WO2003078816A1 - VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG UND REGELUNG DES BETRIEBES EINER BRENNKRAFTMASCHINE MIT REDUZIERTER NOx-EMISSION - Google Patents

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Definitions

  • the control of the operation of an internal combustion engine via the measured NOx emission is also not reliable over a larger control range, because the curve of the NOx measured values, plotted against Lamda, delivers particularly inaccurate measurement results in the so-called rich engine operating range.
  • the curve of the NOx content, plotted against the lambda value runs approximately horizontally in the area of engine grease operation. The grease operation of the engine is always inevitably z. B. then run through when the engine is started or is still cold.
  • the NOx concentration and at the same time the residual oxygen concentration or the lambda value are measured in the exhaust gas flow of the internal combustion engine during the entire operation, that is to say both in the rich mode and in the desired lean mode of the engine.
  • Lamda and NOx at least one engine characteristic curve, which is continuous over the entire engine control range, has been formed and stored as a control characteristic curve, which is used in the event of a control deviation for control intervention in the operation of the internal combustion engine, in particular by changing the ratio of combustion air to fuel gas, particularly with the aim to keep the NOx emission within controlled limits in all operating conditions of the engine.
  • the at least one control characteristic curve that is continuous over the entire engine control range is in each case formed by forming the difference and / or the ratio between the inverted and possibly standardized values determined by the lambda probe and the inverted values determined by the NOx sensor plotted over the lama values.
  • the measured residual oxygen concentration in the exhaust gas is dominant for the control
  • the measured NOx concentration in the exhaust gas is dominant for the control.
  • the difference control characteristic and the ratio control characteristic can also be qualitatively combined into a single representative control characteristic, from each of which a characteristic value of the control electronics is applied.
  • a control device for carrying out the control method is characterized in that both an NOx sensor and a lambda probe are arranged in the exhaust gas duct of the internal combustion engine, both of which are connected via a signal line to the control electronics in which engine characteristics or control characteristics are stored, which by mathematically linking the two measured variables NOx and Lamda.
  • At least one constant control characteristic 22 is stored in the control electronics 21, which is formed in a mathematical combination of the two measured variables NOx and Lamda and is used for control intervention in the operation of the internal combustion engine 10 in such a way that in the event of a control deviation from the control electronics 21 via output signal line 23 A control intervention is carried out on at least one actuator to intervene in the operation of the internal combustion engine, in particular to change the ratio of fuel to combustion air in the mixer 11.
  • the at least one characteristic curve 22, which is continuous over the entire engine control range, can be determined by forming the difference and / or the ratio between the inverted and possibly normalized values determined by the lambda probe 18 and the inverted values determined by the NOx sensor 17, respectively plotted against the lambda values or vice versa, the difference control characteristic curve and / or the ratio control characteristic curve or the only representative control characteristic curve 22 formed therefrom is used as control variable at each working point, eg working point 24, via signal line 25 in the control electronics 21.
  • the above-mentioned difference or ratio characteristic values are plotted on the ordinate and the associated lambda values are plotted on the abscissa.
  • the control according to the invention is able to regulate the internal combustion engine 10 to every working point both in lean operation and in rich operation, and thus controls the NOx emission of the exhaust gas 16 to reduce effectively.
  • the engine control according to the invention manages with the two relatively inexpensive gas sensors 17 and 18.
  • the control electronics 21 can also be connected to further engine characteristics such as engine load, exhaust gas temperature etc. in order to further optimize the control.

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Abstract

Um für eine Brennkraftmaschine (10) eine Überwachung und Regelung zu schaffen, die in der Lage ist, sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb die Brennkraftmaschine auf jeden Arbeitspunkt (24) zuverlässig zu regeln und damit die NOx-Emission wirkungsvoll zu reduzieren, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, im Abgaskanal (16) der Brennkraftmaschine sowohl einen NOx-Sensor (17) als auch eine Lamdasonde (18) anzuordnen, aus beiden Messgrössen NOx-Gehalt und Lamdawert in mathematischer Verknüpfung wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) zu bilden, und bei einer Regelabweichung über eine Regelelektronik (21) einen Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine (10), insbesondere Veränderung des Verhältnisses Brennstoff/Brennluft vorzunehmen.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Überwachung und Regelung des Betriebes einer Brennkraftmaschine mit reduzierter NOx-Emis- sion
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine mit reduzierter NOx-Emission, mit einer Regelelektronik, der von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-NOx-Sensor ein Messsignal zugeführt wird, wobei bei einer Regelabweichung ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas (Lamdawert) erfolgt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen entstehen Abgase mit verschiedenen Schadstoffen, darunter Stickoxide NOx, deren Emissionen unterhalb bestimmter Grenzwerte gehalten werden müssen. Zwecks Minderung der NOx- Emissionen ist es bekannt, im Abgaska- nal der Brennkraftmaschine mittels einer sogenannten Lamdasonde den Restsauerstoffgehalt und damit den das Verhältnis Brennluft zu Brenngas kennzeichnenden Lamdawert zu messen und in einem Bereich zu halten, in dem ein Abgaskatalysator den NOx-Gehalt reduzieren kann. Auch ist es bekannt, in Abhängigkeit des gemessenen Lamdawertes einen Regeleingriff auf den Gemischregler Brennluft/Brenngas der Brennkraftmaschine in der Weise vorzunehmen, dass eine niedrige NOx-Emission resultiert. Aus der DE-C-197 54 354 ist es bei einem Diesel-Gasmotor bekannt, die Motor-Brennraumtemperatur zu messen, die bei jeder Laststufe mit der NOx-Emission korreliert, und in Abhängigkeit dieser Meßgröße einen Regeleingriff auf den Gemischregler in der Weise vorzunehmen, dass die NOx-Emission optimiert ist.
Zwecks Minderung der NOx-Emission einer Brennkraftmaschine ist es aus der DE-A-197 19 278 bekannt, einen Teilstrom des Abgases, das eine Art nicht mehr reagierendes Inertgas darstellt, dem in die Brenn- kaftmaschine einzuführenden Luft-Brenngas-Gemisch zuzumischen und auf diese Weise die Verbrennungstemperatur und damit auch die NOx-Emission abzusenken.
Aus der DE-A-37 21 572 sowie der DE-A-100 11 612 ist es bekannt, im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx anzuordnen, am Ausgang bzw. Eingang dieses Katalysators den NOx-Gehalt zu messen und in dessen Abhängigkeit eine Dosiereinrichtung zur Eindüsung einer bestimmen Menge Ammoniak in den Abgasstrom anzusteuern.
Aus der EP-B- 0 259 382 ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine als sogenannten Magermotor zu betreiben, d.h. bei Lamdawerten deutlich größer 1 ,0, und als Messwertgeber nicht eine Lamdasonde bzw. Sauerstoff-Sonde einzusetzen, sondern als Ersatzmessgröße den Druck des Brenngas-Luft-Gemisches vor den Einlassventilen des Motors anzuwenden.
Weiterhin ist es aus der DE-A-100 04 330 bekannt, im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine die NOx-Konzentration mit einem NOx- Sensor kontinuierlich wertemäßig zu erfassen und in Abhängigkeit dieser Meßgröße einen Regeleingriff auf den Gemischregler zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas vorzunehmen und dabei die NOx-Emission in Grenzen zu halten. Ein solcher Betrieb einer Brennkraftmaschine wäre allerdings nur für einen begrenzten Regelbereich zuverlässig realisierbar, wie nachstehend erläutert wird.
Bei den bekannten Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emission in Abgasen von Brennkraftmaschinen mit Einsatz einer Lamdasonde oder eines NOx-Sensors werden die folgenden Umstände nicht hinreichend berücksichtigt:
Lamdasonden, die den Restsauerstoffgehalt im Abgas messen, sind optimiert für einen Lamdawert = 1 ,0, d. h. für geringe Sauerstoffkonzentrationen. Sie sind nicht zum Messen höherer Sauerstoffkonzentrationen ausgelegt, und sie decken daher nicht den gesamten Regelbereich des Motors ab. Bei den sogenannten Magermotoren, die im Lamdabereich von z. B. größer 1 ,7 betrieben werden, liefert die Lam- dasonde ungenaue Messergebnisse, weil der Steigungswinkel der Kurve des Restsauerstoffgehaltes, aufgetragen über dem Lamdawert, schon sehr klein wird. Andererseits ist die Regelung des Betriebes einer Brennkraftmaschine über die gemessene NOx-Emission ebenfalls nicht über einen größeren Regelbereich zuverlässig, weil der Kurvenverlauf der NOx-Messwerte, aufgetragen über Lamda, besonders ungenaue Messergebnisse im sogenannten fetten Motor-Betriebsbereich liefert. D. h. bei kleinen Lamdawerten verläuft die Kurve des NOx-Gehaltes, aufgetragen über dem Lamdawert, im Bereich des Motor-Fettbetriebes annähernd waagerecht. Der Fettbetrieb des Mo- tors wird aber immer zwangsläufig z. B. dann durchlaufen, wenn der Motor gestartet wird oder noch kalt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Brennkraftmaschine eine Überwachung und Regelung zu schaffen, die in der Lage ist, sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb die Brennkraftmaschine auf jeden Arbeitspunkt zu regeln und damit die NOx-Emission wirkungsvoll zu reduzieren. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig mit einem Regelverfahren mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit einer Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Regelverfahren werden im Abgasstrom der Brennkraftmaschine während des gesamten Betriebes, also sowohl im Fettbetrieb als auch im anzustrebenden Magerbetrieb des Motors, die NOx-Konzentration und gleichzeitig die Restsauerstoffkonzentration bzw. der Lamdawert gemessen. In mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen Lamda und NOx ist wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Motorkennlinie als Regelkennlinie gebildet und gespeichert worden, die bei einer Regelabweichung zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere durch Veränderung des Verhältnisses Brennluft zu Brenngas genutzt wird besonders mit dem Ziel, die NOx-Emission bei allen Be- triebszuständen des Motors in kontrollierten Grenzen zu halten.
Die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie ist nach einem besonderen Merkmal der Erfindung durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde ermittelten invertierten und ggf. normierten Werten und den vom NOx-Sensor ermittelten invertierten Werten, je- weils aufgetragen über den Lamdawerten, entstanden. Im Fettbetrieb des Motors ist für die Regelung die gemessene Restsauerstoffkonzentration im Abgas dominierend, und im Magerbetrieb des Motors ist für die Regelung die gemessene NOx-Konzentration im Abgas dominierend. Die Differenz-Regelkennlinie und die Verhältnis-Regelkenn- linie können qualitativ auch zu einer einzigen repräsentativen Regelkennlinie zusammengefasst sein, aus der jeweils ein Kennwert der Regelelektronik aufgeschaltet wird. Eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur Durchführung des Regelverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal der Brennkraftmaschine sowohl ein NOx-Sensor als auch eine Lamdasonde angeordnet sind, die beide über je eine Signalleitung mit der Regelelektronik verbunden sind, in welcher Motorkennlinien bzw. Regelkennlinien abgespeichert sind, die durch mathematische Verknüpfung der beiden Messgrößen NOx und Lamda entstanden sind.
Die Erfindung und deren weitere Merkmale und Vorteile werden an- hand des in der Zeichnung schematisch ausgeführten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 10, der über einen Mischer 11 , Gemischleitung 12 und Drosselklappe 13 ein Gemisch aus Brennstoff 14 und Luft 15 zugeführt wird. Im Abgaskanal 16 der Brennkraftmaschine 10 ist sowohl ein NOx-Sensor 17 als auch eine Lamdasonde 18 angeordnet, die jeweils durch eine Signalleitung 19 bzw. 20 mit einer programmierbaren Regelelektronik 21 verbunden sind, in welcher während des Betriebes der Brennkraftma- schine 10 ständig Messsignale über den NOx-Gehalt und den Lamdawert bzw. Restsauerstoffgehalt des Abgases eingehen.
In der Regelelektronik 21 ist wenigstens eine stetige Regelkennlime 22 abgespeichert, die in mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen NOx und Lamda gebildet ist und zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 genutzt wird in der Weise, dass bei einer Regelabweichung von der Regelelektronik 21 über Ausgangssignalleitung 23 ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbeson- dere zur Veränderung des Verhältnisses Brennstoff zu Brennluft im Mischer 11 erfolgt. Die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Kennlinie 22 kann durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde 18 ermittelten invertierten und ggf. normierten Werten und den vom NOx-Sensor 17 ermittelten invertierten Werten, jeweils aufgetragen über den Lamdawerten oder umgekehrt, entstanden sein, wobei die Differenz-Regelkennlinie und/oder die Verhältnis-Regelkennlinie oder die daraus gebildete einzige repräsentative Regelkennlinie 22 an jedem Arbeitspunkt, z.B. Arbeitspunkt 24, über Signalleitung 25 in der Regelelektronik 21 als Regelgröße verwendet wird. Bei der beispielhaft aufgezeichneten Kurve der Regelkennlinie 22 sind die o.g. Differenz- bzw. Verhältnis- Kennwerte auf der Ordinate und die zugehörigen Lamdawerte auf der Abszisse aufgetragen.
Bei der erfindungsgemäßen Überwachung und Regelung des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 dominiert bei fettem Brennstoff-Luft- Gemisch, also beim Motorstart bzw. bei kaltem Motor, das von der Lamdasonde 18 gelieferte Messsignal 20, und bei dem mit warmem Motor anzustrebenden Magermotorbetrieb mit Lamdawerten von z.B. größer 1 ,5 dominiert das von dem NOx-Sensor 17 gelieferte Messsignal 19. Jedenfalls ist die erfindungsgemäße Regelung in der Lage, sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb die Brennkraftmaschine 10 auf jeden Arbeitspunkt zu regeln und damit die NOx-Emission des Abgases 16 kontrolliert wirkungsvoll zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Motorregelung kommt im Prinzip mit den beiden relativ preiswerten Gassensoren 17 und 18 aus. Der Regelelektronik 21 können außer den vom NOx-Sensor 17 und der Lamdasonde 18 gelieferten Messgrößen aber auch noch weitere Motorkenndaten wie Motorlast, Abgastemperatur etc. aufgeschaltet werden, um die Regelung weiter zu optimieren.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine (10) mit reduzierter NOx-Emission, mit einer Regelelektronik (21 ), der von einem an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-NOx-Sensor (17) ein Messsignal zugeführt wird, wobei bei einer Regelabweichung ein Regeleingriff auf wenigstens ein Stellglied zum Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Veränderung des Verhältnisses Brennluft (15) zu Brennstoff (14) (Lamdawert) erfolgt, dadurch gekenn- zeichnet , dass im Abgasstrom (16) der Brennkraftmaschine außer dem vom NOx-Sensor (17) gemessenen NOx- Gehalt von einer Lamdasonde (18) der Restsauerstoffgehalt gemessen wird, und dass in mathematischer Verknüpfung der beiden Messgrößen Lamda und NOx wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) gebildet und zum Regeleingriff auf den Betrieb der Brennkraftmaschine (10) genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine über den gesamten Motorregelbereich stetige Regelkennlinie (22) durch Bildung der Differenz und/oder des Verhältnisses zwischen den von der Lamdasonde (18) ermittelten invertierten Werten und den vom NOx-Sensor (17) ermittelten invertierten Werten, jeweils aufgetragen über den Lamdawerten, entstanden ist, wobei die Differenz-Regelkennlinie und/oder die Verhältnis-Regelkennlinie, die beide keinerlei Unstetigkeiten aufweisen, an jedem Arbeitspunkt in der Regelelektronik (21 ) als Regelgröße verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz-Regelkennlinie und die Verhältnis-Regelkennlinie qualitativ zu einer einzigen repräsentativen Regelkennlinie (22) zusammengefasst sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkennlinien (22) in der Regelelektronik (21) abgespeichert und/oder der Regelelektronik über eine Datenschnittstelle aufschaltbar sind.
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten der Abgas-NOx- Konzentration, Abgas-Restsauerstoffkonzentration und aus gemessenen weiteren Motorkenndaten wie Motorlast und Abgastemperatur von einem Mikroprozessor nach einer mathematischen Formel ein Kennwert errechnet und dieser der Regelelektronik (21 ) aufgeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelelektronik (21 ) zu den Messwerten der Konzentration von NOx und Restsauer- stoff/Lamda multiplikativ und/oder additiv Korrekturfaktoren aufgeschaltet werden, die durch Motorkenndaten gebildet sind.
7. Regeleinrichtung zum Überwachen und Regeln des Betriebes einer Brennkraftmaschine (10) mit reduzierter NOx- Emission, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Abgaskanal (16) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten NOx-Sensor (17) und durch eine Lamdasonde (18), die beide über je eine Signalleitung (19 bzw. 20) mit der Regelelektronik (21 ) verbunden sind.
8. Regeleinriöhtun nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelelektronik (21) Motorkennlinien bzw. Regelkennlinien (22) abgespeichert sind, gebildet im wesentlichen aus der Differenz und/oder dem Verhältnis der Messgrößen Restsauerstoff und NOx im Abgas aufgetragen über Lamda.
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