WO2000076636A1 - KALIBRIERUNG EINES NOx-SENSORS UND REGELUNG EINES VORGESCHALTETEN NOx-SPEICHERKATALYSATORS - Google Patents

KALIBRIERUNG EINES NOx-SENSORS UND REGELUNG EINES VORGESCHALTETEN NOx-SPEICHERKATALYSATORS Download PDF

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Definitions

  • the method relates to the determination of the NOx content of the exhaust gas by means of a NOx sensor and relates in particular to a method for calibrating such a NOx sensor and for controlling and regulating a NOx storage catalytic converter.
  • NOx sensors for determining the NOx content in the exhaust gas of an at least occasionally lean-burn internal combustion engine are known in various forms and do not require any further explanation.
  • Such lean-burn engines usually have a NOx storage catalytic converter in their exhaust tract and a NOx sensor for determining the NOx content of the exhaust gas.
  • knowledge of the NOx content in the exhaust tract behind the NOx storage catalytic converter is necessary in order to be able to determine the point in time at which NOx can no longer be stored in the NOx storage device, i.e. the NOx storage is filled, so that a regeneration phase of the storage is necessary.
  • the system also has an engine control unit that can process the measured NOx signal, among other things.
  • the display accuracy of NOx sensors available today shows a different error measure from the actual actual value of the NOx concentration. These individual inaccuracies in the characteristic curve of the sensor used can lead to errors in the control behavior of the engine control unit. If, for example, the timing of the complete filling of the NOx storage is detected too late due to the sensor inaccuracy, the regeneration is switched on too late, which leads to an increased environmental impact.
  • At least one operating point of the engine at which the NOx concentration after the catalytic converter can be assumed with sufficient accuracy can be used for the partial compensation of at least the offset inaccuracy.
  • the NOx signal measured by the sensor is then corrected using the NOx concentration of this operating point.
  • the following operating point can be used for the NOx storage catalytic converter: In a certain temperature range, for example at approximately 350 ° C., even with a severely damaged or poisoned catalytic converter, at least for a certain time, for example approximately 5-10 seconds, after one previous NOx regeneration when the engine is idling due to the low NOx mass flow, an almost 100% NOx storage can be assumed. In this case the actual value of the NOx concentration is between 0 and 5 ppm and this value of the operating point can be used to correct the NOx sensor.
  • the object of the invention is therefore to create a method for improving the correction specifications of the NOx sensor and for controlling a NOx storage catalytic converter.
  • a corresponding device is also to be created.
  • the present invention relates to a method for determining the NOx concentration of an exhaust gas flow of an internal combustion engine by means of the calibration of a NOx sensor using selected operating points, the minimum of the NOx sensor signal being used as a zero point after regeneration to control the NOx storage catalytic converter. Furthermore, the minimum point is used as the zero point in time for the current storage process in the storage catalytic converter in order to obtain a time correlation between the sensor measurement and the engine operating state. Furthermore, the present invention relates to a lean-burn internal combustion engine with a catalyst located in the exhaust tract and a NOx sensor and an engine control unit, the offset of the characteristic curve of the NOx sensor being calibrated using the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a lean-running
  • Fig. 2 shows the schematic representation of a sensor characteristic
  • Fig. 3 is a schematic representation of the sensor signal as a function of time during the switchover between regeneration and lean operation.
  • Fig. 1 shows schematically a lean-running motor system.
  • a lean-burn internal combustion engine 1 which is controlled by an engine management system 2, has an optional pre-catalytic converter 4 and a catalytic converter with NOx storage function 5 in its exhaust tract 3.
  • a NOx or lambda sensor 6 is arranged behind the catalytic converter 5, which measures the NOx concentration of the exhaust gas and outputs its measurement signal to the engine management system 2 via a line 7.
  • NOx sensors 6 available today have different characteristic curves, and depending on the manufacturer there is a different error measure of the actual actual value of the NOx concentration. These inaccuracies in the characteristic curve of the sensor 6 have, at least in the linear range, several causes and can be subdivided into the accuracy which relates to the offset 8 and the accuracy which relates to the slope 9 (sensitivity).
  • FIG. 2 shows a characteristic curve K of a NOx sensor.
  • the sensor output signal OUT is shown in arbitrary units as a function of the NOx concentration NOx in ppm.
  • the characteristic curve K linear in the region of interest has an offset 8 (intercept) and a slope 9.
  • 3 shows schematically in the form of a sensor signal curve SK the course of the NOx signal OUT as a function of time t, a lean operating phase M following a regeneration phase R being shown.
  • a NOx desorption peak in every NOx regeneration process R in a NOx storage catalytic converter.
  • NH3 is formed in the catalytic converter with increasing regeneration duration. Both lead to an increase in the NOx sensor signal. If the engine is operated lean again (lean phase M in FIG.
  • the catalytic converter stores NOx again, the sensor signal OUT falls, in order to then rise again with increasing loading of the storage catalytic converter and thereby an increasing tendency towards NOx breakthroughs.
  • the exhaust gas run length and the inertia of the sensor can only be taken into account with difficulty, a temporal correlation of the sensor measurement with the engine operating state is only possible to a limited extent.
  • the bottom ie the minimum min of the sensor signal curve SK, which the sensor signal OUT reaches during this process, is therefore assumed and used as the zero point for the current storage process, in particular as the time zero point for controlling the NOx storage catalytic converter.
  • an evaluation of the sensor signal which can lead, for example, to a catalyst regeneration request, is only carried out from this point in time.
  • a NOx concentration of 0 can be assumed for this minimum min, since a predominant storage of the nitrogen oxides in the first seconds of lean operation is assumed. Therefore, the value can then also be used as an operating point or reference value for determining the offset of the NOx sensor.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer Brennkraftmaschine mittels eines durch ausgewählte Betriebspunkte kalibrierten NOx-Sensors, der nach einem NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, wobei als Referenzpunkt zur Kalibrierung das Minimum der Sensorsignalkurve nach der Regenerationsphase verwendet wird. Das Minimum (min) wird auch als Nullpunkt zur Steuerung der Regelung des NOx-Speicherkatalysators verwendet.

Description

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

Claims

PATE N TAN S P R U C H E
1. Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration eines Abgasstromes einer Brennkraftmaschine (1) mittels eines NOx-Sensors (6), wobei der Sensor (6) nach einem NOx-Speicherkatalysator (5) angeordnet ist und mittels mindestens einem ausgewählten Betriebspunkt kalibriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum (min) der Sensorsignalkurve (SK) nach einer Regenerationsphase (R) des Speicherkatalysators (5) als Nullpunkt zur Steuerung der Regelung des NOx-Speicherkatalysators verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum (min) als Referenzpunkt zur Kalibrierung des NOx-Sensors verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übernahme des Nullpunkts (min) als Referenzwert unterbleibt, wenn es in zeitlicher Richtung vor der Bestimmung des Minimums innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne zu Vorgängen kommt, die die Kontinuität der Einlagerung des NOx stören.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß derartige Vorgänge durch eine Schubabschaltungsphase, ein stöchiometrischer oder fetter Motorbetrieb oder eine starke Änderung der Motorlast gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzwert vorübergehend ein vorbestimmter Referenzwert, beispielsweise aus einem Motorkennfeld, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Offset (8) der Kennlinie des NOx-Sensors (6) korrigiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steigung (9) der Kennlinie des NOx-Sensors (6) korrigiert wird.
8. Brennkraftmaschine (1) mit einem sich im Abgastrakt (3) befindlichen NOx- Speicherkatalysator (5) sowie einem NOx-Sensor (6) und einer Motorsteuerungseinheit (2), wobei der NOx-Speicherkatalysator (5) mit dem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche betrieben und gegebenenfalls der NOx-Sensor kalibriert wird.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine magerlauffähig ist.
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