambda-Wert stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 für eine Vorkatalysatoreinnchtung 3 mit einer geringen Sauerstoffspeicherfähigkeit (gestrichelte Linie) dargestellt. Wie in Figur 9 ersichtlich, ist bei einer Vorkatalysatoreinnchtung 3 mit einer geringen Sauerstoffspeicherfähigkeit die zugeordnete Reaktion schneller und der Kurvenverlauf dem anregenden Wobble ähnlicher.A lambda wobble with a predetermined amplitude and frequency is preferably generated as lambda excitation. In FIG. 9, the controlled lambda value upstream of the pre-catalyst device 3 (dotted line), the lambda value downstream of the pre-catalyst device 3 with a high oxygen storage capacity of the pre-catalyst device 3 (solid line) and the lambda value downstream of the pre-catalyst device 3 for a pre-catalyst device 3 shown with a low oxygen storage capacity (dashed line). As can be seen in FIG. 9, in the case of a pre-catalyst device 3 with a low oxygen storage capacity, the assigned reaction is faster and the curve shape is more similar to the stimulating wobble.
In Figur 10 ist eine alternativ oder zusätzlich zu verwendende Methode dargestellt, bei der eine Absenkung der Wobble-Frequenz über einen vorgegebenen Zeitraum erfolgt. Ersichtlich ist, dass die zugeordnete Reaktion stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 bei einer niedrigen Sauerstoffspeicherfähigkeit (gestrichelte Linie) schon bei relativ hohen Wobble-Frequenzen auftritt und die maximale mögliche Amplitude erreichen. Dagegen werden bei einer hohen Sauerstoffspeicherfähigkeit (durchgezogene Linie) zugeordnete Reaktionen erst bei einer relativ niedrigen Wobble-Frequenz erreicht, wobei ihre Amplitude nur langsam zunimmt.An alternative or additional method is shown in FIG. 10, in which the wobble frequency is reduced over a predetermined period of time. It can be seen that the assigned reaction downstream of the pre-catalyst device 3 occurs with a low oxygen storage capacity (dashed line) even at relatively high wobble frequencies and the maximum possible Reach amplitude. In contrast, with a high oxygen storage capacity (solid line), assigned reactions are only achieved at a relatively low wobble frequency, with their amplitude increasing only slowly.
Bei der Ausführungsform des Verfahrens gemäß Figur 11 wird bei konstanter Wobble-Frequenz die Wobble- Amplitude mit der Zeit erhöht. Dabei folgt der Lambda-Wert stromab der Vorkatalysatoreinnchtung 3 bei einer hohen Sauerstoffspeicherfähigkeit verzögert und mit einer relativ geringen Amplitude (durchgezogene Linie), während eine hohe Sauerstoff Speicherf higkeit zu einer schnellen Folgereaktion mit einer relativ hohen Amplitude führt (gestrichelte Linie).In the embodiment of the method according to FIG. 11, the wobble amplitude is increased over time at a constant wobble frequency. The lambda value downstream of the pre-catalytic converter 3 follows with a high oxygen storage capacity with a delay and with a relatively low amplitude (solid line), while a high oxygen storage capacity leads to a rapid subsequent reaction with a relatively high amplitude (dashed line).
Bei allen dargestellten Wobble-Verfahren kann die Variation der Wobble-Parameter stufenlos oder engstufig erfolgen. Ferner kann eine Auswertung von Antwortzeiten des ersten Sauerstoffsensors auf eine Sprunganregung von einem leicht fetten Lambda-Wert, beispielsweise Lambda = 0,96, auf einen leicht mageren Lambda- Wert, beispielsweise Lambda = 1 ,04, oder umgekehrt ausgewertet werden. Eine hohe Sauerstoffspeicherfähigkeit entspricht dabei einer langen Antwortzeit, während eine geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit einer kurzen Antwortzeit entspricht.In all of the wobble processes shown, the wobble parameters can be varied continuously or narrowly. Furthermore, an evaluation of response times of the first oxygen sensor to a jump excitation from a slightly rich lambda value, for example lambda = 0.96, to a slightly lean lambda value, for example lambda = 1, 04, or vice versa, can be evaluated. A high oxygen storage capacity corresponds to a long response time, while a low oxygen storage capacity corresponds to a short response time.
Aus dem Stand der Technik sind bereits auch Verbrennungsmotoren mit Abgassystemen mit mehreren Abgassträngen bekannt, bei denen Sondenpaare stromauf der Vorkatalysatoren jedes Abgasstrangs und ggf. weitere Sondenpaare stromab der Hauptkatalysatoren jedes Abgasstrangs angeordnet sind. In Figur 12A ist eine derartige Sensorkonfiguration für ein zweiflutiges Abgassystem ohne Möglichkeit einer separaten Diagnose des Vorkatalysators dargestellt. In der Figur 12B ist ebenfalls für ein zweiflutiges Abgassystem eine Sensorkonfiguration dargestellt, bei der mittels eines dritten Sondenpaares eine separate Diagnose der Vorkatalysatoren erfolgen kann.Combustion engines with exhaust systems with a plurality of exhaust lines are also known from the prior art, in which pairs of probes are arranged upstream of the precatalysts of each exhaust line and, if appropriate, further pairs of probes downstream of the main catalysts of each exhaust line. FIG. 12A shows such a sensor configuration for a double-flow exhaust system without the possibility of a separate diagnosis of the pre-catalyst. FIG. 12B also shows a sensor configuration for a double-flow exhaust system, in which a separate diagnosis of the pre-catalysts can be carried out by means of a third pair of probes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Abgassysteme einsetzbar, die mehrere Abgasstränge aufweisen. Hierzu ist in Figur 13A eine Sensorkonfiguration bei einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgassystem dargestellt, welches zwei Abgasstränge 12, 13 aufweist. Jeder Abgasstrang 12, 13 weist einen Vorkatalysator 14 und einen stromab des Vorkatalysators 14 angeordneten Hauptkatalysator 15 auf. Stromab jedes Vorkatalysators 14 und stromauf jedes Hauptkatalysators 15 ist ein Sauerstoffsensor 16, 17 angeordnet, so dass stromab der Vorkatalysatoren 14 jeweils ein Sensorpaar angeordnet ist. Stromab jedes Hauptkatalysators 15 ist ebenfalls ein Sensor 17 angeordnet, so dass stromab der Hauptkatalysatoren 15 ebenfalls ein Sensorpaar angeordnet ist. Die Ermittlung eines Schädigungszustandes eines Vorkatalysators kann für jeden Abgasstrang separat durchgeführt werden.The method according to the invention can also be used for exhaust systems which have a plurality of exhaust lines. For this purpose, FIG. 13A shows a sensor configuration in an internal combustion engine 1 with an exhaust system that has two exhaust lines 12, 13. Each exhaust line 12, 13 has a pre-catalyst 14 and a main catalytic converter 15 arranged downstream of the pre-catalytic converter 14. An oxygen sensor 16, 17 is arranged downstream of each pre-catalytic converter 14 and upstream of each main catalytic converter 15, so that a pair of sensors is arranged downstream of the pre-catalytic converters 14. A sensor 17 is also arranged downstream of each main catalytic converter 15, so that a pair of sensors is also arranged downstream of the main catalytic converters 15. The determination of a damage condition of a pre-catalytic converter can be carried out separately for each exhaust line.
In Figur 13B ist eine Sensorkonfiguration für eine Abgasanlage mit einer Abgaszusammenführung 18 stromab der Vorkatalysatoren 14 dargestellt. Stromauf der Abgaszusammenführung 18 und stromab der Vorkatalysatoren 14 sind erste Sauerstoffsensoren 19 angeordnet. Stromab der Abgaszusammenführung 18 ist ein Hauptkatalysator 20 angeordnet. Stromab des Hauptkatalysators 20 wiederum ist ein Sauerstoffsensor 21 angeordnet. Auch in diesem Fall kann eine separate Ermittlung des Schädigungszustandes der einzelnen Vorkatalysatoren 14 erfolgen. Ebenso wie bei den vorher dargestellten Ausführungsbeispielen können hier die Vorkatalysatoren und Hauptkatalysatoren durch Vorkatalysatoreinrichtungen und Hauptkatalysatoreinrichtungen mit mehr als einem Katalysator ersetzt werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Dies gilt ebenso für die eingesetzten Sensoren. FIG. 13B shows a sensor configuration for an exhaust system with an exhaust gas junction 18 downstream of the pre-catalysts 14. First oxygen sensors 19 are arranged upstream of the exhaust gas junction 18 and downstream of the pre-catalysts 14. A main catalytic converter 20 is arranged downstream of the exhaust gas junction 18. An oxygen sensor 21 is in turn arranged downstream of the main catalytic converter 20. In this case too, the damage state of the individual pre-catalysts 14 can be determined separately. As in the exemplary embodiments described above, the pre-catalysts and main catalysts can be replaced by pre-catalyst devices and main catalyst devices with more than one catalyst without leaving the scope of the invention. This also applies to the sensors used.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verbrennungsmotor (1) mit einem Abgassystem, welches eine Vorkatalysatoreinnchtung (3) und eine stromab der Vorkatalysatoreinnchtung (3) angeordnete Hauptkatalysatoreinrichtung (4) aufweist, und mit einer Kraftstoffregelungsvorrichtung (11) zur Gemischregelung in Abhängigkeit von dem Signal von zumindest einem im Abgas angeordneten Sauerstoffsensor, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sauerstoffsensor (5) stromab der Vorkatalysatoreinnchtung (3) und stromauf der Hauptkatalysatoreinrichtung (4) angeordnet ist, dessen Signal der Kraftstoffregelungsvor- hchtung (11) zur Gemischregelung zugeführt wird.1. internal combustion engine (1) with an exhaust system, which has a pre-catalyst device (3) and a downstream of the pre-catalyst device (3) arranged main catalyst device (4), and with a fuel control device (11) for mixture control depending on the signal of at least one in the exhaust gas arranged oxygen sensor, characterized in that a first oxygen sensor (5) is arranged downstream of the pre-catalyst device (3) and upstream of the main catalyst device (4), the signal of which is supplied to the fuel control device (11) for mixture control.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgaskontrollvorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Abgassystems zur Einhaltung vorgegebener Schadstoffemissionsgrenzen in Abhängigkeit vom Signal des ersten Sauerstoffsensors (5) vorgesehen ist.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that an exhaust gas control device for controlling or regulating the exhaust system to comply with predetermined pollutant emission limits as a function of the signal of the first oxygen sensor (5) is provided.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diagnosevorrichtung zur Ermittlung eines Schädigungszustandes der Vorkatalysatoreinnchtung (3) vorgesehen ist, von welcher in Abhängigkeit von dem Signal des ersten Sauerstoffsensors (5) und einem berechneten Wert einer Sauerstoffkonzentration stromauf der Vorkatalysatoreinnchtung (3) eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinnchtung (3) ermittelt und die ermittelte Sauerstoffspeicherfähigkeit mit einem Schädigungszustand der Vorkatalysatoreinnchtung (3) korreliert wird.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that a diagnostic device for determining a damage state of the pre-catalyst device (3) is provided, of which depending on the signal of the first oxygen sensor (5) and a calculated value of an oxygen concentration upstream of the pre-catalyst device ( 3) an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is determined and the determined oxygen storage capacity is correlated with a state of damage of the pre-catalyst device (3).
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Hauptkatalysatoreinrichtung (4) ein Sensor (6), insbesondere eine Sprungantwort-Lambdasonde oder ein NOx-Sensor mit Sauerstoff essreinrichtung, angeordnet ist, dessen Signal der Kraftstoffregelungsvorrichtung (11), der Abgaskontrollvorrichtung und/oder der Diagnosevorrichtung zuführbar ist. 4. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor (6), in particular a step response lambda probe or a NOx sensor with an oxygen measuring device, is arranged downstream of the main catalyst device (4), the signal of the fuel control device (11), can be fed to the exhaust gas control device and / or the diagnostic device.
5. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Abgassystem, welches zumindest eine Vorkatalysatoreinnchtung (3) und zumindest eine stromab der Vorkatalysatoreinnchtung (3) angeordnete Hauptkatalysatoreinrichtung (4) aufweist, und mit einer Kraftstoffregelungsvorrichtung (11) zur Gemischregelung in Abhängigkeit vom Signal eines im Abgas angeordneten Sauerstoffsensors, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sauerstoffsensor (5) stromab der Vorkatalysatoreinnchtung (3) und stromauf der Hauptkatalysatoreinrichtung (4) angeordnet ist, dessen Signal der Kraftstoffregelungsvorrichtung (11) zur Gemischregelung zugeführt wird.5. Method for operating an internal combustion engine (1) with an exhaust system, which has at least one pre-catalyst device (3) and at least one main catalyst device (4) arranged downstream of the pre-catalyst device (3), and with a fuel control device (11) for mixture control as a function of the signal of an oxygen sensor arranged in the exhaust gas, characterized in that a first oxygen sensor (5) is arranged downstream of the pre-catalyst device (3) and upstream of the main catalyst device (4), the signal of which is supplied to the fuel control device (11) for mixture control.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung einer vorgegebenen Stabilitätsgrenze der Gemischregelung das relative Volumen der Vorkatalysatoreinnchtung (3) kleiner als ein vorgegebenes maximales relatives Volumen, jeweils bezogen auf den Motorhubraum, gewählt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that to achieve a predetermined stability limit of the mixture control, the relative volume of the pre-catalyst device (3) is selected to be smaller than a predetermined maximum relative volume, in each case based on the engine displacement.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale relative Volumen in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere bei 0,6, 0,45 oder 0,35, gewählt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the maximum relative volume in a range between 0.3 and 0.7, in particular at 0.6, 0.45 or 0.35, is selected.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung einer vorgegebenen Stabilitätsgrenze der Gemischregelung eine maximale volumenunabhängige Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3), vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2,1 Gramm und 0,4 Gramm, gewählt wird.8. The method according to at least one of claims 5 to 7, characterized in that a maximum volume-independent oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3), preferably in a range between 2.1 grams and 0.4 grams, is selected to achieve a predetermined stability limit of the mixture control ,
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gemischregelung eine Differenz zwischen einem Lambda-Sollwert und einem aus dem Sauerstoffsignal des ersten Sauerstoffsensors ermittelten Ist-Lambda-Wert bestimmt und in Abhängigkeit von dieser Ist-Sollwert-Differenz ein Regeleingriff aus einem additiven und/oder multiplikativen Sofort-Korrekturwert und optional ein anschließend zeitlich abklingender Nach-Korrekturwert gebildet wird.9. The method according to at least one of claims 5 to 8, characterized in that for mixture control a difference between a lambda target value and an actual lambda value determined from the oxygen signal of the first oxygen sensor is determined and as a function of this actual target value difference a control intervention from an additive and / or multiplicative immediate correction value and optionally a post-correction value that subsequently decays is formed.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sofort-Korrekturwert und/oder ggf. der Nach-Korrekturwert in Abhängigkeit von einem Motorbetriebspunkt, einem Abgasmassenstrom, einer Vorkatalysatorein- richtungstemperatur oder einer Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung gewählt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the immediate correction value and / or possibly the post-correction value is selected as a function of an engine operating point, an exhaust gas mass flow, a pre-catalyst device temperature or an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ggf. der Nach-Korrekturwert in Abhängigkeit von der Ist-Sollwert-Differenz gewählt wird.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that, if necessary, the post-correction value is selected as a function of the actual setpoint difference.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Erwartungswert der Ist-Sollwert-Differenz berechnet und dass eine Vorzeichenumkehr des Sofort-Korrekturwerts und ggf. des Nach- Korrekturwerts vorgenommen wird, falls die Ist-Sollwert-Differenz schneller als durch den Erwartungswert bestimmt abnimmt.12. The method according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that an expected value of the actual setpoint difference is calculated and that the sign of the immediate correction value and possibly the post-correction value is reversed if the actual setpoint difference decreases faster than determined by the expected value.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erwartungswert der Ist-Sollwert-Differenz berechnet wird und, falls die Ist-Sollwert-Differenz langsamer als durch den Erwartungswert bestimmt, abnimmt, der Wert von Sofort- und/oder ggf. Nach-Korrekturwert eingefroren wird.13. The method according to at least one of claims 9 to 12, characterized in that an expected value of the actual setpoint difference is calculated and, if the actual setpoint difference decreases more slowly than determined by the expected value, the value of immediate and / or if necessary post-correction value is frozen.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) aus dem zeitlichen Verlauf der Ist-Sollwert-Differenz des Sensorsignals innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ermittelt wird.14. The method according to at least one of claims 9 to 13, characterized in that an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is determined from the time course of the actual setpoint difference of the sensor signal within a predetermined time interval.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Betrag des Regeleingriffs bestimmt und aus diesem eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) ermittelt wird.15. The method according to at least one of claims 9 to 14, characterized in that the average amount of the control intervention is determined and from an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is determined.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung oder Regelung des Abgassystems zur Einhaltung vorgegebener Schadstoffemissionsgrenzen das Signal des ersten Sauerstoffsensors (5) herangezogen wird.16. The method according to at least one of claims 5 to 15, characterized in that the signal of the first oxygen sensor (5) is used to control or regulate the exhaust system to comply with predetermined pollutant emission limits.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung oder Regelung des Abgassystems zur Einhaltung vorgegebener Schadstoffemissionsgrenzen das Signal des ersten Sauerstoffsensors (5) herangezogen wird.17. The method according to at least one of claims 5 to 16, characterized in that the signal of the first oxygen sensor (5) is used to control or regulate the exhaust system to comply with predetermined pollutant emission limits.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkatalysatoreinrichtung (3) zumindest einen 3-Wege- Katalysator umfasst.18. The method according to at least one of claims 5 to 16, characterized in that the pre-catalyst device (3) comprises at least one 3-way catalyst.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkatalysatoreinrichtung (3) zumindest einen Oxidationskatalysator umfasst.19. The method according to at least one of the preceding claims 5 to 18, characterized in that the pre-catalyst device (3) comprises at least one oxidation catalyst.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkatalysatoreinrichtung (4) zumindest einen NOx-Speicherkatalysator umfasst.20. The method according to at least one of the preceding claims 5 to 19, characterized in that the main catalyst device (4) comprises at least one NOx storage catalyst.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkatalysatoreinrichtung (4) zumindest einen 3-Wege-Katalysator umfasst.21. The method according to at least one of the preceding claims 5 to 20, characterized in that the main catalyst device (4) comprises at least one 3-way catalyst.
22. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sauerstoffsensor (5) eine Breitband-Lambdasonde ist. 22. The method according to at least one of claims 5 to 21, characterized in that the first oxygen sensor (5) is a broadband lambda probe.
23. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Sensor stromab des Hauptkatalysators (4) angeordnet ist, dessen Signal zur Gemischregelung oder zur Regelung oder Steuerung des Abgassystems herangezogen wird.23. The method according to at least one of claims 5 to 22, characterized in that at least one second sensor is arranged downstream of the main catalytic converter (4), the signal of which is used for regulating the mixture or for regulating or controlling the exhaust system.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (6) eine Sprungantwort-Lambdasonde ist24. The method according to claim 23, characterized in that the second sensor (6) is a step response lambda probe
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (6) ein NOx-Sensor mit einer Sauerstoffmesseinrichtung ist.25. The method according to claim 23, characterized in that the second sensor (6) is a NOx sensor with an oxygen measuring device.
26. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur separaten Ermittlung eines Schädigungszustandes der Vorkatalysatoreinrichtung (3) in Abhängigkeit von dem Signal des ersten Sauerstoffsensors (5) und einem berechneten Wert einer Sauerstoffkonzentration stromauf der Vorkatalysatoreinrichtung (3) eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) ermittelt und die ermittelte Sauerstoffspeicherfähigkeit mit einem Schädigungszustand der Vorkatalysatoreinrichtung (3) korreliert wird.26. The method according to at least one of claims 5 to 25, characterized in that for separately determining a damage state of the pre-catalyst device (3) depending on the signal of the first oxygen sensor (5) and a calculated value of an oxygen concentration upstream of the pre-catalyst device (3) The oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is determined and the determined oxygen storage capacity is correlated with a damage state of the pre-catalyst device (3).
27. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) stromauf der Vorkatalysatoreinrichtung (3) eine vorgegebene gesteuerte Lambdawert-Anregung im Abgas erfolgt und eine zugeordnete Reaktion im Abgas stromab der Vorkatalysatoreinrichtung (3) mittels des ersten Sauerstoffsensors erfasst wird.27. The method according to at least one of claims 5 to 25, characterized in that for determining an oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) upstream of the pre-catalyst device (3), a predetermined controlled lambda value excitation takes place in the exhaust gas and an associated reaction in the exhaust gas downstream of the pre-catalyst device ( 3) is detected by means of the first oxygen sensor.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda- Anregung durch einen Lambda-Wobble mit vorgegebener Amplitude und Frequenz erzeugt wird, und dass von der zugeordneten Reaktion im Abgas eine Amplitude des Lambda-Werts ermittelt und aus dem Verhältnis der beiden Amplituden die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) berechnet wird. 28. The method according to claim 27, characterized in that the lambda excitation is generated by a lambda wobble with a predetermined amplitude and frequency, and that an amplitude of the lambda value is determined from the assigned reaction in the exhaust gas and from the ratio of the two amplitudes the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is calculated.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Lambdawert-Wobbles stufenlos oder engstufig erhöht wird und die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) in Abhängigkeit von der Amplitude des Sauerstoffsensorsignals bestimmt wird.29. The method according to claim 27, characterized in that the frequency of the lambda value wobble is increased continuously or narrowly and the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3) is determined as a function of the amplitude of the oxygen sensor signal.
30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Lambdawert-Wobbles stufenlos oder engstufig angehoben und von der Amplitudenspitze des Sauerstoffsensors auf die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Vorkatalysatoreinrichtung (3) geschlossen wird.30. The method according to claim 27, characterized in that the amplitude of the lambda value wobble is raised continuously or narrowly and the amplitude peak of the oxygen sensor indicates the oxygen storage capacity of the pre-catalyst device (3).
31. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sprung von einem leicht fetten Lambdawert, insbesondere Lambda = 0,96, auf einen leicht mageren Lambda-Wert, insbesondere Lambda = 1 ,04, durchgeführt wird und dass eine Auswertung der Antwortzeiten des ersten Sauerstoffsensors erfolgt.31. The method according to claim 27, characterized in that a jump from a slightly rich lambda value, in particular lambda = 0.96, to a slightly lean lambda value, in particular lambda = 1, 04, is carried out and that the response times of the first oxygen sensor.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem mehrere Abgasstränge (12, 13) aufweist, und jeder Abgasstrang zumindest eine Vorkatalysatoreinrichtung (14) aufweist, stromab der Vorkatalysatoreinrichtungen (14) zumindest eine Hauptkatalysatoreinrichtung (15, 20) angeordnet ist, dass ggf. eine Abgaszusammenführung (18) stromab der Vorkatalysatoreinrichtungen (14) vorgesehen ist und dass stromab jeder Vorkatalysatoreinrichtung (14) ein erster Sauerstoffsensor (16), ggf. stromauf vor der Abgaszusammenführung (18), vorgesehen ist.32. The method according to any one of claims 5 to 31, characterized in that the exhaust system has a plurality of exhaust lines (12, 13), and each exhaust line has at least one pre-catalyst device (14), at least one main catalyst device (15, 20) downstream of the pre-catalyst devices (14) ) is arranged such that an exhaust gas junction (18) is provided downstream of the pre-catalyst devices (14) and that a first oxygen sensor (16) is provided downstream of each pre-catalyst device (14), possibly upstream of the exhaust gas junction (18).
33. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass stromab jeder Hauptkatalysatoreinrichtung (15, 20) ein Sensor (17, 21), vorzugsweise eine Sprungantwort-Lambdasonde oder ein NOx-Sensor mit Sauerstoffmesseinrichtung, vorgesehen ist. 33. The method according to claim 33, characterized in that a sensor (17, 21), preferably a step response lambda probe or a NOx sensor with an oxygen measuring device, is provided downstream of each main catalyst device (15, 20).
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