WO2020212468A1 - Verfahren zum ermitteln der sauerstoffbeladung eines katalysators einer brennkraftmaschine und abgasstrang einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum ermitteln der sauerstoffbeladung eines katalysators einer brennkraftmaschine und abgasstrang einer brennkraftmaschine Download PDF

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combustion engine
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Paul Rodatz
Gerhard Haft
Hong Zhang
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the oxygen loading of a catalyst, in particular a three-way catalyst, as well as a
  • Catalysts are used for exhaust gas aftertreatment in vehicles to convert air pollutants and not emit them into the environment. During exhaust gas aftertreatment using a three-way catalytic converter
  • Carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and unburned hydrocarbons (HC) are converted to carbon dioxide (C02), nitrogen (N2) and water (H20).
  • a cascaded control which consists of an inner control loop, which controls the lambda value upstream of a catalytic converter, and an outer control loop, which regulates the lambda value downstream of the catalytic converter.
  • the catalyst should be kept in the optimal conversion window. For this it is desirable that
  • the estimate is sufficiently accurate only for loads of less than 10% or greater than 90%.
  • the present invention is based on the object of reliably and as precisely as possible determining the loading state of a catalytic converter arranged in an exhaust system of an internal combustion engine, and to provide an exhaust gas system with a catalytic converter whose oxygen loading can be determined.
  • the present invention is essentially based on the idea of the oxygen loading of a catalyst, preferably a three-way catalyst, by means of the signals of a catalyst arranged downstream of the catalyst
  • the exhaust gas sensor which is designed to determine the proportion of nitrogen oxide and / or ammonia in the exhaust gas or the nitrogen oxide and / or
  • ammonia concentration in the exhaust gas is displayed.
  • the signal from the exhaust gas sensor can in particular indicate the sum of the proportions of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas. Therefore increases during one Operating duration of the internal combustion engine with a rich air-fuel mixture, the signal of the exhaust gas sensor due to the ammonia production, the signal of the exhaust gas sensor decreasing in a subsequent operating phase of the internal combustion engine with a lean air-fuel mixture
  • Ammonia production falls again.
  • the signal from the ammonia sensor reaches a minimum and then increases again due to the nitrogen oxide slip mentioned above.
  • the signal from the exhaust gas sensor is used to determine the oxygen loading of the catalytic converter and to control the internal combustion engine in such a way that the oxygen loading of the catalytic converter is in a desired range, such as approximately 50%.
  • a method for determining the oxygen loading of a in an exhaust system is a
  • An exhaust gas sensor is arranged downstream of the catalytic converter.
  • the method according to the invention comprises generating at least one signal by means of the exhaust gas sensor, which indicates the proportion of nitrogen oxide and / or ammonia in the exhaust gas, and determining the oxygen loading of the catalytic converter at least partially based on the at least one signal from the exhaust gas sensor.
  • the exhaust gas sensor can be a nitrogen oxide sensor that displays the sum of the proportions of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas, or an ammonia sensor that displays the proportion of ammonia in the exhaust gas.
  • the method according to the invention also has a determination of at least one gradient of the at least one signal from the exhaust gas sensor. It is also preferred that the determination of the
  • Oxygen loading of the catalytic converter takes place on the basis of the at least one determined gradient of the at least one signal from the exhaust gas sensor.
  • the method according to the invention additionally includes determining a course of the at least one gradient of the at least one signal from the exhaust gas sensor and switching over the
  • the method according to the invention further comprises switching the internal combustion engine into operation with a rich air-fuel mixture if the determined oxygen charge exceeds a predetermined charge threshold value. It can thus be achieved that, when the predetermined loading threshold value is exceeded, the oxygen stored in the catalytic converter reacts with the exhaust gas and the oxygen loading of the catalytic converter thus falls back into the desired range.
  • the predetermined loading threshold is approximately 80%, preferably approximately 70%, more preferably approximately 60%, most preferably approximately 55%, of the maximum oxygen storage capacity of the catalyst.
  • the predetermined loading threshold value is selected as a function of the current operating parameters of the internal combustion engine and / or the catalytic converter, such as the exhaust gas temperature, the catalytic converter temperature, the exhaust gas mass flow or the air-fuel mixture upstream of the catalytic converter.
  • the method according to the invention further comprises determining a time profile of the at least one signal of the exhaust gas sensor and switching the internal combustion engine to operation with a rich air-fuel mixture if the determined time profile of the at least one signal of the exhaust gas sensor is a Minimum reached.
  • the minimum can be an indication that a nitric oxide slip is present afterwards, which should preferably be avoided.
  • the signal from the exhaust gas sensor can indicate the sum of the proportions of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas. Therefore, the signal of the exhaust gas sensor rises during an operating phase of the internal combustion engine with a rich air-fuel mixture due to the ammonia production, this signal falling in a subsequent operation of the internal combustion engine with a lean air-fuel mixture with decreasing ammonia production and finally reaching its minimum and then because of the then
  • Oxygen storage in the catalyst means more oxygen is available for oxidation available and the ammonia formation decreases. As a result, the ammonia concentration after the catalytic converter correlates with the stored one
  • an exhaust line for an internal combustion engine which has a catalytic converter for aftertreating the exhaust gas of the internal combustion engine, one downstream of the catalytic converter
  • exhaust gas sensor which is designed to generate a signal that indicates the proportion of nitrogen oxide and / or ammonia in the exhaust gas, and a
  • control unit which receives the signals from the exhaust gas sensor and is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
  • FIG. 1 shows an exhaust line of an internal combustion engine with a catalytic converter
  • FIG. 2 shows a diagram which shows the relationship between the signal from the exhaust gas sensor and the oxygen loading of the catalytic converter
  • FIG. 3 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a
  • Oxygen loading the degree of loading of a catalyst, in particular Three-way catalytic converter, with oxygen. In particular, this is the relative percentage loading of the catalyst with regard to its maximum
  • Loading state of about 90% can absorb less and less oxygen and part of the oxygen flows through the catalyst without being stored in it. From a loading state of 100%, the catalyst can no longer absorb oxygen, so that oxygen that penetrates the catalyst again flows through the catalyst without being stored in it.
  • FIG. 1 shows an exemplary catalytic converter 100 which can be used in an exhaust line 10 of an internal combustion engine (not shown), preferably an Otto engine, in order to convert air pollutants in the exhaust gas.
  • an internal combustion engine not shown
  • Otto engine preferably an Otto engine
  • Catalyst 100 is preferably a three-way catalyst for converting carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and unburned ones
  • An exhaust gas sensor 110 is arranged downstream of the catalytic converter 100, which is designed to determine the proportion of nitrogen oxide and / or ammonia in the exhaust gas downstream of the catalytic converter 100.
  • the exhaust gas sensor 110 sensitive to nitrogen oxide and / or ammonia is, for example, a mixed potential sensor with a mixed potential and / or a reference electrode.
  • the exhaust gas sensor 110 is a nitrogen oxide sensor that is cross-sensitive to ammonia.
  • the exhaust gas sensor 1 10 is an ammonia sensor that measures the proportion of
  • the internal combustion engine is also assigned a control unit 120, which is in communication with the exhaust gas sensor 110 and is designed to detect the signals of the same, to evaluate and the operation of the Control internal combustion engine.
  • the control unit 120 is designed to receive the sensor signal sent by the exhaust gas sensor 110, which indicates a proportion of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas downstream of the catalytic converter 100, and to use this to determine the oxygen loading of the catalytic converter 100, which will be explained in more detail below .
  • This assignment takes place, for example, via a look-up table provided in the control unit 120, which assigns a corresponding oxygen load to each nitrogen oxide and ammonia concentration.
  • a mathematical mapping or a diagram can be stored in the control unit 120, which a link between the nitrogen oxide and ammonia concentration downstream of the
  • Catalyst 100 and the oxygen loading of the catalyst 100 produce. It can be preferred that the mathematical mapping also takes into account at least one further parameter of the exhaust gas, which z. B. the temperature of the exhaust gas, the temperature of the catalyst and / or the exhaust gas mass flow.
  • FIG. 2 shows an exemplary diagram which represents a link between the signal from the exhaust gas sensor 110 and the oxygen loading of the catalytic converter 100.
  • FIG. 2 shows that the signal of the exhaust gas sensor 110 has a minimum which is present at a point in time from which there is again a nitrogen oxide slip through the catalytic converter 100.
  • this minimum is approximately 55% of the oxygen loading of the catalytic converter 100, which at the same time is an optimal one
  • an exemplary flow diagram is one
  • the method of FIG. 3 starts in step 300 and then arrives at step 310, in which the internal combustion engine is operated with a rich air-fuel mixture.
  • step 320 operation of the internal combustion engine with a rich air-fuel mixture is switched over to operation with a lean air-fuel mixture.
  • the exhaust gas sensor 110 In a subsequent step 330, the exhaust gas sensor 110 generates a signal which indicates the proportion of nitrogen oxide and ammonia in the exhaust gas.
  • Exhaust gas sensor 110 can transmit this signal to control unit 120.
  • control unit 120 determines the exhaust gas sensor 110 based on the signal generated at step 330
  • Oxygen loading of the catalytic converter 100 for this purpose, for example
  • Diagram of FIG. 2 can be used.
  • a look-up table or a mathematical mapping can be stored in the control unit, each of which is a link between the proportion of nitrogen oxide and
  • a query is made as to whether the
  • Loading threshold such as 55%, exceeds. If it is determined in step 350 that the determined oxygen loading of the catalytic converter does not exceed the predetermined loading threshold value, the method goes back to step 320 and the internal combustion engine continues to be operated with a lean air-fuel mixture.
  • step 350 If, however, it is determined in step 350 that the determined oxygen loading of the catalytic converter 100 exceeds the predetermined loading threshold value, the method proceeds to step 360, in which a switchover of the
  • the in the catalytic converter 100 stored oxygen can be used again to convert the air pollutants, in particular unburned hydrocarbons and carbon monoxide, as a result of which the oxygen loading in the catalytic converter 100 decreases again and falls into the desired loading range.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines in einem Abgasstrang (10) einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators (100), vorzugsweise Drei-Wege-Katalysators, einen Katalysator (100) und eine Brennkraftmaschine. Stromabwärts des Katalysators (100) ist ein Abgassensor (110) angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Erzeugen von zumindest einem Signal mittels des Abgassensors (110), das den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas anzeigt, und ein Ermitteln der Sauerstoffbeladung des Katalysators (100) zumindest teilweise basierend auf dem zumindest einen Signal des Abgassensors (110).Auf diese Weise kann die Sauerstoffbeladung eines Katalysators (100), vorzugsweise Drei-Wege-Katalysators, mittels eines stromabwärts des Katalysators (100) angeordneten Abgassensors (110) auf einfache Weise ermittelt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines Katalysators einer
Brennkraftmaschine und Abgasstrang einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines Katalysators, insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators, sowie einen
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
Katalysatoren werden für die Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen verwendet, um Luftschadstoffe umzuwandeln und nicht in die Umgebung auszustoßen. Bei der Abgasnachbehandlung mittels einem Drei-Wege-Katalysators werden
Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (C02), Stickstoff (N2) und Wasser (H20) umgewandelt.
Die Steuerung bzw. Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemischs für eine
Brennkraftmaschine erfolgt mittels einer kaskadierten Regelung, die aus einer inneren Regelschleife, die den Lambdawert stromaufwärts eines Katalysators regelt, und einer äußeren Regelschleife besteht, die den Lambdawert stromabwärts des Katalysators regelt. Insbesondere soll dabei der Katalysator im optimalen Konvertierungsfenster gehalten werden. Dafür ist es wünschenswert, die
Sauerstoffbeladung des Katalysators, insbesondere des Drei-Wege-Katalysators, derart zu steuern bzw. regeln, dass der Katalysator mit ungefähr 50 % Sauerstoff gesättigt bzw. beladen ist. Damit kann eine ausreichende Sicherheit gegen eventuelle Störungen des Systems in Richtung mager oder fett gewährleistet werden.
Es ist bekannt, den Beladungszustand des Katalysators mittels einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde abzuschätzen, wobei diese
Abschätzung lediglich bei Beladungen von kleiner 10 % oder größer 90 % hinreichend genau ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Beladungszustand eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zuverlässig und möglichst genau zu ermitteln, sowie einen Abgasstrang mit Katalysator bereitzustellen, dessen Sauerstoffbeladung ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und dem Abgasstrang gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, die Sauerstoffbeladung eines Katalysators, vorzugsweise Drei-Wege-Katalysators, mittels der Signale eines stromabwärts des Katalysators angeordneten
Abgassensors zu ermitteln, der dazu ausgebildet ist, den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas bzw. die Stickoxid- und/oder
Ammoniakkonzentration im Abgas anzuzeigen. Insbesondere wird sich dabei zu Nutze gemacht, dass beim Vorliegen eines sauerstoffarmen Abgases in einem Drei-Wege-Katalysator Ammoniak produziert wird. Wird der Drei-Wege-Katalysator mit einem Abgas beaufschlagt, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch produziert, kann zunächst der im Katalysator eingespeiste Sauerstoff aufgebraucht werden, wobei im Anschluss daran die Ammoniakproduktion wieder ansteigt.
Sobald das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager wird, läuft die Ammoniakproduktion weiter und die Sauerstoffbeladung des Katalysators steigt wieder an. Mit zunehmender Dauer des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch füllt sich der Katalysator mit Sauerstoff und die
Ammoniakproduktion nimmt dabei stetig ab. Bei hoher Sauerstoffbeladung des Katalysators kann nun auch das Stickoxid darin nicht mehr konvertiert werden und es kommt zu einem Stickoxidschlupf, d. h., dass Stickoxid nicht mehr im Katalysator umgewandelt wird und somit unbehandelt aus dem Katalysator austritt.
Das Signal des Abgassensors kann insbesondere die Summe der Anteile von Stickoxid und Ammoniak im Abgas anzeigen. Deshalb steigt während einer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch das Signal des Abgassensors aufgrund der Ammoniakproduktion an, wobei in einer anschließenden Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch das Signal des Abgassensors mit abnehmender
Ammoniakproduktion wieder fällt. An einem bestimmten Zeitpunkt während der Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch erreicht das Signal des Ammoniaksensors ein Minimum und steigt danach aufgrund des oben erwähnten Stickoxidschlupfs wieder an.
Solange das Stickoxidsignal fällt ist der noch nicht mit Sauerstoff beladene Bereich des Katalysators noch ausreichend groß, um einen Stickoxidschlupf zu vermeiden. Damit die Stickoxidemissionen so gering wie möglich gehalten werden können, ist es bevorzugt, das Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Betreiben der Brennkraftmaschine wieder fett zu machen, bevor der Stickoxidschlupf beginnt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Signal des Abgassensors dazu genutzt, die Sauerstoffbeladung des Katalysators zu ermitteln und die Brennkraftmaschine derart zu steuern, dass die Sauerstoffbeladung des Katalysators in einem gewünschten Bereich liegt, wie beispielsweise ungefähr 50 %.
Folglich ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines in einem Abgasstrang einer
Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, vorzugsweise
Drei-Wege-Katalysators offenbart. Dabei ist ein Abgassensor stromabwärts des Katalysators angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Erzeugen von zumindest einem Signal mittels des Abgassensors, das den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas anzeigt, und ein Ermitteln der Sauerstoffbeladung des Katalysators zumindest teilweise basierend auf dem zumindest einen Signal des Abgassensors auf.
Der Abgassensor kann dabei ein Stickoxidsensor, der die Summe der Anteile an Stickoxid und Ammoniak im Abgas anzeigt, oder ein Ammoniaksensor sein, der den Anteil an Ammoniak im Abgas anzeigt. Mittels der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, die Sauerstoffbeladung des Katalysators, vorzugsweise Drei-Wege-Katalysators, auf einfache Weise mit Hilfe eines stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgassensors, der zumeist ohnehin bereits vorhanden ist, zu ermitteln und somit den Betrieb der
Brennkraftmaschine optimiert zu steuern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln von zumindest einem Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors auf. Dabei ist es ferner bevorzugt, dass das Ermitteln der
Sauerstoffbeladung des Katalysators auf der Basis des zumindest einen ermittelten Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors erfolgt.
Ferner kann es dabei bevorzugt sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich ein Ermitteln eines Verlaufs des zumindest einen Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors und ein Umschalten der
Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch aufweist, wenn der ermittelte Verlauf des zumindest einen Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors zumindest teilweise abnehmend bzw. abflachend ist.. Insbesondere ist der Gradient überwiegend negativ und wird weniger negativ.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn die ermittelte Sauerstoffbeladung einen vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreitet. Damit kann erreicht werden, dass beim Überschreiten des vorbestimmten Beladungsschwellenwerts der im Katalysator eingelagerte Sauerstoff mit dem Abgas reagiert und somit die Sauerstoffbeladung des Katalysators wieder in den gewünschten Bereich sinkt.
Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte Beladungsschwellenwert ungefähr 80 %, vorzugsweise ungefähr 70 %, noch bevorzugter ungefähr 60 %, am bevorzugten ungefähr 55 %, der maximalen Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators. Zudem kann es bevorzugt sein, dass der vorbestimmte Beladungsschwellenwert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und/oder des Katalysators ausgewählt wird, wie beispielsweise der Abgastemperatur, der Katalysatortemperatur, des Abgasmassenstroms oder des Luft-Kraftstoff-Gemisch vor dem Katalysators.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des zumindest einen Signals des Abgassensors und ein Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn der ermittelte zeitliche Verlauf des zumindest einen Signals des Abgassensors ein Minimum erreicht. Das Minimum kann, wie bereits oben erwähnt, ein Indiz dafür sein, dass zeitlich danach ein Stickoxidschlupf vorliegt, den es bevorzugt zu vermeiden gilt.
Wie bereits oben beschrieben kann das Signal des Abgassensors die Summe der Anteile an Stickoxid und Ammoniak im Abgas anzeigen. Deshalb steigt das Signal des Abgassensors während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch aufgrund der Ammoniakproduktion an, wobei dieses Signal in einem anschließenden Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch mit abnehmender Ammoniakproduktion abfällt und schließlich sein Minimum erreicht und daraufhin aufgrund des dann
vorliegenden Stickoxidschlupfs wieder ansteigt. Aus diesem Grund kann es bevorzugt sein, beim Erreichen dieses Minimums ein Umschalten der
Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch vorzusehen, um einen Stickoxidschlupf weitestgehend zu vermeiden. Bevorzugt wird zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung des Katalysators dasjenige Signal des Abgassensors herangezogen, dass nach einem Umschalten der
Brennkraftmaschine aus einem Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird. Nach dem Umschalten fällt die Ammoniakproduktion nicht schlagartig ab, da der Sauerstoff im Abgas bevorzugt im Katalysator eingespeichert wird und nicht den Ammoniak oder einer der Vorprodukte der Ammoniakbildung oxidiert. Mit zunehmender
Sauerstoff-Einspeicherung im Katalysator steht mehr Sauerstoff für die Oxidation zur Verfügung und die Ammoniakbildung geht zurück. Dadurch korreliert die Ammoniakkonzentration nach dem Katalysator mit der eingespeicherten
Sauerstoffmenge.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine offenbart, der einen Katalysator zum Nachbehandeln des Abgases der Brennkraftmaschine, einen stromabwärts des Katalysators
angeordneten Abgassensor, der dazu ausgebildet ist, ein Signal zu erzeugen, das den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas anzeigt, und eine
Steuereinheit aufweist, die die Signale des Abgassensors empfängt und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug offenbart, die einen Abgasstrang gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem
Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit Katalysator und
Abgassensor zeigt,
Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen dem Signal des Abgassensors und der Sauerstoffbeladung des Katalysators darstellt, und
Fig. 3 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines Katalysators darstellt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff
„Sauerstoffbeladung“ den Grad der Beladung eines Katalysators, insbesondere Drei-Wege-Katalysators, mit Sauerstoff. Insbesondere ist damit die relative prozentuale Beladung des Katalysators im Hinblick auf seine maximale
Speicherkapazität von Sauerstoff gemeint, wobei der Katalysator ab einem
Beladungszustand von ungefähr 90 % immer weniger Sauerstoff aufnehmen kann und ein Teil des Sauerstoffs den Katalysator durchströmt ohne sich darin einzulagern. Ab einem Beladungszustand von 100 % kann der Katalysator keinen Sauerstoff mehr aufnehmen, so dass erneut in den Katalysator eindringender Sauerstoff durch den Katalysator strömt, ohne sich darin einzulagern.
Die Fig. 1 stellt einen beispielhafte Katalysator 100 dar, der in einem Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), vorzugsweise eines Ottomotors, eingesetzt werden kann, um Luftschadstoffe im Abgas umzuwandeln. Der
Katalysator 100 ist vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator zum Umwandeln von Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen (HC) zu Kohlenstoffdioxid (C02), Stickstoff (N2) und Wasser (H20).
Für den Fachmann ist selbsterklärend, dass weitere Einheiten bzw. Vorrichtungen im Abgasstrang vorhanden sein können, wie beispielsweise ein Partikelfilter oder ein Schalldämpfer.
Stromabwärts des Katalysators 100 ist ein Abgassensor 1 10 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas stromabwärts des Katalysators 100 zu ermitteln. Der auf Stickoxid und/oder Ammoniak empfindliche Abgassensor 1 10 ist beispielsweise ein Mischpotentialsensor mit einer Mischpotential- und/oder einer Referenzelektrode. Beispielsweise ist der Abgassensor 1 10 ein Stickoxidsensor, der auf Ammoniak querempfindlich ist. Alternativ ist der Abgassensor 1 10 ein Ammoniaksensor, der den Anteil an
Ammoniak im Abgas anzeigenkann.
Der Brennkraftmaschine ist ferner eine Steuereinheit 120 zugeordnet, die mit dem Abgassensor 1 10 in Kommunikationsverbindung steht und dazu ausgebildet ist, die Signale desselben zu erfassen, auszuwerten und den Betrieb der Brennkraftmaschine zu steuern. So ist die Steuereinheit 120 dazu ausgebildet, das vom Abgassensor 1 10 gesendete Sensorsignal, das einen Anteil an Stickoxid und Ammoniak im Abgas stromabwärts des Katalysators 100 anzeigt, zu empfangen und daraus die Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 zu ermitteln, was im Folgenden noch genauer erläutert wird. Diese Zuordnung erfolgt beispielsweise über eine in der Steuereinheit 120 bereitgestellte Nachschlagetabelle, die jeder Stickoxid- und Ammoniakkonzentration einen entsprechende Sauerstoffbeladung zuordnet. Alternativ können eine mathematische Abbildung oder ein Diagramm (sieh auch Fig. 2) in der Steuereinheit 120 hinterlegt sein, die eine Verknüpfung zwischen der Stickoxid- und Ammoniakkonzentration stromabwärts des
Katalysators 100 und der Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 hersteilen. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die mathematische Abbildung ferner zumindest einen weiteren Parameter des Abgases berücksichtigt, der z. B. die Temperatur des Abgases, die Temperatur des Katalysators und/oder des Abgasmassenstroms aufweist.
Die Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das eine Verknüpfung zwischen dem Signal des Abgassensors 1 10 und der Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 darstellt. Auf der Abszisse ist die Sauerstoffbeladung (in [%]) und auf der Ordinate das Signal des Abgassensors 100 aufgetragen, das die Summe der Anteile an Stickoxid und Ammoniak (in [ppm], ppm = parts per million) anzeigt. Aus der Fig. 2 geht hervor, dass mittels des Signals des Abgassensors 100 die
Sauerstoffbeladung abgelesen werden kann. Insbesondere zeigt die Fig. 2, dass das Signal des Abgassensors 1 10 ein Minimum aufweist, das bei einem Zeitpunkt vorliegt, ab dem wieder ein Stickoxidschlupf durch den Katalysator 100 vorliegt. In dem beispielhaften Diagramm der Fig. 2 liegt dieses Minimum bei ungefähr 55% der Sauerstoffbeladung des Katalysators 100, was gleichzeitig eine optimale
Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 anzeigt.
Unter Verweis auf die Fig. 3 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung des
Katalysators 100 der Fig. 1 gezeigt. Das Verfahren der Fig. 3 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, an dem die Brennkraftmaschine mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird. An einem weiteren Schritt 320 erfolgt eine Umschaltung des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch in den einen Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch.
In einem darauffolgenden Schritt 330 wird mittels des Abgassensors 1 10 ein Signal erzeugt, das den Anteil an Stickoxid und Ammoniak im Abgas anzeigt. Der
Abgassensor 1 10 kann dieses Signal der Steuereinheit 120 übertragen.
In einem darauffolgenden Schritt 340 ermittelt die Steuereinheit 120 basierend auf dem am Schritt 330 erzeugten Signal des Abgassensors 1 10 die
Sauerstoffbeladung des Katalysators 100. Hierzu kann beispielsweise das
Diagramm der Fig. 2 herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich können in der Steuereinheit eine Nachschlagetabelle oder eine mathematische Abbildung hinterlegt sein, die jeweils eine Verknüpfung des Anteils an Stickoxid und
Ammoniak im Abgas stromabwärts des Katalysators 100 und der
Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 angeben.
In einem darauffolgenden Schritt 350 erfolgt eine Abfrage, ob die ermittelte
Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 einen vorbestimmten
Beladungsschwellenwert, wie beispielsweise 55 %, überschreitet. Wird beim Schritt 350 festgestellt, dass die ermittelte Sauerstoffbeladung des Katalysators den vorbestimmten Beladungsschwellenwert nicht überschreitet, gelangt das Verfahren zurück zum Schritt 320 und die Brennkraftmaschine wird weiterhin mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben.
Wird jedoch beim Schritt 350 bestimmt, dass die ermittelte Sauerstoffbeladung des Katalysators 100 den vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 360, an dem eine Umschaltung der
Brennkraftmaschine aus dem Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch wieder in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch erfolgt, bevor das Verfahren beim Schritt 370 endet. Durch das Umschalten kann der im Katalysator 100 eingespeicherte Sauerstoff wieder zum Umwandeln der Luftschadstoffe, insbesondere von unverbranntem Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, genutzt werden, wodurch die Sauerstoffbeladung im Katalysator 100 wieder abnimmt und in den gewünschten Beladungsbereich fällt.
Mittels der vorgenannten Erfindung kann eine Überladung eines Katalysators mit Sauerstoff und eine damit einhergehende erhöhte Stickoxidemission vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffbeladung eines in einem Abgasstrang (10) einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators (100), vorzugsweise Drei-Wege-Katalysators, wobei ein Abgassensor (1 10) stromabwärts des Katalysators (100) angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist:
Erzeugen von zumindest einem Signal mittels des Abgassensors (1 10), das den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas anzeigt, und
Ermitteln der Sauerstoffbeladung des Katalysators (100) zumindest teilweise basierend auf dem zumindest einen Signal des Abgassensors (1 10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner mit:
Ermitteln von zumindest einem Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors (1 10),
wobei das Ermitteln der Sauerstoffbeladung des Katalysators (100) auf der Basis des zumindest einen ermittelten Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors (1 10) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit:
Ermitteln eines Verlaufs des zumindest einen Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors (1 10), und
Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn der ermittelte Verlauf des zumindest einen Gradienten des zumindest einen Signals des Abgassensors (1 10) zumindest teilweise abflachend ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:
Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn die ermittelte Sauerstoffbeladung einen vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte
Beladungsschwellenwert ungefähr 80 %, vorzugsweise ungefähr 70 %, noch bevorzugter ungefähr 60 %, am bevorzugtesten ungefähr 55 %, der maximalen Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei der vorbestimmte Beladungsschwellenwert in Abhängigkeit der aktuellen
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und/oder des Katalysators (100) ausgewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:
Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des zumindest einen Signals des
Abgassensors (110), und
Umschalten der Brennkraftmaschine in einen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn der ermittelte zeitlichen Verlauf des zumindest einen Signals des Abgassensors (110) ein Minimum erreicht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Signal des Abgassensors (110) nach einem Umschalten der Brennkraftmaschine aus einem Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch in einen Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird.
9. Abgasstrang (10) für eine Brennkraftmaschine, mit:
einem Katalysator (100) zum Nachbehandeln des Abgases der Brennkraftmaschine,
einen stromabwärts des Katalysators (100) angeordneten
Abgassensors (110), der dazu ausgebildet ist, ein Signal zu erzeugen, das den Anteil an Stickoxid und/oder Ammoniak im Abgas anzeigt, und
eine Steuereinheit (120), die die Signale des Abgassensors (110) empfängt und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
10. Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einem Abgasstrang (10) nach Anspruch 9.
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