WO2019072730A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in whose exhaust gas system a three-way ⁇ catalyst is arranged with lambda control.
  • a three-way ⁇ catalyst is arranged with lambda control.
  • Such a three-way catalyst can therefore be used only in vehicles with gasoline engine and lambda control.
  • a lambda probe is also used downstream of the three-way catalytic converter to monitor the operation of the catalytic converter.
  • a lambda probe upstream of the three-way catalyst and a lambda probe downstream of the three-way catalyst The lambda control after the catalyst is realized by specifying a setpoint for the voltage signal (binary signal) of the lambda probe. For example, a setpoint of 750 mV with a bandwidth of ⁇ 20 mV is specified. Within this range, the lambda setpoint upstream of the catalytic converter is not affected by the corrected lambda probe downstream of the catalyst. Outside this range, the lambda setpoint upstream of the catalyst is corrected as a function of the voltage difference between the setpoint and the measured value downstream of the three-way catalyst. If the measured value is below the setpoint, the lambda setpoint upstream of the catalytic converter is reduced in the direction of rich. When the reading is above the setpoint, the lambda setpoint upstream of the catalyst is increased in the lean direction.
  • the desired value of the lambda sensor (of the binary sensor), for example, over 750 mV, in order to be able to prevent a NO x breakthrough in a better manner.
  • a voltage change may result in a larger lambda offset, and the accuracy of the lambda value downstream of the three-way catalyst can no longer be guaranteed by the binary voltage value of the probe. This can lead to higher lambda drift in the direction of rich, causing higher HC and CO emissions.
  • the known procedure is therefore subject to inaccuracies.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, with which the emissions of a three-way catalyst can be controlled very precisely.
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type indicated by the following steps: arranging an NO x sensor with integrated lambda probe downstream of the three-way catalytic converter; - Generating a lambda value according to the Dreiwegekata ⁇ lysator reproducing electrical signal with the NO x sensor;
  • NH 3 concentration is lower than the NH 3 setpoint, reducing the lambda setpoint upstream of the three-way ⁇ catalyst.
  • a more important for the emission control lambda setpoint value upstream of a three-way catalyst ⁇ by combined measurement of a lambda value and NH 3 -value or by a NO x sensor with integrated lambda probe downstream of the three-way catalyst is determined. established.
  • the precise definition of this lambda value upstream of the three-way catalyst ⁇ lambda can be maintained after the catalyst in a well-defined range to the NO x - and
  • the inventive method is below a threshold value of the lambda value-representing electrical signal (binary signal) which is placed firmly ⁇ for example, 650 mV, the lambda nominal value upstream of the Dreiwegekata- lysators by the difference between the target value of the electrical signal for the lambda value and the measured Lambda value (binary signal) determined.
  • a threshold value of the corresponding lambda signal (binary signal), ie, Example ⁇ example the 650 mV, is determined from the lambda setpoint value upstream of the Ka talysators j edoch in other ways, namely by using the difference between a NH 3 -Sollwert, of the example as a function of Catalyst temperature is set to 10 ppm, the NO x sensor and the measured NH 3 signal of the
  • the NH 3 amount obtained after the three-way catalyst is therefore used according to the invention for control purposes, since in a rich mixture state H 3 is generated by the three-way catalyst and the NH 3 signal is very sensitive to the lambda value after the three-way catalyst. NH 3 can also be measured with the NO x sensor.
  • the lambda target value before the three-way catalyst is now varied in accordance with the aforementioned difference, namely, the lambda target value before the three-way catalyst is increased lean if the measured NH 3 concentration is higher than the NH 3 target value.
  • the measured NH 3 concentration is lower than the NH 3 setpoint, the lambda setpoint is reduced to rich before the Dreiwegekata ⁇ lysator.
  • the NH 3 is adapted -Sollwert because over the life of the catalyst due to aging the decline NH 3 GENERATION Dreiwe ⁇ atalysators at the same lambda value and the NO x -Durch- break probability may increase.
  • the NH 3 setpoint value can be adapted, for example, in the following way:
  • the set point of the electrical signal is slowly reduced at quasi-static conditions toward a low voltage value from the actual voltage value, and the lambda setpoint before the three-way catalyst is adjusted by the difference between the set point of the electrical signal and the actual signal.
  • the speed of the reduction can be, for example, 40 mV per second in the direction of the low voltage (for example, 400 mV).
  • the NO x signal from the NO x sensor can be measured and continuously reduced to a minimum due to the reduction of the NH 3 concentration and then by the higher
  • Breakdown probability of the NO x concentration can be increased again by the catalyst, wherein the minimum value of the NO x signal for the adaptation and the diagnosis of the three-way catalyst ⁇ can be used.
  • the NH 3 setpoint corresponds to the minimum value and a difference (delta, for example 10 ppm). For a new catalyst, the minimum value should be 0.
  • the catalyst is diagnosed as defective.
  • the offset of the NOx sensor In order to increase the accuracy of the NOx sensor at a low Kon ⁇ concentration, preferably the offset of the
  • NO x sensor is adapted during shut-off of fueling or engine stop, during which phase the NO x signal is continuously monitored until a stable minimum value is reached, and this value is used to adapt a NO x signal map, because in this case that NO x output signal should be 0.
  • the NO x -Signalkennfeld ent ⁇ speaks here of the correlation between the power of the
  • the single FIGURE shows a diagram of the NO x signal and the binary lambda signal from a NO x sensor with integrated lambda probe, which is arranged according to a three-way catalytic converter in the exhaust system of a gasoline engine.
  • the abscissa indicates the lambda value after the three-way catalytic converter.
  • the or- dinate represents the NO x signal in ppm and the binary lambda sensor signal in mV.
  • a threshold value of the lambda signal of 750 mV is indicated. Below this threshold value, ie below 750 mV, the lambda desired value upstream of the catalytic converter is determined by the difference between the setpoint value of the binary signal and the measured binary signal. Above this threshold value of 750 mV, the desired lambda value before the catalyst is determined by the difference between an NH 3 setpoint, which is here indicated as 10 ppm, of the NO x sensor and the measured NH 3 signal of the NO x sensor.
  • NH 3 -Konzentratin is higher than the NH 3 setpoint, the lambda setpoint before the catalyst is increased to lean. If the concentration is lower than the NH 3 setpoint, the lambda setpoint will be reduced to rich.
  • the present invention further relates to a Brennkraftma ⁇ machine, in whose exhaust system a three-way catalyst with Lambda control is arranged, wherein a NO x sensor with integrated lambda probe downstream of the three-way catalyst is arranged on ⁇ , which is designed to generate a lambda value after the three-way catalyst reproducing electrical signal and generating a NH 3 concentration in the exhaust gas reproducing NH 3 signal and is designed to forward these signals to a control device.
  • the internal combustion engine arranged downstream of the three-way catalyst NO x sensor for generating a NO x concentration in the exhaust gas reproducing NO x signal and for forwarding this signal to the control device is formed.

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine beschrieben. Im Abgasstrang der Brennkraftmaschine befindet sich ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung, dem ein NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde nachgeordnet ist. Durch kombinierte Messung eines Lambdawertes und NH3-Wertes durch den NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators wird ein Lambdasollwert stromauf des Dreiwegekatalysators bestimmt. Auf diese Weise lässt sich das Emissionsverhalten des Dreiwegekatalysators besonders genau überwachen und steuern.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwege¬ katalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist. In Bezug auf die Emissionen von Brennkraftmaschinen werden immer strengere Anforderungen gestellt. Dies betrifft auch den Einsatz von geregelten Dreiwegekatalysatoren, mittels denen in bekannter Weise die Oxidation von CO und CmHn und die Reduktion von NOx parallel zueinander durchgeführt werden. Voraussetzung dafür ist ein konstant stöchiometrisches KraftstoffVerhältnis (Lambda = 1) . Ein derartiger Dreiwegekatalysator kann daher nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung eingesetzt werden.
Neben einer Lambdasonde stromauf des Dreiwegekatalysators zur Lambdaregelung wird hierbei ferner eine Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators zur Überwachung der Funktionsweise des Katalysators eingesetzt. Damit sowohl die NOx- als auch die C02/HC-Emessionen minimiert werden, ist somit eine entsprechend genaue Lambdaregelung bzw. Katalysatorüberwachung von großer Bedeutung.
Wie erwähnt, ist es hierbei bekannt, eine Lambdasonde stromauf des Dreiwegekatalysators und eine Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators zu verwenden. Die Lambdaregelung nach dem Katalysator wird dabei durch Vorgabe eines Sollwertes für das Spannungssignal (Binärsignal) der Lambdasonde realisiert. Beispielsweise wird ein Sollwert von 750 mV mit einer Bandbreite von ± 20 mV vorgegeben. Innerhalb dieses Bereiches wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators nicht durch das Bi- närsignal der Lambdasonde stromab des Katalysators korrigiert. Außerhalb dieses Bereiches wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators korrigiert, und zwar in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Wert stromab des Dreiwegekatalysators. Wenn sich der Messwert unter dem Sollwert befindet, wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators in Richtung auf fett reduziert. Wenn sich der Messwert über dem Sollwert befindet, wird der Lambdasollwert stromauf des Katalysators in die Richtung mager erhöht.
Es kann auch von Vorteil sein, den Sollwert der Lambdasonde (des Binärsensors) beispielsweise über 750 mV einzustellen, um einen NOx-Durchbruch auf bessere Weise verhindern zu können. Bei einer höheren Binärspannung kann jedoch eine Spannungsänderung zu einer größeren Lambdaverschiebung führen, und die Genauigkeit des Lambdawertes stromab des Dreiwegekatalysators kann über den Binärspannungswert der Sonde nicht mehr garantiert werden. Dies kann zu einer höheren Lambdadrift in Richtung auf fett führen, was eine höhere HC- und CO-Emission bewirkt. Die bekannte Vorgehensweise ist daher mit Ungenauigkeiten behaftet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Emissionen eines Dreiwegekatalysators besonders genau steuern lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst: - Anordnen eines NOx-Sensors mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators; - Erzeugen eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekata¬ lysator wiedergebenden elektrischen Signals mit dem NOx-Sensor ;
- Festlegen eines Schwellenwertes des elektrischen Signals und Bestimmen eines Lambdasollwertes stromauf des Drei¬ wegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals nach dem Dreiwegeka¬ talysator und dem gemessenen elektrischen Signal, wenn das gemessene elektrische Signal unter dem Schwellenwert liegt;
- wenn das gemessene elektrische Signal über dem Schwel¬ lenwert liegt, Bestimmen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors ; und
- wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert , Erhöhen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators und, wenn die gemessene
NH3-Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert , Reduzieren des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwege¬ katalysators .
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein für die Emissionssteuerung wichtiger Lambdasollwert stromauf eines Dreiwege¬ katalysators durch kombinierte Messung eines Lambdawertes und NH3-Wertes durch einen NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators bestimmt bzw . festgelegt. Durch die genaue Festlegung dieses Lambdasollwertes vor dem Drei¬ wegekatalysator kann Lambda nach dem Katalysator in einem genau definierten Bereich gehalten werden, um die NOx- und
C02/HC-Emissionen zu minimieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unterhalb eines Schwellenwertes des den Lambdawert wiedergebenden elektrischen Signals (Binärsignals) , der beispielsweise auf 650 mV fest¬ gesetzt wird, der Lambdasollwert stromauf des Dreiwegekata- lysators durch die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals für den Lambdawert und dem gemessenen Lambdawert (Binärsignal) bestimmt. Über einem Schwellenwert des entsprechenden Lambdasignals (Binärsignals), d.h. beispiels¬ weise über 650 mV, wird der Lambdasollwert stromauf des Ka- talysators j edoch auf andere Weise bestimmt , nämlich mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert , der beispielsweise in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur auf 10 ppm festgelegt wird, des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des
NOx-Sensors. Die nach dem Dreiwegekatalysator anfallende NH3-Menge wird daher erfindungsgemäß zu Steuerungszwecken verwendet, da in einem fetten Gemischzustand H3 durch den Dreiwegekatalysator erzeugt wird und das NH3-Signal in Bezug auf den Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator sehr sensitiv ist. NH3 kann dabei ebenfalls mit dem NOx-Sensor gemessen werden.
In diesem Bereich wird nunmehr der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator in Abhängigkeit von der vorstehend erwähnten Differenz variiert, und zwar wird der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator auf mager hin erhöht, wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert . Wenn im Gegensatz dazu die gemessene NH3-Konzentration geringer ist als der NH3-Sollwert , wird der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekata¬ lysator auf fett hin reduziert. In weiterer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der NH3-Sollwert adaptiert, da über die Lebensdauer des Dreiwe¬ gekatalysators bei gleichem Lambdawert infolge Alterung des Katalysators die NH3-Erzeugung zurückgehen und die NOx-Durch- bruchswahrscheinlichkeit ansteigen kann. Der NH3-Sollwert kann dabei beispielsweise in der folgenden Weise adaptiert werden:
Der Sollwert des elektrischen Signals wird bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert, und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator wird über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt. Die Geschwindigkeit der Reduzierung kann hier beispielsweise 40 mV pro sec in Richtung der niedrigen Spannung (beispielsweise 400 mV) betragen.
Gleichzeitig kann das NOx-Signal vom NOx-Sensor gemessen und aufgrund der Reduktion der NH3-Konzentration kontinuierlich auf ein Minimum reduziert werden und dann durch die höhere
Durchbruchswahrscheinlichkeit der NOx-Konzentration durch den Katalysator wieder erhöht werden, wobei der Minimalwert des NOx-Signals für die Adaption und auch die Diagnose des Drei¬ wegekatalysators verwendet werden kann. Der NH3-Sollwert entspricht dabei dem Minimalwert und einer Differenz (Delta, beispielsweise 10 ppm) . Bei einem neuen Katalysator sollte der Minimalwert 0 betragen.
Wenn der Minimalwert über einem Schwellenwert liegt, bei- spielsweise 70 ppm (in Abhängigkeit von der Temperatur) , wird der Katalysator als defekt diagnostiziert.
Um die Genauigkeit des NOx-Sensors bei einer niedrigen Kon¬ zentration zu erhöhen, wird vorzugsweise das Offset des
NOx-Sensors während einer Absperrung der Kraftstoffzufuhr oder eines Motorstopps adaptiert, wobei während dieser Phase das NOx-Signal kontinuierlich beobachtet wird, bis ein stabiler Minimalwert erreicht ist, und wobei dieser Wert benutzt wird, um ein NOx-Signalkennfeld zu adaptieren, da in diesem Fall das NOx-Ausgangssignal 0 sein sollte. Das NOx-Signalkennfeld ent¬ spricht hierbei der Korrelation zwischen dem Strom des
NOx-Sensors und dem NOx-Konzentrationsausgangssignal . Die einzige Figur zeigt in einem Diagramm das NOx-Signal und das binäre Lambdasignal von einem NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde, der nach einem Dreiwegekatalysator im Abgasstrang eines Ottomotors angeordnet ist. Auf der Abszisse ist hierbei der Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator eingetragen. Die Or- dinate gibt das NOx-Signal in ppm sowie das binäre Lamb- dasensorsignal in mV wieder.
Im fetten Bereich des Lambdasignals ist ein Schwellenwert des Lambdasignals von 750 mV angegeben. Unterhalb dieses Schwel- lenwertes, d.h. unterhalb 750 mV, wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator durch die Differenz zwischen dem Sollwert des Binärsignals und dem gemessenen Binärsignal bestimmt. Oberhalb dieses Schwellenwertes von 750 mV wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator durch die Differenz zwischen einem NH3-Sollwert , der hier mit 10 ppm angegeben ist, des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors bestimmt. Wenn die gemessene
NH3-Konzentratin höher ist als der NH3-Sollwert , wird der Lambdasollwert vor dem Katalysator auf mager erhöht. Wenn die Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert , wird der Lambdasollwert auf fett verringert.
Durch eine kombinierte Messung eines Lambdawertes und eines NH-Wertes durch einen NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators lässt sich somit eine besonders genaue Festlegung des Lambdasollwertes vor dem Katalysator erreichen .
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftma¬ schine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, wobei ein NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators an¬ geordnet ist, der zur Erzeugung eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals und zur Erzeugung eines die NH3-Konzentration im Abgas wiedergebenden NH3-Signals ausgebildet und zur Weiterleitung dieser Signale an eine Steuereinrichtung ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist bei der Brennkraftmaschine der stromab des Dreiwegekatalysators angeordnete NOx-Sensor zur Erzeugung eines die NOx-Konzentration im Abgas wiedergebenden NOx-Signals und zur Weiterleitung dieses Signals an die Steuereinrichtung ausgebildet .

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwegekatalysator mit Lambda- regelung angeordnet ist, mit den folgenden Schritten:
- Anordnen eines NOx-Sensors mit integrierter Lamb- dasonde stromab des Dreiwegekatalysators;
- Erzeugen eines einen Lambdawert nach dem Dreiwege¬ katalysator wiedergebenden elektrischen Signals mit dem NOx-Sensor;
- Festlegen eines Schwellenwertes des elektrischen Signals und Bestimmen eines Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals nach dem Dreiwegekatalysator und dem gemessenen
elektrischen Signal, wenn das gemessene elektrische Signal unter dem Schwellenwert liegt;
- wenn das gemessene elektrische Signal über dem
Schwellenwert liegt, Bestimmen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators mithilfe der Differenz zwischen einem NH3-Sollwert des NOx-Sensors und dem gemessenen NH3-Signal des NOx-Sensors; und
- wenn die gemessene NH3-Konzentration höher ist als der NH3-Sollwert , Erhöhen des Lambdasollwertes stromauf des Dreiwegekatalysators und, wenn die gemessene NH3-Konzentration niedriger ist als der NH3-Sollwert , Reduzieren des Lambdasollwertes stromauf des Drei¬ wegekatalysators . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NH3-Sollwert adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Adaption des NH3-Sollwertes der Sollwert des elektrischen Signals bei quasistatischen Bedingungen langsam in Richtung auf einen niedrigen Spannungswert vom tatsächlichen Spannungswert reduziert wird und der Lambdasollwert vor dem Dreiwegekatalysator über die Differenz zwischen dem Sollwert des elektrischen Signals und dem tatsächlichen Signal eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig das NOx-Signal vom NOx-Sensor gemessen und aufgrund der Reduktion der NH3-Konzentration kontinuierlich auf ein Minimum reduziert wird und dann durch die höhere Durchbruchswahrscheinlichkeit der
NOx-Konzentration durch den Katalysator wieder erhöht wird, wobei der Minimalwert des NOx-Signals für die Adaption und auch die Diagnose des Dreiwegekatalysators verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Offset des NOx-Sensors während einer Absperrung der Kraftstoffzufuhr oder eines Motorstopps adaptiert wird, wobei während dieser Phase das NOx-Signal kontinuierlich beobachtet wird, bis ein stabiler Minimalwert erreicht ist, und wobei dieser Wert benutzt wird, um ein NOx-Signalkennfeld zu adaptieren, da in diesem Fall das NOx-Ausgangssignal Null sein sollte .
Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Dreiwe¬ gekatalysator mit Lambdaregelung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein NOx-Sensor mit integrierter Lambdasonde stromab des Dreiwegekatalysators angeordnet ist, der zur Erzeugung eines einen Lambdawert nach dem Dreiwegekatalysator wiedergebenden elektrischen Signals und zur Erzeugung eines die NH3-Konzentration im Abgas wiedergebenden NH3-Signals ausgebildet und zur Wei¬ terleitung dieser Signale an eine Steuereinrichtung ausgebildet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der stromab des Dreiwegekatalysators angeordnete NOx-Sensor zur Erzeugung eines die
NOx-Konzentration im Abgas wiedergebenden NOx-Signals und zur Weiterleitung dieses Signals an die Steuereinrichtung ausgebildet ist.
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