WO2002073019A2 - Verfahren zum betrieb von brennkraftmaschinen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to methods for operating internal combustion engines with the features mentioned in the preambles of the independent claims.
  • US Pat. No. 5,329,764 discloses an engine control system for optimizing the conversion efficiency of a catalyst device arranged in the exhaust system of an internal combustion engine, which has a nitrogen oxide (NOX) sensor and a carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) sensor. Both sensors are arranged downstream of the catalyst device. A difference signal is formed from the signals of both sensors, which is fed as a feedback variable to a fuel control device in order to set a desired air / fuel ratio. The difference signal serves as a correction signal for setting the lambda value of the exhaust gas in order to achieve a maximum conversion efficiency of the catalytic converter device.
  • NOX nitrogen oxide
  • CO carbon monoxide
  • HC hydrocarbon
  • DE 195 11 548 A1 also discloses a method for reducing nitrogen in the exhaust gas of an internal combustion engine, in which the content of hydrocarbons, carbon monoxide or nitrogen oxide in the exhaust gas is measured downstream of a nitrogen oxide absorber, and in each case a switch is made from a stoichiometric or enrichment operating phase to a lean operating phase as soon as the hydrocarbon or carbon monoxide content increases above a predetermined level or as soon as the nitrogen oxide content falls below a predetermined level. The system switches from a lean operating phase to a stoichiometric or enrichment operating phase as soon as the measured nitrogen oxide content rises above a predetermined level.
  • EP 090941 and DE 198 31 424 sensors are also known for determining the concentration of constituents of exhaust gases, in particular for determining one or more of the gases NOX, CO, H2 and preferably unsaturated hydrocarbons. These sensors are used to optimize combustion reactions and to detect component malfunctions.
  • the object of the method according to the invention is to enable the operation of an internal combustion engine to be optimized with regard to emission safety and the consumption of fuel.
  • At least one operating parameter of the internal combustion engine is changed as a function of emission values of the exhaust gas to influence the emission values in order to operate an internal combustion engine, for example a gasoline engine which is in particular lean-burn engine or a diesel internal combustion engine.
  • the emission values of at least two pollutant components of the exhaust gas are determined and, if the emission value of a first of the at least two pollutant components exceeds a predetermined maximum threshold value, the value of at least one operating parameter, for example a throttle valve position, exhaust gas recirculation rate, an ignition time, a tumble valve position, an injection time, a boost pressure, and / or a phase position the camshaft or the like, to lower the emission value of the first pollutant component, wherein an increase in the emission value up to a maximum value is permitted at least for the second of the at least two pollutant components.
  • a predetermined maximum threshold value for example a throttle valve position, exhaust gas recirculation rate, an ignition time, a tumble valve position, an injection time, a boost pressure, and / or a phase position the camshaft or the like
  • the emission values of at least two pollutant components of the exhaust gas are determined and if the emission value of a first of the at least two pollutant components has a predetermined value falls below the minimum threshold value, the value of at least one operating parameter, for example a throttle valve position, an exhaust gas recirculation rate, an ignition point, a tumble valve position, an injection point, a boost pressure, and / or a phase position of the camshaft or the like, to increase the emission value of this pollutant component up to at most this threshold value for reducing the emission value is changed at least for the second of the at least two pollutant components.
  • the value of at least one operating parameter for example a throttle valve position, an exhaust gas recirculation rate, an ignition point, a tumble valve position, an injection point, a boost pressure, and / or a phase position of the camshaft or the like
  • An advantage of the method according to the invention according to claims 1 and 2 is the adaptation of the raw emission of an internal combustion engine, that is to say the emission upstream of an exhaust gas aftertreatment system to different operating states. In particular, it can be adapted to different requirements for emission limits.
  • the emission safety of an internal combustion engine operated according to the invention is not achieved or not only achieved by a simple lambda control, but rather measures which are specifically adapted to the internal combustion engine are used. This involves, in particular, an adjustment of a throttle valve position, an exhaust gas recirculation rate, the selection of an ignition timing, the injection point of pre / main / post-injections, an injection pressure, the position of a tumble valve, a boost pressure and / or the position of a phaser Camshaft.
  • the method according to the invention is particularly suitable for improving emission security in lean operating phases in a lean-gasoline engine and in the low-load phases in a diesel engine. According to the invention, a reduction in the hydrocarbon concentration and the nitrogen oxide concentration may be necessary.
  • hydrocarbon is selected as the first pollutant component to be lowered and carbon monoxide as the second pollutant component.
  • the nitrogen oxide emissions are reduced at the expense of the carbon monoxide emissions, an improved emission behavior can be achieved in particular in a conventional gasoline engine, for example under full load.
  • the emission value of carbon monoxide is reduced and an increase in the emission values of nitrogen oxide and / or hydrocarbon is permitted.
  • an adaptation of the raw emission values of at least the first pollutant component to the different conversion efficiency of a catalyst device arranged in an exhaust system of the internal combustion engine is provided. This can improve the overall emission safety of the internal combustion engine.
  • a change in the maximum or minimum threshold value and / or the maximum value of the second pollutant component as a function of the operating temperature of the catalyst device is particularly preferred.
  • Another object of the invention is to improve a constant control of the lambda value of the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • an internal combustion engine with at least one catalytic converter arranged in an exhaust system in which at least one lambda probe is used for the continuous regulation of the lambda value of the exhaust gas the exhaust system is arranged, intended to calibrate the lambda probe to use emission values of the exhaust gas, preferably of nitrogen oxide, hydrocarbon and / or carbon monoxide.
  • the invention is based on the knowledge that the lambda value of the exhaust gas can be determined from the emission values of various pollutant components, since the concentration of each pollutant component in the exhaust gas has a characteristic lambda dependency, which can be stored, for example, in characteristic diagrams.
  • the lambda probe is calibrated using the emission values of the exhaust gas only if, in the case of a lambda probe arranged downstream of a catalytic converter, the catalytic converter has an intended operating temperature, preferably in a temperature range between 200 and 400 degrees Celsius.
  • the lambda value of the exhaust gas is regulated to a value of 1 and an adaptation to this value takes place using the emission values of hydrocarbon and / or carbon monoxide on the one hand and nitrogen oxide on the other. It is taken into account here that when an NOX breakthrough occurs, an actual lambda value> 1 and when a hydrocarbon and / or carbon monoxide breakthrough occurs in the emission, an actual lambda value ⁇ 1 can be concluded.
  • errors in the signal of the broadband lambda probe can be corrected in a simple manner, which are due to aging or poisoning influences or to manufacturing tolerances or the like. It is also possible to compensate for shifts in the probe characteristic caused by certain components of the exhaust gas, for example the so-called fat shift caused by a hydrogen content in the exhaust gas.
  • electrochemical and / or optical sensors can advantageously be used, such as are known per se, for example, from EP 0899563, WO 79/47962, EP 090941 or DE 19831424.
  • optical sensors in particular infrared sensors with a negligibly short T90 time, are preferred, since this enables the emission values of the pollutant components concerned to be determined almost without delay for the practical needs of the invention. It is also particularly preferred to use a sensor for separate measurement of all relevant pollutant components and a sensor for measuring pollutant components and the lambda value of the exhaust gas.
  • FIG 1 shows an internal combustion engine with an associated exhaust system
  • FIG. 2 shows a diagram of the conversion rate of a 3-way catalyst for carbon monoxide and hydrocarbons as a function of the catalyst temperature
  • FIG. 3 shows a block diagram of the signal profiles for the calibration of a lambda probe
  • Figure 4 shows a diagram of the hydrocarbon emission in an internal combustion engine
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine 1, for example a gasoline engine capable of running on gastric gas or a diesel internal combustion engine, with an exhaust system 2 and an engine control unit 3, preferably for operating a motor vehicle.
  • the internal combustion engine 1 has a number of cylinder banks 4 (corresponding components are only provided with a reference number), which a separate exhaust gas path 5 is connected downstream.
  • a pre-catalytic converter 6 and a main catalytic converter 7 are arranged in the exhaust system 2 as catalytic devices.
  • Pre-catalytic converter 6 is preferably designed as a 3-way catalytic converter and main catalytic converter 7 as NOX storage catalytic converter.
  • sensors 8 are arranged in the exhaust gas paths 5, with which the concentration of pollutant components of the exhaust gas of the internal combustion engine 1 guided through the exhaust system 2 can be measured.
  • this can be CO, NO, N02, NH3, SO2, H2S, CH4 and other HC components.
  • a further sensor 8 ′ for measuring pollutant components of the exhaust gas is also arranged upstream of the pre-catalytic converter 6.
  • a further sensor 9 for determining the concentration of pollutants in the exhaust gas is arranged in a region of the exhaust system 2 between the pre-catalyst 6 and the main catalyst 7, downstream of the pre-catalyst 6 and upstream of the main catalyst 7.
  • Another sensor 10 is arranged downstream of the main catalytic converter 7 in the exhaust system 2.
  • the sensors 8, 8 ', 9 and 10 which are only shown schematically in FIG. 1, can be multi-component sensors, each of which is capable of sensing more than one pollutant component in the exhaust gas, or several in the drawing, for simplification, sensors summarized, each measuring different pollutant components separately.
  • Optical multi-component sensors are preferably used for the sensors 8, 8 ', 9 and / or 10, which can determine the absolute concentration of pollutant components in the exhaust gas by means of a spectrographic method known per se.
  • Such sensors work extremely quickly, with measuring times of ⁇ 500 microseconds. The short measuring times enable measuring intervals of, for example, 200 microseconds.
  • such sensors have a sufficiently high physical and chemical stability, in particular as regards the parameters of temperature, pollution and chemical reactions in the exhaust gas.
  • electro-chemical sensors for example based on zirconium dioxide with more than one oxygen pump, can also be used.
  • the sensors used preferably also enable the measurement of the air / fuel ratio lambda.
  • the internal combustion engine 1 has an exhaust gas recirculation device 14 with a controllable valve 15.
  • the engine control unit 3 detects operating parameters of the internal combustion engine 1 in a manner known per se, for example throttle valve position, exhaust gas recirculation rate, ignition timing, injection timing of pre / main post-injections, injection pressure, tumble flap position, boost pressure, phaser of the camshaft, rotational speed, via sensors, not shown. Accelerator pedal position, load, steam travel speed and the like, and can influence these if necessary via actuators (not shown), a cable system 14 or the like being provided for communication between the engine control unit 3 and the sensors or actuators.
  • operating parameters of the internal combustion engine 1 in a manner known per se, for example throttle valve position, exhaust gas recirculation rate, ignition timing, injection timing of pre / main post-injections, injection pressure, tumble flap position, boost pressure, phaser of the camshaft, rotational speed, via sensors, not shown. Accelerator pedal position, load, steam travel speed and the like, and can influence these if necessary via actuators (not shown), a cable system 14 or the like being provided for communication between the
  • the engine control unit 3 comprises a lambda control device for regulating the oxygen concentration in the exhaust gas or the lambda value.
  • the lambda value can be used to influence the raw emission of pollutant components, in particular HC, CO and NOX.
  • NOX storage catalytic converters are mainly used in conventional gasoline engines or as a pre-catalyst during a warm-up phase before a NOX storage catalytic converter has reached the temperature necessary for the storage of NOX in lean-burn gasoline engines. Since these internal combustion engines can always be operated with an excess of air, that is to say a lambda value> 1, they can reduce the NOX emission Although NOX storage catalytic converters are used, special measures such as increased exhaust gas recirculation or the injection of fuel into the exhaust system are required for storage discharge and NOX conversion with a lambda value of ⁇ 1.
  • the method according to the invention can be used both in conventional and lean gasoline engines and in diesel internal combustion engines to optimize the raw emission of pollutant components.
  • the emission value of at least two pollutant components of the exhaust gas is preferably determined with a sensor 8, 8 ′, which is arranged upstream of the catalytic converter device 6. These are preferably CO, CH or NOX components.
  • the engine control unit 3 comprises a control device, to which the signal from the sensors 8, 8 'is fed.
  • the control device which may also be designed as a separate component, has means for comparing the emission values of a first pollutant component with a predetermined maximum threshold value.
  • the control device also has means to form a signal as a function of the comparison value, which signal is fed to further components of the engine control unit 3.
  • the emission value of a second pollutant component is determined and compared with an assigned maximum value. If the emission value of the first pollutant component exceeds the maximum threshold value, an operating parameter is changed in accordance with the assigned signal from engine control unit 3 in order to lower the emission value of this pollutant component.
  • the emission value of the second pollutant component is also monitored to determine whether it remains below the maximum value for this pollutant component.
  • the first pollutant component to be lowered can be, for example, NOX and the second pollutant component HC or CO.
  • the cumulative value of the two pollutant components HC and CO can also be used. Such a reduction in the NOX concentration at the expense of other components is particularly advantageous in a conventional gasoline engine with NOX problems, for example for SULEV vehicles (Super Ultra Low Emission Vehicel).
  • CO can be selected as the pollutant component to be lowered and NOx and / or HC as the second pollutant component.
  • the emission value of a pollutant component is determined and compared with a predetermined minimum threshold value. As soon as the minimum threshold value is undershot, the value of at least one operating parameter is increased to increase the emission value of this pollutant component to at most this threshold value, a reduction in the emission value for a second pollutant component being achieved at the same time.
  • the exhaust gas recirculation rate is changed, for example, to change the emission values of the at least two pollutant components.
  • Increasing the exhaust gas recirculation rate reduces the raw NOX emission of an internal combustion engine in a manner known per se.
  • exhaust gas recirculation rates that are too high lead to increased HC emission values and
  • Diesel engines in addition to increased soot formation. Further preferred operating parameters are the ignition timing and, in the case of internal combustion engines with direct injection, the injection timing of pre-injection, main injection and / or post-injection, and the injection pressure of the fuel. Other operating parameters influencing the emission of pollutants may include the position of a tumble flap, the value of a phaser of camshafts and / or the boost pressure when using a supercharging method.
  • a control or regulation of the lambda value of the exhaust gas which is known per se, is preferably used, in particular using characteristic maps which are stored in the engine control unit 3.
  • characteristic maps which are stored in the engine control unit 3.
  • the position of a throttle valve or the amount of air drawn in can be used as control variables.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the conversion rate of a 3-way catalytic converter for CO and HC emissions as a function of the catalytic converter temperature.
  • the conversion rate only exceeds a limit of 50% from a minimum temperature, the so-called "light-off temperature".
  • the light-off temperature of the catalyst is generally different for different pollutant components, which means that the temperature-dependent temperature differs for the different pollutant components Emission spectrum downstream of the catalyst results.
  • the raw emission spectrum of an internal combustion engine is adapted to the different conversion performance of a downstream catalytic converter at different temperatures. For this purpose, both the pollutant emission values measured downstream of a catalytic converter and modeled values stored in a data memory can be used.
  • the light-off temperature for the pollutant component CO is lower than the pollutant component HC.
  • increasing the CO concentration while lowering the HC concentration in the exhaust gas is an effective way of reducing the total emission of pollutants.
  • the maximum threshold value or the minimum threshold value is changed accordingly depending on the operating temperature of the catalytic converter device.
  • emission values of the exhaust gas are used according to the invention for the calibration of a suitable lambda probe, for example a broadband lambda probe.
  • a suitable lambda probe for example a broadband lambda probe.
  • Such probes are subject to aging processes, poisoning and specimen scatter, for example, which have a falsifying effect on the probe signal.
  • the method according to the invention is explained in more detail with reference to the control system 20 shown in FIG. 3.
  • 21 denotes an internal combustion engine with an exhaust system 22 and an associated catalytic converter 23.
  • a broadband lambda probe 24 is arranged upstream of the catalytic converter 23.
  • multi-component sensors 25, 25 ′ are arranged upstream or downstream of the catalyst device 23.
  • the broadband lambda probe 24 can also be arranged downstream of the catalyst device 23.
  • the signals of the broadband lambda probe 24 are fed to a calibration device 26.
  • the calibration device 26 receives signals from the multi-component sensors 25 and / or 25 ' for evaluation. Since the concentration of pollutant components in the exhaust gas has a characteristic lambda dependency that can be stored, for example, in characteristic maps, a correction value for calibrating the broadband lambda probe 24 can be determined.
  • the emission values determined by the sensors 25, 25 ′ are evaluated with corresponding lambda values, which are supplied by the broadband lambda probe 24, and a correction signal 27 is determined from the evaluation result.
  • the conversion behavior of the catalyst device 23 is generally temperature-dependent, it is expedient to evaluate the emission values of the downstream multi-component sensor 25 ' as a function of the temperature of the catalyst device 23.
  • a temperature sensor 27, which can be arranged as close as possible to the catalyst device 23, or a temperature modeling is provided, the signals of which are fed to the calibration device 26.
  • emission values determined downstream of the catalyst device 23 are only evaluated by the calibration device 26 if the catalyst device 23 has a temperature within a preferred temperature window, in particular above a light-off temperature.
  • the temperature window is preferably in a temperature range between 200 and 400 degrees Celsius.
  • the conversion behavior of the catalytic converter device 23 is known at least above the light-off temperature and can be stored, for example, as a map in the calibration device 26.
  • the emission values measured downstream of the catalytic converter device 23 by means of the sensor 25 ′ can, for example, have increased NOX values which indicate a lambda value> 1, or increased HC / CO or NH3 values can be measured which refer to a lambda Indicate value ⁇ 1.
  • the emission values of the exhaust gas of an internal combustion engine also depend in particular on the details of the combustion process
  • the emission values of at least two pollutant components of the exhaust gas are used according to the invention for diagnosing the operating state of the internal combustion engine.
  • the emission values of at least two pollutant components are determined and compared with, for example, setpoints stored in a memory of the engine control unit 3.
  • the comparison result is used to form a state signal which is characteristic of the operating state of the internal combustion engine, and a lambda value of the exhaust gas is changed as a function of the value of the state signal.
  • the diagnosis preferably relates to the ignition behavior of the Internal combustion engine, in particular to identify carried-over combustion and / or misfiring.
  • misfiring or delayed combustion can be seen, for example, in increased HC emission values of the internal combustion engine.
  • a misfire has a characteristic different peak height and a different envelope of the emission values plotted against time than a delayed or incomplete combustion.
  • the HC emission values increase with such an ignition behavior of the internal combustion engine, the NOX or CO emission values can behave differently, in particular, short-term lower NOX or CO values can occur if the ignition is not carried out or the combustion is delayed.
  • operating parameters for example the exhaust gas recirculation rate
  • the required value of the change in this operating parameter is evaluated and used to form the state signal that characterizes the operating state of the internal combustion engine.
  • the change in the emission value of a further pollutant component as a function of the operating parameter is recorded and taken into account in the formation of the status signal.
  • Combustion problems in particular misfires and / or delayed or incomplete combustion of the fuel, preferably occur in the lean phase of lean-burn internal combustion engines.
  • the lambda value is reduced in the direction of a richer mixture.
  • the speed of the internal combustion engine can also be determined and evaluated according to a further aspect of the invention.
  • the fluctuations in the speed of the internal combustion engine are detected within a predetermined time interval and considered in the • diagnosis.
  • a diagnosis for individual cylinders or at least cylinder banks can be carried out if the raw emission values in each case in a cylinder bank assigned separate exhaust manifolds, as shown in Figure 1, can be determined by separate sensors 8.
  • the status signal can be shown on a display to enable manual intervention by a vehicle driver.
  • a storage of the value of the status signal is also provided, so that the value of the status signal can be evaluated if necessary during service work or repair measures.
  • sensors for the pollutant components CO, NO, NO2, NH3, S02, H2S, CH4 and further HC components are preferably used, which can be detected separately from one another at the same time.
  • the measurement can take place continuously or discontinuously.
  • optical, in particular infrared, sensors are preferably used. These enable very short measuring times, for example less than 500 microseconds and measuring intervals of less than 200 microseconds, for example, and a correspondingly quick and precise evaluation of the respective emission values.
  • the method according to the invention creates a possibility of considerably improving the emission behavior of an internal combustion engine with little additional effort. It is particularly advantageous that the method can be used in the most varied types of internal combustion engines, conventional or lean-burn gasoline engines, diesel internal combustion engines or the like and in combination with various catalyst devices and strategies for reducing the exhaust gas emission values.

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Emissionswerten des Abgases zur Beeinflussung der Emissionswerte verändert wird, ist vorgesehen, dass die Emissionswerte von zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, wie CO, NO, NO2, NH3, SO2, H2S, CH4 oder weitere HC-Komponenten, ermittelt und, wenn der Emissionswert einer ersten Schadstoffkomponenten, einen vorgegebenen maximalen Schwellwert überschreitet, der Wert von einem Betriebsparameter, zur Absenkung des Emissionswertes der ersten Schadstoffkomponente verändert wird, wobei zumindest für die zweite Schadstoffkomponenten eine Erhöhung des Emissionswertes bis zu einem Maximalwert zugelassen wird. Es wird ferner bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer in der Abgasanlage angeordneten Lambda-Sonde, vorgeschlagen, dass zur Kalibrierung der Lambda-Sonde die Emissionswerte von zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, herangezogen werden. Bei einem weiteren Verfahren wird zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine herangezogen wird, vorgeschlagen, dass die Emissionswerte von zwei Schadstoffkomponenten des Abgases ermittelt und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden und dass das Vergleichsergebnis zur Bildung eines für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakteristischen Zustandssignals herangezogen wird.

Description

Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Zur Optimierung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, die Schadstoffemissionswerte des Abgases zu ermitteln und die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den ermittelten Emissionswerten zu verändern, um die Emissionswerte zu verringern. Hierzu ist es üblich, Sensoren in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine anzuordnen, deren Signale einer Motorsteuerung zugeführt werden, die in Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren Betriebsparameter wie beispielsweise die angesaugte Luftmenge, den Zündzeitpunkt, gegebenenfalls eine Abgasruckfuhrrate oder dergleichen beeinflusst. Da die heute üblichen Brennkraftmaschinen aufgrund relativ hoher Rohemissionen von Schadstoffen eine Abgasnachbehandlung mittels Katalysatoreinrichtungen erfordern, sind die erwähnten Sensoren stromabwärts und/oder stromaufwärts der Katalysatoreinrichtungen in der Abgasanlage angeordnet. Für eine differenzierte Erfassung der Schadstoffemissionen ist es in diesem Zusammenhang ferner bekannt, die Emissionswerte verschiedener Schadstoffkomponenten separat zu ermitteln. In diesem Zusammenhang ist aus der US PS-5,329,764 ein Motorkontrollsystem zur Optimierung der Konversionseffizienz einer in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysatoreinrichtung bekannt, die einen Stickoxyd (NOX)-Sensor und einen Kohlenmonoxyd (CO)- und Kohlenwasserstoff (HC)-Sensor aufweist. Beide Sensoren sind stromabwärts der Katalysatoreinrichtung angeordnet. Aus den Signalen beider Sensoren wird ein Differenzsignal gebildet, welches als Feedback- Variable einer Kraftstoffregelvorrichtung zugeführt wird, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis einzustellen. Das Differenzsignal dient dabei als Korrektursignal für die Einstellung des Lambdawertes des Abgases, um eine maximale Konversionseffizienz der Katalysatoreinrichtung zu erreichen. Die mit diesem bekannten System zu erreichende Optimierung des Emissionsverhaltens ist jedoch beschränkt auf einen Bereich um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis, wobei auch dort aufgrund des Einflusses weiterer Größen wie Lecks in der Abgasanlage nur eine ungenaue Korrektur möglich ist.
Aus der DE 195 11 548 A1 ist ferner ein Verfahren zur Stickstoffreduzierung im Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem der Gehalt des Abgases an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyd oder Stickoxyd stromabwärts eines Stickoxydabsorbers gemessen wird, und wobei jeweils von einer stöchiometrischen oder Anreicherungsbetriebsphase auf eine Magerbetriebsphase umgeschaltet wird, sobald der Kohlenwasserstoff- oder Kohlenmonoxydgehalt über ein vorgegebenes Maß ansteigt oder sobald der Stickoxydgehalt unter ein vorgegebenes Maß absinkt. Von einer Magerbetriebsphase wird auf eine stöchiometrische oder Anreicherungsbetriebsphase umgeschaltet, sobald der gemessene Stickoxydgehalt über ein vorgegebenes Maß ansteigt.
Aus den EP 0899563, WO 79/47962, EP 090941 und DE 198 31 424 sind ferner Sensoren zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen von Abgasen, insbesondere zur Bestimmung eines oder mehrerer der Gase NOX, CO, H2 und vorzugsweise ungesättigter Kohlenwasserstoffe, bekannt. Diese Sensoren werden zur Optimierung von Verbrennungsreaktionen und zur Erkennung von Komponenten- Fehlfunktionen eingesetzt.
Aufgabe der erfindungsgemäßen Verfahren ist es, eine Optimierung des Betriebs einer Brennkraftmaschine im Hinblick auf die Emissions-Sicherheit und den Verbrauch an Kraftstoff zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines insbesondere magerlauffähigen Ottomotors oder einer Dieselbrennkraftmaschine, mindestens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Emissionswerten des Abgases zur Beeinflussung der Emissionswerte verändert. Die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, wie CO, NO, N02, NH3, S02, H2S, CH4 und/oder weitere HC-Komponenten werden ermittelt und, wenn der Emissionswert einer ersten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten, einen vorgegebenen maximalen Schwellwert überschreitet, der Wert von mindestens einem Betriebsparameter, beispielsweise eine Drosselklappenstellung, Abgasruckfuhrrate, ein Zündzeitpunkt, eine Tumble- Klappenstellung, ein Einspritzzeitpunkt, ein Ladedruck, und/oder eine Phasenstellung der Nockenwelle oder dergleichen, zur Absenkung des Emissionswertes der ersten Schadstoffkomponente verändert, wobei zumindest für die zweite der mindestens zwei Schadstoffkomponenten eine Erhöhung des Emissionswertes bis zu einem Maximalwert zugelassen wird.
Ferner ist vorgesehen dass die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, wie CO, NO, NO2, NH3, S02, H2S, CH4 und/oder weitere HC-Komponenten, ermittelt werden und, wenn der Emissionswert einer ersten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten einen vorgegebenen minimalen Schwellwert unterschreitet, der Wert von mindestens einem Betriebsparameter, beispielsweise eine Drosselklappenstellung, eine Abgasruckfuhrrate, ein Zündzeitpunkt, eine Tumble - Klappenstellung, ein Einspritzzeitpunkt, ein Ladedruck, und/oder eine Phasenenstellung der Nockenwelle oder dergleichen, zur Erhöhung des Emissionswertes dieser Schadstoffkomponente bis auf höchstens diesen Schwellwert zur Verminderung des Emissionswertes zumindest für die zweite der mindestens zwei Schadstoff komponenten verändert wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 ist die Anpassung der Rohemission einer Brennkraftmaschine, das heißt der Emission vor einem Abgasnachbehandlungssystem an unterschiedliche Betriebszustände. Insbesondere kann eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen an Emissionsbegrenzungen erfolgen. Die Emissions-Sicherheit einer erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine wird dabei nicht oder nicht nur durch eine einfache Lambda-Regelung erreicht, sondern es werden an die Brennkraftmaschine jeweils spezifisch angepaßte Maßnahmen eingesetzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Anpassung einer Drosselklappenstellung, einer Abgasrückführungsrate, die Wahl eines Zündzeitpunktes, des Einspritzpunktes von Vor-/Haupt-/Nacheinspritzungen, eines Einspritzdruckes, der Stellung einer Tumble-Klappe, eines Ladedrucks und/oder der Stellung eines Phasenstellers der Nockenwelle. Damit ist insbesondere auch in der Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine, bei der Abgasnachbehandlungsmaßnahmen vorgesehen sind, eine optimierte Absenkung der Schadstoffemissionen erreichbar. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders für die Verbesserung der Emissionssicherheit in Magerbetriebsphasen bei einem Mager-Otto-Motor und in den Schwachlastphasen bei einem Dieselmotor geeignet. Erfindungsgemäß ist gegebenenfalls vor allem eine Absenkung der Kohlenwasserstoffkonzentration und der Stickoxydkonzentration.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als abzusenkende erste Schadstoffkomponente Kohlenwasserstoff und als zweite Schadstoffkomponente Kohlenmonoxyd gewählt. Hiermit ist es insbesondere möglich, die Emissionssicherheit beim Kaltstart von konventionellen und Mager-Otto-Motoren zu verbessern. Wenn, wie bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, eine Absenkung der Stickoxydemissionen zu Lasten der Kohlenmonoxydemissionen erfolgt, kann insbesondere bei einem konventionellen Otto-Motor, beispielsweise bei Voll-Last, ein verbessertes Emissionsverhalten erreicht werden. Alternativ wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Emissionswert von Kohlenmonoxyd abgesenkt und eine Erhöhung der Emissionswerte von Stickoxyd und/oder Kohlenwasserstoff zugelassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Anpassung der Rohemissionswerte zumindest der ersten Schadstoffkomponente an die unterschiedliche Konversionseffizienz einer in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysatoreinrichtung vorgesehen. Hiermit ist eine Verbesserung der Gesamtemissions-Sicherheit der Brennkraftmaschine erreichbar. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Veränderung des maximalen- bzw. minimalen Schwellwertes und/oder des Maximalwerts der zweiten Schadstoffkomponente in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtung.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Verbesserung einer stetigen Regelung des Lambda-Wertes des Abgases einer Brennkraftmaschine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Danach ist zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer in einer Abgasanlage angeordneten Katalysatoreinrichtung, bei dem zur stetigen Regelung des Lambda-Wertes des Abgases zumindest eine Lambda-Sonde in der Abgasanlage angeordnet ist, vorgesehen zur Kalibrierung der Lambda-Sonde Emissionswerte des Abgases, vorzugsweise von Stickoxyd, Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxyd heranzuziehen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass aus den Emissionswerten verschiedener Schadstoffkomponenten der Lambda-Wert des Abgases ermittelt werden kann, da die Konzentration jeder Schadstoff komponente im Abgas eine charakteristische Lambda-Abhängigkeit aufweist, die beispielsweise in Kennfeldern abgelegt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kallibrierung der Lambda-Sonde unter Heranziehung der Emissionswerte des Abgases nur, wenn bei einer stromabwärts einer Katalysatoreinrichtung angeordneten Lambda -Sonde die Katalysatoreinrichtung eine vorgesehene Betriebstemperatur, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 200 und 400 Grad Celsius aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Lambda-Wert des Abgases auf einen Wert von 1 geregelt und es erfolgt eine Anpassung an diesen Wert unter Heranziehung der Emissionswerte von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxyd einerseits und Stickoxyd andererseits. Hierbei wird berücksichtigt, dass bei Auftreten eines NOX-Durchbruchs ein tatsächlicher Lambda-Wert >1 und bei Auftreten eines Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenmonoxyd-Durchbruchs in der Emission auf einen tatsächlichen Lambda-Wert <1 geschlossen werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf eine einfache Weise Fehler im Signal der Breitband-Lambda-Sonde korrigiert werden, die auf Alterungs- oder Vergiftungseinflüsse oder auf Fertigungstoleranzen oder dergleichen zurückgehen. Ebenso ist es möglich, durch bestimmte Komponenten des Abgases hervorgerufene Verschiebungen der Sondenkennlinie zum Beispiel die durch einen Wasserstoffanteil im Abgas hervorzurufende sogenannte Fettverschiebung zu kompensieren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass auf die Verwendung einer 2-Punkt-Lambda-Sonde für eine genaue Messung des Lambda-Wertes des Abgases im Bereich Lambda = 1 verzichtet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhaft elektro-chemische und/oder optische Sensoren eingesetzt werden, wie sie an sich beispielsweise aus den genannten EP 0899563, W079/47962, EP 090941oder DE 19831424 bekannt sind. Besonders bevorzugt sind hierbei optische Sensoren, insbesondere Infrarot-Sensoren mit einer vernachlässigbar kleinen T90-Zeit, da hiermit eine für die praktischen Bedürfnisse der Erfindung nahezu verzögerungsfreie Ermittlung der Emissionswerte der betreffenden Schadstoffkomponenten möglich ist. Besonders bevorzugt ist auch die Verwendung eines Sensors zur separaten Messung aller betreffenden Schadstoffkomponenten sowie eines Sensors zur Messung von Schadstoffkomponenten und des Lambda-Wertes des Abgases.
Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten Abgasanlage
Figur 2 ein Diagramm der Konvertierungsrate eines 3-Wege-Katalysators für Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur
Figur 3 ein Blockdiagramm der Signalverläufe für die Kalibrierung einer Lambda-Sonde
Figur 4 ein Diagramm der Kohlenwasserstoffemission bei einer Brennkraftmaschine mit
Verbrennungsfehlern.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise ein mage-lauffähiger Ottomotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Abgasanlage 2 und einem Motorsteuergerät 3, vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Anzahl von Zylinderbänken 4 auf (entsprechende Komponenten sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener Abgaspfad 5 nachgeschaltet ist. In der Abgasanlage 2 sind als Katalysatoreinrichtungen ein Vorkatalysator 6 und ein Hauptkatalysator 7 angeordnet. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator 6 als 3-Wege-Katalysator und der Hauptkatalysator 7 als NOX-Speicherkatalysator ausgebildet. Stromabwärts der Zylinderbänke 4 sind in den Abgaspfaden 5 Sensoren 8 angeordnet, mit denen die Konzentration von Schadstoffkomponenten des durch die Abgasanlage 2 geführten Abgases der Brennkraftmaschine 1 gemessen werden können. Beispielsweise können das CO, NO, N02, NH3, SO2, H2S, CH4 sowie weitere HC-Komponenten sein. Stromaufwärts des Vorkatalysators 6 ist zudem ein weiterer Sensor 8' zur Messung von Schadstoffkomponenten des Abgases angeordnet. In einem Bereich der Abgasanlage 2 zwischen dem Vorkatalysator 6 und dem Hauptkatalysator 7, stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7, ist eine weiterer Sensor 9 zur Ermittlung der Konzentration von Schadstoffen im Abgas angeordnet. Ein weiterer Sensor 10 ist stromabwärts des Hauptkatalysators 7 in der Abgasanlage 2 angeordnet. Bei den Sensoren 8, 8', 9 und 10, die in der Figur 1 nur schematisch dargestellt sind, kann es sich um Mehrkomponenten-Sensoren handeln, die jeweils in der Lage sind, mehr als eine Schadstoffkomponente im Abgas zu sensorieren, oder um mehrere in der Zeichnung zur Vereinfachung zusammengefaßte Sensoren, die jeweils verschiedene Schadstoffkomponenten separat messen.
Bevorzugt werden optische Mehrkomponenten-Sensoren für die Sensoren 8, 8', 9 und/oder 10 eingesetzt, die mittels eines an sich bekannten spektrografischen Verfahrens die absolute Konzentration von Schadstoffkomponenten im Abgas bestimmen können. Derartige Sensoren arbeiten extrem schnell, mit Messzeiten « als 500 Mikrosekunden. Die kurzen Messzeiten ermöglichen Messintervalle von beispielsweise 200 Mikrosekunden. Ferner weisen derartige Sensoren eine ausreichend hohe physikalische und chemische Stabilität, insbesondere was die Parameter Temperatur, Verschmutzung und chemische Reaktionen im Abgas angeht, auf. Neben optischen Sensoren kommen jedoch auch elektro-chemische Sensoren, beispielsweise auf Zirkon-Dioxydbasis mit mehr als einer Sauerstoffpumpe, in Betracht. Vorzugsweise ermöglichen die eingesetzten Sensoren neben der Messung der Konzentration von Schadstoffkomponenten auch die Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses Lambda.
Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren sind stromaufwärts des Vorkatalysators 6 und stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 Lambda-Sonden 11 bzw. 12 sowie zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtungen Temperatursensoren 13, 13' vorgesehen. Zur Abgasrückführung weist die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückfuhreinrichtung 14 mit einem steuerbaren Ventil 15 auf.
Das Motorsteuergerät 3 erfaßt in an sich bekannter Weise über nicht dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 1, wie beispielsweise Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt von Vor-/Haupt-Nacheinspritzungen, Einspritzdruck, Tumble- Klappenstellung, Ladedruck, Phasensteller der Nockenwelle, Drehzahl, Fahrpedalstellung, Last, Dampffahrgeschwindigkeit und dergleichen, und kann diese über (nicht dargestellte) Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei zur Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät 3 und den Sensoren bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem 14 oder dergleichen vorgesehen ist.
Insbesondere umfasst das Motorsteuergerät 3 eine Lambda-Regeleinrichtung zur Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. des Lambda-Werts. Über den Lambda-Wert kann auf die Rohemission von Schadstoffkomponenten, insbesondere HC, CO und NOX Einfluss genommen werden.
Ferner hängt die Gesamtemission von Schadstoffen entscheidend vom Lambda-Wert ab, insbesondere, da die Konvertierungsfunktionen von Katalysatoreinrichtungen Lambda-Wert-abhängig sind. Ein NOX-Speicherkatalysator 7 wird üblicherweise in einem Speicherzyklus betrieben, der zumindest einen üblicherweise langsamen Absorptionsmodus und einen schnelleren Regenerationsmodus umfaßt. Die absorptive Speicherung erfolgt aber bei einem Lambda-Wert >1, die Ausspeicherung zu einem späteren Zeitpunkt bei einem Lambda-Wert <1 oder =1. Derartige Speicherkatalysatoren werden daher vorwiegend bei mager-lauffähigen Motoren eingesetzt. Im Unterschied zu derartigen Speicherkatalysatoren werden 3-Wege-Katalysatoren möglichst bei genauer Einhaltung eines Lambda-Werts =1 betrieben. Sie werden dementsprechend überwiegend bei konventionellen Ottomotoren eingesetzt oder als Vorkatalysator während einer Warmlaufphase, bevor ein NOX-Speicherkatalysator die für die Speicherung von NOX notwendige Temperatur erreicht hat, bei mager-lauffähigen Ottomotoren. Da diese Brennkraftmaschinen immer mit einem Luftüberschuß, das heißt einem Lambda-Wert >1 betreibbar sind, können zur Verminderung der NOX-Emission zwar NOX-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden, jedoch sind zur Speicherentladung und zur NOX-Umsetzung bei einem Lambda-Wert <1 besondere Maßnahmen wie eine erhöhte Abgasrückführung oder die Einspritzung von Kraftstoff in die Abgasanlage erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl bei konventionellen und mager-fähigen Otto-Motoren als auch bei Dieselbrennkraftmaschinen zur Optimierung der Rohemission von Schadstoffkomponenten einsetzbar. Dazu wird vorzugsweise mit einem Sensor 8, 8', der stromaufwärts der Katalysatoreinrichtung 6 angeordnet ist, der Emissionswert von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases ermittelt. Vorzugsweise sind dieses CO, CH oder NOX-Komponenten. Das Motorsteuergerät 3 umfasst eine Kontrolleinrichtung, der das Signal der Sensoren 8, 8' zugeführt wird. Die gegebenenfalls auch als separates Bauteil ausgeführte Kontrolleinrichtung weist Mittel auf zum Vergleich der Emissionswerte einer ersten Schadstoffkomponente mit einem vorgegebenen maximalen Schwellwert. Die Kontrolleinrichtung weist ferner Mittel auf, um in Abhängigkeit von dem Vergleichswert ein Signal zu bilden, welches weiteren Komponenten des Motorsteuergeräts 3 zugeführt wird. Ferner wird der Emissionswert einer zweiten Schadstoffkomponente ermittelt und mit einem zugeordneten Maximalwert verglichen. Überschreitet der Emissionswert der ersten Schadstoffkomponente den maximalen Schwellwert, wird entsprechend dem zugeordneten Signal vom Motorsteuergerät 3 ein Betriebsparameter verändert, um den Emissionswert dieser Schadstoff komponente abzusenken. Dabei wird ebenfalls der Emissionswert der zweiten Schadstoffkomponente daraufhin überwacht, ob er unterhalb des Maximalwertes für diese Schadstoffkomponente bleibt. Die abzusenkende erste Schadstoffkomponente kann beispielsweise NOX und die zweite Schadstoffkomponente HC oder CO sein. Ebenso kann auch der kumulierte Wert der zwei Schadstoffkomponenten HC und CO verwendet werden. Eine solche Absenkung der NOX-Konzentration zu Lasten anderer Komponenten ist besonders vorteilhaft bei einem konventionellen Otto-Motor mit NOX- Problemen, beispielsweise für SULEV-Fahrzeuge (Super Ultra Low Emission Vehicel).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als abzusenkende Schadstoffkomponente CO und als zweite Schadstoffkomponente NOx und/oder HC gewählt werden. Dies ist insbesonde bei konventionellen Otto- und agerlauffähigen Otto-Motoren sowie bei Dieselbrennkraftmaschinen mit CO- Problemen bevorzugt. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Emissionswert einer Schadstoffkomponente ermittelt und mit einem vorgegebenen minimalen Schwellwert verglichen. Sobald der minimale Schwellwert unterschritten wird, wird der Wert von mindestens einem Betriebsparameter zur Erhöhung des Emissionswerts dieser Schadstoffkomponente bis auf höchstens diesen Schwellwert verändert, wobei gleichzeitig eine Verminderung des Emissionswerts für eine zweite Schadstoffkomponente erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird zur Veränderung der Emissionswerte der mindestens zwei Schadstoffkomponenten beispielsweise die Abgasruckfuhrrate verändert. Eine Vergrößerung der Abgasruckfuhrrate vermindert in an sich bekannter Weise die NOX- Rohemission einer Brennkraftmaschine. Andererseits führen zu hohe Abgasrückführraten zu erhöhten HC-Emissionswerten und bei
Dieselbrennkraftmaschinen zusätzlich zu verstärkter Rußbildung. Weitere bevorzugte Betriebsparameter sind Zündzeitpunkt sowie bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung Einspritzzeitpunkt von Vor-, Haupt- und/oder Nacheinspritzungen sowie der Einspritzdruck des Kraftstoffs. Weitere die Schadstoffemission beeinflussende Betriebsparameter sind gegebenenfalls die Stellung einer Tumble-Klappe, der Wert eines Phasenstellers von Nockenwellen und/oder der Ladedruck bei Einsatz eines Aufladungsverfahrens.
Bei dem im vorangehenden beschriebenen Regelungsverfahren wird bevorzugt eine an sich bekannte Steuerung oder Regelung des Lambda-Werts des Abgases eingesetzt, insbesondere unter Heranziehung von Kennfeldern, die im Motorregelgerät 3 abgelegt sind. Als Steuergrößen können dabei beispielsweise die Stellung einer Drosselklappe oder die angesaugte Luftmenge verwendet werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Konvertierungsrate eines 3-Wege- Katalysators für CO- und HC-Emissionen in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur. Wie zu erkennen ist, überschreitet die Konvertierungsrate erst ab einer minimalen Temperatur, der sogenannten "light-off-Temperatur" eine Grenze von 50 %. Wie in der Figur 2 zu erkennen ist, ist die light-off-Temperatur des Katalysators für verschiedene Schadstoffkomponenten im allgemeinen unterschiedlich, woraus ein für die verschiedenen Schadstoffkomponenten unterschiedliches temperaturabhängiges Emissionsspektrum stromabwärts des Katalysators resultiert. Erfindungsgemäß wird das Rohemissionsspektrum einer Brennkraftmaschine an die unterschiedliche Konvertierungsleistung einer nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung bei verschiedenen Temperaturen angepaßt Hierzu können sowohl die stromab einer Katalysatoreinrichtung gemessenen Schadstoffemissionswerte als auch in einem Datenspeicher abgelegte modellierte Werte verwendet werden. Bei dem in Figur 2 dargestellten Szenario ist die light-off-Temperatur für die Schadstoffkomponente CO geringer als die Schadstoffkomponente HC. In diesem Fall ist daher eine Anhebung der CO-Konzentration bei gleichzeitiger Absenkung der HC-Konzentration im Abgas eine effektive Möglichkeit zur Reduzierung der Gesamtemission von Schadstoffen. Entsprechend wird der maximale Schwellenwert bzw. der minimale Schwellenwert in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtung verändert.
Zur Verbesserung der stetigen Regelung des Lambda-Werts des Abgases werden erfindungsgemäß Emissionswerte des Abgases zur Kalibrierung einer geeigneten Lambda-Sonde, beispielsweise einer Breitband-Lambda-Sonde herangezogen. Derartige Sonden unterliegen beispielsweise Alterungsprozessen, Vergiftungen und Exemplarstreuungen, die sich verfälschend auf das Sondensignal auswirken. Das erfindungsgemäße Verfahren wird - anhand des in Figur 3 dargestellten Regelungssystems 20 genauer erläutert. In Figur 3 bezeichnet 21 eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage 22 und einer zugeordneten Katalysatoreinrichtung 23. Eine Breitband-Lambda-Sonde 24 ist stromaufwärts der Katalysatoreinrichtung 23 angeordnet. Ferner sind Mehrkomponenten-Sensoren 25, 25' stromaufwärts bzw. stromabwärts der Katalysatoreinrichtung 23 angeordnet. Die Breitband-Lambda-Sonde 24 kann auch stromabwärts der Katalysatoreinrichtung 23 angeordnet sein. Die Signale der Breitband-Lambda-Sonde 24 werden einer Kalibriereinrichtung 26 zugeführt. Ferner erhält die Kallibriereinrichtung 26 Signale der Mehrkomponenten-Sensoren 25 und/oder 25' zur Auswertung. Da die Konzentration von Schadstoffkomponenten im Abgas eine charakteristische Lambda-Abhängigkeit aufweist, die beispielsweise in Kennfeldern abgelegt werden kann, kann ein Korrekturwert zur Kalibrierung der Breitband-Lambda-Sonde 24 bestimmt werden. Hierzu werden die von den Sensoren 25, 25 'ermittelten Emissionswerte mit entsprechenden Lambda-Werten, welche von der Breitband-Lambda-Sonde 24 geliefert werden, ausgewertet und aus dem Auswertungsergebnis ein Korrektursignal 27 ermittelt. Da das Konvertierungsverhalten der Katalysatoreinrichtung 23 im allgemeinen temperaturabhängig ist, ist es zweckmäßig, die Emissionswerte des stromabwärts angeordneten Mehrkomponenten-Sensors 25'in Abhängigkeit von der Temperatur der Katalysatoreinrichtung 23 auszuwerten. Hierzu ist ein Temperatursensor 27, der möglichst nahe der Katalysatoreinrichtung 23 angeordnet sein kann, oder eine Temperaturmodellierung vorgesehen, dessen Signale der Kallibriereinrichtung 26 zugeführt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass stromabwärts der Katalysatoreinrichtung 23 ermittelte Emissionswerte von der Kallibriereinrichtung 26 nur ausgewertet werden, wenn die Katalysatoreinrichtung 23 eine Temperatur innerhalb eines bevorzugten Temperaturfensters aufweist, insbesondere oberhalb einer light-off- Temperatur. Vorzugsweise liegt das Temperaturfenster in einem Temperaturbereich zwischen 200 und 400 Grad Celsius.
Bevorzugt ist eine Kallibrierung der Breitband-Lambda-Sonde 24 im Bereich eines Lambda-Werts =1. In dem Bereich um Lambda = 1 herum ist, beispielsweise bei einem 3-Wege-Katalysator, das Konvertierungsverhalten der Katalysatoreinrichtung 23 zumindest oberhalb der light-off-Temperatur bekannt und kann beispielsweise als Kennfeld in der Kallibriereinrichtung 26 abgelegt sein. Die mittels des Sensors 25'gemessenen Emissionswerte stromabwärts der Katalysatoreinrichtung 23 können beispielsweise erhöhte NOX-Werte aufweisen, die auf einen Lambda-Wert >1 hinweisen, oder es können erhöhte HC/CO- oder NH3-Werte gemessen werden, die auf einen Lambda-Wert <1 hinweisen.
Da die Emissionswerte des Abgases einer Brennkraftmaschine insbesondere auch von den Einzelheiten des Verbrennungsprozesses abhängig sind, werden erfindungsgemäß die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine herangezogen. Hierbei werden die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten ermittelt und mit beispielsweise in einem Speicher des Motorsteugeräts 3 abgelegten Sollwerten verglichen. Das Vergleichsergebnis wird zur Bildung eines für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakteristischen Zustandssignals herangezogen und es wird in Abhängigkeit von dem Wert des Zustandssignals ein Lambda-Wert des Abgases verändert. Dabei bezieht sich die Diagnose bevorzugt auf das Zündverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere, um verschleppte Verbrennungen und/oder Zündaussetzer zu identifizieren.
Wie in der Figur 4 schematisch dargestellt, zeigen sich Zündaussetzer oder verschleppte Verbrennungen beispielsweise in erhöhten HC-Emissionswerten der Brennkraftmaschine. Dabei weist ein Zündaussetzer eine charakteristische andere Peakhöhe sowie eine andere Hüllkurve der gegen die Zeit aufgetragenen Emissionswerte auf, als eine verschleppte oder unvollständige Verbrennung. Während bei einem derartigen Zündverhalten der Brennkraftmaschine die HC-Emissionswerte ansteigen, können sich die NOX- oder CO-Emissionswerte unterschiedlich verhalten, insbesondere können bei nicht erfolgter Zündung oder verschleppter Verbrennung kurzfristige niedrigere NOX- bzw. CO-Werte auftreten.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung werden in Abhängigkeit von dem Vergleichswert Betriebsparameter, beispielsweise die Abgasruckfuhrrate verändert, um den Emissionswert bestimmter Schadstoffkomponenten abzusenken oder zu erhöhen. Dabei wird erfindungsgemäß der erforderliche Wert der Veränderung dieses Betriebsparameters ausgewertet und zur Bildung des den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisierenden Zustandssignals herangezogen. Alternativ oder zusätzlich wird die Veränderung des Emissionswerts einer weiteren Schadstoffkomponente in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter erfaßt und bei der Bildung des Zustandssignals berücksichtigt. Verbrennungsprobleme, insbesondere Fehlzündungen und/oder verschleppte oder unvollständige Verbrennungen des Kraftstoffes treten bevorzugt in der Magerphase bei mager-lauffähigen Brennkraftmaschinen auf. In diesem Fall wird erfindungsgemäß der Lambda-Wert in Richtung auf ein fetteres Gemisch erniedrigt.
Da das Verbrennungsverhalten der Brennkraftmaschine sich auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine auswirkt, kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zusätzlich die Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt und ausgewertet werden. Insbesondere werden die Schwankungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ermittelt und bei der • Diagnose berücksichtigt. Eine für einzelne Zylinder oder zumindest Zylinderbänke selektive Diagnose kann erfolgen, wenn die Rohemissionswerte in den einer Zylinderbank jeweils zugeordneten separaten Abgaskrümmern, wie in Figur 1 dargestellt wird, von separaten Sensoren 8 ermitelt werden.
Das Zustandssignal kann über eine Anzeige dargestellt werden, um ein manuelles Eingreifen eines Fahrzeugführers zu ermöglichen. Optional ist ebenfalls eine Speicherung des Wertes des Zustandssignals vorgesehen, so dass gegebenenfalls bei Service-Arbeiten oder Reparaturmaßnahmen eine Auswertung des Werts des Zustandssignals erfolgen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Sensoren für die Schadstoffkomponenten CO, NO, NO2, NH3, S02, H2S, CH4 sowie weitere HC- Komponenten verwendet, die getrennt voneinander gleichzeitig detektierbar sind. Die Messung kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Die spezifische Funktionsweise der Sensoren ist für die vorstehend beschriebene Erfindung ohne Belang. Jedoch werden bevorzugt optische, insbesondere Infrarot- Sensoren eingesetzt. Diese ermöglichen sehr kurze Messzeiten, beispielsweise von weniger als 500 Mikrosekunden und Messintervalle von beispielsweise weniger als 200 Mikrosekunden und eine entsprechend schnelle und präzise Auswertung der jeweiligen Emissionswerte.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Möglichkeit geschaffen, das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine mit geringem zusätzlichen Aufwand beträchtlich zu verbessern. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren bei den verschiedensten Arten von Brennkraftmaschinen, konventionellen oder magerlauffähigen Otto-Motoren, Dieselbrennkraftmaschinen oder dergleichen und in Kombination mit verschiedenen Katalysatoreinrichtungen und Strategien zur Verminderung der Abgasemissionswerte einsetzbar ist.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines insbesondere magerlauffähigen Ottomotors oder einer Dieselbrennkraftmaschine, bei dem mindestens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Emissionswerten des Abgases zur Beeinflussung der Emissionswerte verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, wie CO, NO, NO2, NH3, SO2, H2S, CH4 und/oder weitere HC-Komponenten, ermittelt und, wenn der Emissionswert einer ersten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten, einen vorgegebenen maximalen Schwellwert überschreitet, der Wert von mindestens einem Betriebsparameter, beispielsweise eine Drosselklappenstellung, einer Abgasruckfuhrrate, ein Zündzeitpunkt, eine Tumble - Klappenstellung, ein Einspritzzeitpunkt, ein Ladedruck, und/oder eine Phasenstellung der Nockenwelle oder dergleichen, zur Absenkung des Emissionswertes der ersten Schadstoffkomponente verändert wind, wobei zumindest für die zweite der mindestens zwei Schadstoffkomponenten eine Erhöhung des Emissionswertes bis zu einem Maximalwert zugelassen wird.
2. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines insbesondere magerlauffähigen Ottomotors oder eine Dieselbrennkraftmaschine, bei dem mindestens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Emissionswerten des Abgases zur Beeinflussung der Emissionswerte verändert wird dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, wie CO, NO, NO2, NH3, SO2, H2S, CH4 und/oder weitere HC-Komponenten, ermittelt werden und, wenn der Emissionswert einer ersten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten einen vorgegebenen minimalen Schwellwert unterschreitet, der Wert von mindestens einem Betriebsparameter, beispielsweise einer Drosselklappenstellung, einer Abgasruckfuhrrate, ein Zündzeitpunkt, eine Tumble-Klappenstellung, ein Einspritzzeitpunkt, ein Ladedruck, und/oder eine Phasenstellung der Nockenwelle oder dergleichen, zur Erhöhung des Emissionswertes dieser Schadstoffkomponente bis auf höchstens diesen Schwellwert zur Verminderung des Emissionswertes zumindest für die zweite der mindestens zwei Schadstoffkomponenten verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission eine Rohemission ist.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schadstoffkomponente Kohlenwasserstoff und als zweite Schadstoffkomponente Stickoxyd und/oder Kohlenmonoxyd gewählt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schadstoff omponente Stickoxyd und als zweite Schadstoffkomponente Kohlenmonoxyd und/oder Kohlenwasserstoff gewählt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schadstoffkomponente Kohlenmonoxyd und als zweite Schadstoffkomponente Stickoxyd und/oder Kohlenwasserstoff gewählt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Schwellwert, der minimale Schwellwert der ersten Schadstoffkomponente und/oder der Maximalwert der zweiten Schadstoffkomponente in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere von der Last, der Drehzahl und/oder der Betriebstemperatur gewählt wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine eine Katalysatoreinrichtung vorgesehen ist, und der maximale- und/oder minimale Schwellwert der ersten Schadstoffkomponente in Abhängigkeit von der Funktion, insbesondere der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtung gewählt wird.
9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer in der Abgasanlage angeordneten Lambda-Sonde, insbesondere einer Breitband - Lambda -Sonde, zur stetigen Regelung des Lambda-Wertes des Abgases, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung der Lambda-Sonde die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten des Abgases, insbesondere Stickoxyd, Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxyd herangezogen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage eine Katalysatoreinrichtung vorgesehen ist und die Kalibrierung der gegebenenfalls stomabwärts der Katalysatoreinrichtung angeordneten Lambda - Sonde in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Katalysatoreinrichtung erfolgt, insbesondere nur dann vorgenommen wird, wenn die Katalysatoreinrichtung eine Betriebstemperatur in einem vorgegebenen Fenster aufweist.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis Lambda durch das Signal einer Lambda-Sonde auf einem Soll-Lambda-Wert = 1 vorgeregelt wird und bei Auftreten eines Stickoxyd - Durchbruchs auf einen tatsächlichen Lambda-Wert >1 und bei Auftreten eines Kohlenwasserstoff- und/ oder Kohlenmonoxyd-Durchbruchs auf einen tatsächlichen Lambda-Wert < 1 des Abgases geschlossen und dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis Lambda so weit in Richtung fett bzw. verschoben wird, bis ein Stickoxyd-Durchbruch und zeitgleich ein Kohlnewasserstoff-und/oder Kohlenmonoxyd-Durchbruch ein Minimum erreichen.
12. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoff komponenten des Abgases ermittelt, mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und das Vergleichsergebnis zur Bildung eines für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakteristischen Zustandssignals herangezogen wird.
13. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoff komponenten des Abgases ermittelt, mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleichswert der Wert von mindestens einem Betriebsparameter verändert wird, um den Emissionswert einer ersten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten abzusenken oder zu erhöhen und dass der erforderliche Wert der Veränderung des mindestens einen Betriebsparameters und/oder einer Veränderung des Emissionswertes eines zweiten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten zur Bildung eines für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakteristischen Zustandssignals herangezogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose sich auf das Zündverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere auf das Auftreten von Fehlzündungen, beispielsweise von verschleppten Verbrennungen und/oder Zündaussetzern bezieht.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl, und/oder Veränderungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt und zusätzlich zur Diagnose herangezogen werden.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Peakhöhe und/oder die Hüllkurvenform der Emissionswerte der zumindest zwei Schadstoffkomponenten bei der Diagnose ausgewertet werden.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswerte Rohemissionswerte sind.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit mehr als einer Zylinderbank und zugeordneten Abgaskrümmern die Diagnose für die einzelnen Zylinderbänke bzw. Abgaskrümmer separat durchgeführt wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Wert des Zustandssignals eine Anzeige und/oder eine Speicherung des Werts des Zustandssignals erfolgt.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysatoreinrichtung zumindest ein 3-Wege- Katalysator, ein Oxydationskatalysator oder ein NOX-Speicherkatalysator vorgesehen ist.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Abgasanlage mit mehreren Abgaspfaden aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die jedem Abgaspfad zugeordneten Emissionswerte separat ermittelt werden.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kumulierten Emissionswerte von mindestens zwei Schadstoffkomponenten ermittelt werden.
24. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Emissionswerte der mindestens zwei Schadstoffkomponenten mindestens ein elektrochemischer Sensor verwendet wird.
25. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Emissionswerte der mindestens zwei Schadstoffkomponenten mindestens ein optischer, vorzugsweise nach dem Prinzip der Reflektionsspektroskopie, besonders bevorzugt im infraroten Lichtbereich arbeitender Sensor verwendet wird.
26. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Emissionswerte der mindestens zwei Schadstoffkomponenten mindestens ein Sensor mit einer Messzeit < 500 Mikrosekunden und/oder Messintervallen < 200 Mikrosekunden eingesetzt wird.
27. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor sowohl zur Ermittlung von Emissionswerten der mindestens zwei Schadstoffkomponenten als auch des Lambda-Wertes des Abgases eingesetzt wird.
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