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Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx- Konzentration in einem Gas, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z.B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschicht- Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist in der Veröffentlichung N. Kato et al . , „Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen-leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbarriere zuge- führt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoff-Ionen- Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfindet. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten Meßzelle verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels ei- nes zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms weiter abgesenkt und NOx an einer Meßelektrode zersetzt. Der so erzeugte Sauerstoff wird als Maß für die NOx-Konzentration erfaßt. Der gesamte Meßaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z.B. 430°C gebracht. Der Meßfehler des in dieser Veröffentlichung beschriebenen Meßaufnehmers entspricht einer NOx-Konzentration von 22ppm.
Dieser Meßfehler gilt für den stationären Betrieb, d.h. wenn keine starken Konzentrationsänderungen zu messen sind. Ein Restsauerstoffgehalt in der zweiten Meßzelle, der nicht aus einer Zersetzung von N0X stammt, führt zu diesem Meßfehler,
da der Sauerstoff in der zweiten Meßzelle als Maß für die NOκ-Konzentration genommen wird.
Darüber hinaus ist der Meßfehler des beschriebenen NOλ- Meßaufnehmers stark temperaturabhängig. Dies hat seine Ursache darin, daß die erste Meßzelle mit dem zu messenden Gas über eine Diffusionsbarriere und über eine zweite Diffusionsbarriere mit der zweiten Meßzelle verbunden ist. Die Diffusion durch diese Diffusionsbarrieren ist temperaturabhängig, was zu einem temperaturabhängigen Restsauerstoffgehalt in der zweiten Meßzelle führt. Nach dem Stand der Technik versucht man sich dadurch zu behelfen, daß die Soll-Konzentrationen in den beiden Meßzellen so gewählt werden, daß der zweite Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom zum Einstellen der Sauerstoff- Konzentration in der zweiten Meßzelle auf einen festen Wert geregelt werden kann, an dem größtmögliche Temperaturunabhängigkeit gegeben ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren an- zugeben, mit dem die NOx-Konzentration in einem Gas unter
Verwendung des oben beschriebenen Meßaufnehmers exakter erfaßt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst,
Erfindungsgemäß wird der vom NOx-Meßaufnehmer gelieferte Rohmeßwert mit einem multiplikativen Korrekturwert f und einem additiven Korrekturwert a korrigiert. Beide Korrekturwerte werden aus einem Kennfeld entnommen, das vorzugsweise aus der Prüfstandsvermessung des Meßaufnehmers unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei verschiedenen Temperaturen, NOx- Konzentrationen, NOx-Änderungsraten etc., ermittelt wurde und das mindestens vom zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom abhängt, vorzugsweise zusätzlich von der Temperatur des zu mes- senden Gases und/oder der Temperatur des Meßaufnehmers, da der einen Meßfehler verursachende Restsauerstoffgehalt vom
zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl abhangt. Der verbesserte Meßwert wird dann nach folgender Gleichung erhalten:
NO (verbesserter Meßwert) = f . N0 (Rohmeßwert) + a (I) .
Die Abhängigkeit der Korrekturfaktoren vom Sauerstoff-Ionen- Pumpstrom m der zweiten Meßzelle, der ein Maß für den den Meßfehler verursachenden Restsauerstoffgehalt m der zweiten Meßzelle ist, und vorzugsweise zusatzlich von der Temperatur des Sensors, die ein Maß für die Diffusion durch die Diffusi- onsbarπeren ist, und der Gastemperatur sowie die Auswertung dieser Abhängigkeit zur Korrektur des gemessenen NGv- Rohmeßwertes macht ein Regeln des zweiten Sauerstoff-Ionen- Pumpstromes auf einen konstanten Wert darüber hinaus unnötig.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind m den Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung naher be- schrieben. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchfuhrung des erfmdungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines NOy- Meßaufnehmers .
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Meßaufnehmer wird m der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Bestimmung der NOv-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine 20 verwendet. Der Rohmeßwert des NOx- Meßaufnehmers 24 wird von einer Korrektureinheit 23 nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren korrigiert und der korrigierte Wert dem Betriebssteuergerat 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt. Das Betriebssteuergerat 25 verwendet den korrigierten NCX-Konzentrationsmeßwert zum Ansteuern des Kraftstoffzu-
fuhrsystems 21 der Brennkraftmaschine 20, so daß ein NO- reduzierender oder -speichernder Katalysator 28 optimales Betriebsverhalten zeigt.
Der Meßaufnehmer 1, 24 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Er besteht aus einem Festkörperelektrolyten 2, der von dem zu messenden Abgas umgeben ist. Das Abgas diffundiert durch eine Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird mittels einer ersten Nernstspannung VO zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Dabei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 angeordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt. Beide Elektroden sind herkömmliche Platinelektroden. Der Meß- wert der ersten Nernstspannung VO wird dazu verwendet, eine Stellspannung VpO einzustellen. Die Stellspannung VpO treibt einen ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom IpO durch den Festkörperelektrolyten 2 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6. Der durch eine gestrichelte Linie dar- gestellte Regeleingriff der ersten Nernstspannung VO auf die Stellspannung VpO hat zur Folge, daß der erste Sauerstoff- Ionen-Pumpstrom IpO so geregelt wird, daß in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte erste Sauerstoffkonzentration vorliegt.
Die erste Meßzelle 4 ist mit einer zweiten Meßzelle 8 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der Meßzelle 4 vorhande¬ ne Gas. Die zweite Sauerstoffkonzentration in der zweiten Meßzelle 8 wird wiederum über eine zweite Nernstspannung VI zwischen einer zweiten Elektrode 9, die ebenfalls eine Platinelektrode ist, und der Referenzelektrode 11 gemessen und zur Regelung eines zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms Ipl verwendet. Der zweite Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl aus der er- sten Meßzelle 8 verläuft von der zweiten Elektrode 9 durch den Festkörperelektrolyten 2 zur Außenelektrode 6. Mit Hilfe der zweiten Nernstspannung VI wird der zweite Sauerstoff-
Ionen-Pumpstrom Ipl so geregelt, daß m der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte geringe, zweite Sauerstoffkonzentration vorliegt. Das von den bisherigen Vorgangen in den Meßzellen 4 und 8 nicht betroffene N0X wird nun an der Meßelektrode 10, die katalytisch wirksam ausgestaltet ist, unter Anlegen der Spannung V2 zwischen der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 zersetzt und der freigewordene Sauerstoff durch den Festkorperelektrolyten 2 m einem dritten Sauerstoff- Ionen-Pumpstrom Ip2 zur Referenzelektrode 11 hm gepumpt. Der dritte Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip2 wird bei ausreichend geringem Restsauerstoffgehalt an der Meßelektrode 10 nur von Sauerstofflonen getragen, die aus der Zersetzung von NOx stammen. Der Strom Ip2 ist somit ein Maß für die NO - Konzentration m der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Ab- gas.
Der Restsauerstoffgehalt m der Meßzelle 8 ist idealerweise Null, realerweise jedoch von verschiedenen Betriebsbedingungen des Meßaufnehmers 1 abhangig:
Die Diffusion durch die Diffusionsbameren 3 und 7 ist temperaturabhangig. Dadurch hat der üblicherweise auf einen festen Wert geregelte zweite Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl e nach Temperatur des Meßaufnehmers einen unterschiedlich hohen Restsauerstoffgehalt m der Meßzelle 8 zur Folge.
Weiter ist bei starken NO, -Konzentratlonssprungen die Regelung des ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms IpO nicht in der Lage, die vorbestimmte erste Sauerstoffkonzentration m der ersten Meßzelle 4 sofort einzustellen, was aufgrund der eingeschränkten Regelgeschwmdigkeit für den zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl wiederum einen höheren Restsauerstoffgehalt in der zweiten Meßzelle 8 und somit einen größeren Meßfehler zur Folge hat.
Die Erfindung schafft hier dadurch Abhilfe, daß der vom Meßaufnehmer 1, 24 gelieferte Rohmeßwert m einer Korrekturein-
heit 23 kennfeidabhängig zu einem verbesserten Meßwert korrigiert wird. Diese Korrektur erfolgt unter Verwendung eines multiplikativen Korrekturwertes f und eines additiven Korrekturwertes a nach der eingangs erwähnten Gleichung (I). Die Korrekturwerte f, a sind in der Korrektureinheit 23 in einem Kennfeld vorgesehen, das vom zweiten Sauerstoff-Ionen- Pumpstrom Ipl, von der Temperatur des zu messenden Gases und von der Temperatur des Meßaufnehmers 1 abhängig ist, wobei das Kennfeld aus einer PrüfStandsvermessung eines Meßaufneh- mers 1, 24 stammt und die Temperatur des Meßaufnehmers 1 die Temperatur am Ort der zweiten Meßzelle 8 ist.
Die Temperatur des zu messenden Gases kann im Falle der Brennkraftmaschine 20 über einen Abgastemperaturmeßaufnehmer gemessen oder über ein Temperaturmodell rechnerisch bestimmt werden. Gegebenenfalls können auch Schätzwerte für die tatsächlichen Temperaturen verwendet werden. Sollten die Temperaturen des zu messenden Gases und des Meßaufnehmers meßtechnisch nicht verfügbar sein, hängt das Kennfeld nur vom zwei- ten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl ab. Da die Temperatur des Meßaufnehmers 1 über einen Heizer 13 auf eine konstante Zieltemperatur geregelt werden kann, kann der multiplikative Korrekturwert f und der additive Korrekturwert a auch direkt abhängig vom zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ipl und der Temperatur des zu messenden Gases bestimmt werden und nur dieser Zusammenhang ausgewertet werden.
Die Erfindung erlaubt es weiter, den zweiten Sauerstoff- Ionen-Pumpstrom Ipl freier zu regeln, da das nach dem Stand der Technik erforderliche feste Einregeln eines vorbestimmten Wertes für Ipl aufgrund der Korrektur des Ipl-verursachten Meßfehlers und der Temperaturabhängigkeit nicht mehr erforderlich ist.