DE102023202667B3

DE102023202667B3 - Verfahren zur Auswertung eines NOx-Abgassensors in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102023202667B3
Application number: DE102023202667.8A
Authority: DE
Inventors: Marc-Andre Golkowski; Till Stötzel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2023-03-23
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2043-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals (82) eines NOx-Abgassensors (48), welcher in einer Abgasanlage (20) eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators (34) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte:- Modellieren eines Ammoniak-Faktors (84) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) unter Verwendung eines Ammoniak-Bildungsmodells (60),- Modellieren einer NOx-Emission (86) in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) unter Verwendung eines NOx-Modells (70),- Trennen der modellierten Ammoniakemissionen (84) und der modellierten NOx-Emission (86) durch einen Separationsalgorithmus (80) unter Verwendung des Sensorsignals (82) des NOx-Abgassensors (48), wobei- der Separationsalgorithmus (80) eine quantitative Aussage über die Ammoniak-Endrohremissionen (92, 100) und die NOx-Endrohremissionen (94, 102) des fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) liefert.Die Erfindung betrifft ferner ein Motorsteuergerät (50) und einen Verbrennungsmotor (10) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines Abgassensors in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors, ein Steuergerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher ein solcher Abgassensor angeordnet ist.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren sowie einen Partikelfilter. Um die Abgasemissionen eines Ottomotors zu überwachen, sind in der Abgasanlage Abgassensoren angeordnet, welche im Rahmen einer On-Board-Diagnose die Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten überwachen.
Die zukünftige Abgasgesetzgebung Euro 7 fordert durch das On-Board-Monitoring (OBM) eine distanzbasierte und kumulierte Erfassung der einzelnen Emissionen. Diese distanzbasierten Emissionen werden in der Regel in mg/km angegeben. Hierfür ist eine permanente Bestimmung der Emissionen notwendig, welche sensor- oder modellbasiert erfolgen kann. Ferner wird mit Einführung der Abgasgesetzgebung Euro 7 zusätzlich zu den bereits limitierten Abgaskomponenten wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) auch die Menge an Ammoniak (NH3) gesetzlich limitiert.
Aus dem Bereich der Nutzfahrzeuge sind bereits Sensoren zur Erfassung von Ammoniak im Abgas eines Dieselmotors bekannt. Solche Sensoren sind jedoch aufgrund ihrer hohen Messtoleranzen ungeeignet, um die Ammoniakemissionen eines PKW mit Ottomotor im Rahmen eines On-Board-Monitorings zu überwachen, da diese Sensoren für ein On-Board-Monitoring eine zu hohe Messungenauigkeit aufweisen. Ferner sind insbesondere aus der Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren Sensoren zur Erfassung von Stickoxiden bekannt, mit welchen Systeme zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden gesteuert oder geregelt werden. Solche Stickoxid-Sensoren weisen jedoch eine Querempfindlichkeit gegenüber Ammoniak auf, sodass ein in der Abgasanlage verbauter Stickoxid-Sensor sowohl Ammoniak als auch Stickoxide erfasst. Problematisch ist jedoch die Auswertung eines solchen Sensorsignals, um aus dem Sensorsignal auf die Anteile von Stickoxiden und Ammoniak zu schließen.
Aus dem Stand der Technik ist ein Auswertemodell für einen Stickoxid-Sensor in der Abgasanlage eines Ottomotors bekannt. Dabei erfolgt eine Aufteilung des Signals des Stickoxidsensors in Stickoxid-Anteil und Ammoniak-Anteil anhand des in der Abgasanlage ermittelten Sauerstoffgehalts über eine Lambdasonde. Bei einem unterstöchiometrischen Abgas wird das Signal des Stickoxidsensors als Ammoniak-Emission interpretiert, während bei einem überstöchiometrischen Abgas das Signal des Stickoxidsensors als Stickoxidemission interpretiert wird. Ferner wird bei diesem einfachen Modell ein Kaltstart des Verbrennungsmotors, bei dem die Komponenten der Abgasnachbehandlung noch nicht oder nur eingeschränkt wirksam sind, nicht berücksichtigt.
Bei einem stöchiometrischen Abgas, bei welchem des Verbrennungsluftverhältnis um einen Lambda-Wert von 1 alternierend wechselt, können sowohl Ammoniak als auch Stickoxidemissionen entstehen. Eine konkrete Unterscheidung zwischen den Ammoniak- und den Stickoxidemissionen ist mit einem solchen einfachen Interpretationsmodell des Sensorsignals nicht möglich. Des weiteren werden weitere Einflussgrößen auf die Bildung von Ammoniak, wie beispielsweise die Kerntemperatur eines Katalysators, bei einem solchen einfachen Interpretationsmodell nicht berücksichtigt.
Aus der DE 10 2018 132 313 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), ein Einspritzsystem, das zum Einspritzen von Reduktionsmittel in das Abgasrohr stromaufwärts der SCR-Vorrichtung angeordnet ist. Ein einzelner Ammoniaksensor ist angeordnet, um einen Abgaszufuhrstrom stromabwärts der SCR-Vorrichtung zu überwachen. Eine Steuerung steht in Verbindung mit dem einzelnen Ammoniaksensor und dem Verbrennungsmotor und ist funktionsfähig mit dem Einspritzsystem verbunden. Die Steuerung beinhaltet einen Anweisungssatz, der ausführbar ist, um über den einzelnen Ammoniaksensor eine Ammoniakmenge im Abgasstrom stromabwärts der SCR-Vorrichtung zu überwachen und den NOx-Wirkungsgrad der SCR-Vorrichtung basierend auf der Ammoniakmenge im Abgasstrom stromabwärts der SCR-Vorrichtung zu bestimmen. Ein Fehler wird in der SCR-Vorrichtung basierend auf dem NOx-Wirkungsgrad erkannt.
Aus der DE 10 2018 109 686 A1 ist ein selbstzündender Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet ein Dosiersystem, das NH3 in einen vom Motor erzeugten Abgasstrom einspritzt. Eine SCR-Vorrichtung speichert eine Menge des NH3 und wandelt das NOx in molekularen Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) basierend auf der gespeicherten Menge des NH3 um.
Aus der WO 2011/ 093 772 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Schätzung der jeweiligen Konzentrationen von Stickoxiden und Ammoniak in Abgasen eines Dieselmotors stromabwärts von einem SCR-Katalysator bekannt, wobei die Schätzung auf einem Katalysatormodell und auf einem gemessenen Sensorsignal von einem Stickoxidsensor basiert, der so angeordnet ist, dass er in Kontakt mit den Abgasen steht. Dabei wird das gemessene Sensorsignal mit einem geschätzten Signal verglichen, das von mindestens zwei Schätzfunktionen abhängt und die Übereinstimmung des Katalysatormodells mit dem gemessenen Sensorsignal darstellt. Dieser Vergleich wird dann zur Bestimmung mindestens eines Abweichungsparameters für die jeweiligen mindestens zwei Schätzfunktionen verwendet, wobei jeder der mindestens einen Abweichungsparameter eine systematische Abweichung von der Realität für mindestens ein Eingangssignal, eine Variable oder eine Bedingung für das Katalysatormodell beschreibt.
Die DE 10 2018 126 767 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Dreiwegekatalysators eines Ottomotors, bei welchem mit einem innerhalb oder in Abgasströmungsrichtung hinter dem Dreiwegekatalysator angeordneten NOx-Sensor Emissionen des Ottomotors erfasst werden. Die Messwerte des NOx-Sensors werden zusammen mit Betriebsgrößen des Ottomotors und/oder des Dreiwegekatalysators einer Recheneinrichtung zugeführt, wobei die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Simulationsmodell auszuführen und dadurch Emissionswerte eines Referenzkatalysators anhand der Betriebsgrößen zu berechnen. Dabei werden die berechneten Emissionswerte mit den Messwerten des NOx-Sensors verglichen.
Aus der DE 10 2020 215 507 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Ottomotor, bekannt. Die Abgasnachbehandlungsanordnung umfasst einen ersten Katalysator, einen bezogen auf die Abgasstromrichtung dem ersten Katalysator nachgeordneten zweiten Katalysator und zumindest einen weiteren, dem zweiten Katalysator bezogen auf die Abgasstromrichtung nachgeordneten dritten Katalysator. Dabei mündet abgasstromabwärts des ersten Katalysators und abgasstromaufwärts des zweiten Katalysators eine Luftzufuhrleitung in die Abgasleitung. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Ottomotor eine Auswertung der streckenbezogenen Ammoniak- und Stickoxidemissionen zu ermöglichen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals eines NOx-Abgassensors, welcher in einer Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist, gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Modellieren eines Ammoniak-Faktors stromabwärts des Drei-Wege-Katalysator unter Verwendung eines Ammoniak-Bildungsmodells,
- Modellieren einer NOx-Emission in der Abgasanlage stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators unter Verwendung eines NOx-Modells,
- Trennen der modellierten Ammoniakemissionen und der modellierten NOx-Emissionen durch einen Separationsalgorithmus unter Verwendung des Sensorsignals des NOx-Abgassensors, wobei
- der Separationsalgorithmus eine quantitative Aussage über die Ammoniak-Endrohremissionen und die NOx-Endrohremissionen des fremdgezündeten Verbrennungsmotors liefert.

Das Ammoniak-Bildungsmodell ist dabei ein rückwärts gerichtetes Modell und berechnet einen Ammoniak-Faktor, der den von Ammoniak verursachten Ausschlag des NOx-Sensorsignals bestimmt. Das NOx-Modell bestimmt die NOx-Konzentration am Motoraustritt (NOx-Rohemission), die NOx-Emissionen stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators und die NOx-Endrohremissionen. Dementsprechend ist das NOx-Modell ein vorwärts gerichtetes Modell. Dabei werden die modellierten NOx-Endrohremissionen, der Ammoniak-Faktor und das NOx-Sensorsignal an den Separationsalgorithmus übergeben. Wie bereits einleitend beschrieben, weisen NOx-Abgassensoren eine Querempfindlichkeit gegenüber Ammoniak auf, sodass ein in der Abgasanlage verbauter NOx-Abgassensor sowohl Ammoniak als auch Stickoxide erfasst. Durch die mehrfache Modellbildung liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren redundante Informationen vor, mit denen der Separationsalgorithmus die NOx-Emissionen und die Ammoniak-Emissionen separieren kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher, das Signal des NOx-Abgassensors durch den Separationsalgorithmus derart aufzubereiten, dass aus dem Sensorsignal auf die Anteile von Stickoxiden und Ammoniak geschlossen werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Auswertung eines Sensorsignals eines NOx-Abgassensors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ammoniak-Bildungsmodell eine Katalysatortemperatur und ein Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators berücksichtigt. Dadurch kann die Modellierung der Ammoniakbildung auf dem Drei-Wege-Katalysator verbessert werden, sodass die Genauigkeit der modellierten Ammoniakemission verbessert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das NOx-Modell eine Katalysatortemperatur des Drei-Wege-Katalysators, ein Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und einen Abgasvolumenstrom des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Dadurch kann insbesondere die Modellierung der Konvertierung der NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors durch den Drei-Wege-Katalysator verbessert werden. Somit kann die Genauigkeit des NOx-Modells in Hinblick auf die NOx-Emissionen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators weiter verbessert werden.
Bevorzugt ist dabei, wenn das NOx-Modell zusätzlich eine Motordrehzahl und/oder ein Motormoment des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung der Motordrehzahl und/oder des Motormoments, insbesondere der Motordrehzahl und des Motormoments, ist eine weitere Verbesserung des NOx-Modells möglich. Dadurch kann insbesondere die Bildung der NOx-Rohemissionen bei dem NOx-Modell verbessert werden, wodurch die Genauigkeit des NOx-Modells in Hinblick auf die modellierten NOx-Endrohremissionen weiter gesteigert werden kann.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das NOx-Modell zusätzlich einen Zündwinkel der Zündkerzen des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Da der Zündwinkel direkten Einfluss auf die Rohemissionen und die Abgastemperatur hat, führt eine Berücksichtigung des Zündwinkels zu einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des NOx-Modells.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die durch den Separationsalgorithmus ermittelten Ammoniakemissionen und der durch das Ammoniak-Bildungsmodell modellierte Ammoniak-Faktor mittels eines Kalman-Filters gefiltert werden. Dabei werden die Ammoniak-Emissionen durch das Ammoniak-Bildungsmodell und durch den Separationsalgorithmus durch zwei unterschiedliche Modelle berechnet und mittels des Kalman-Filters entsprechend gewichtet. Dadurch ist eine besonders genaue Berechnung der Ammoniak-Endrohremissionen möglich.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass durch den Kalman-Filter zusätzliche Varianzen des NOx-Abgassensors bezüglich der gemessenen Ammoniakemissionen und Varianzen des Ammoniakbildungsmodells gefiltert werden. Die Varianzen können mithilfe der Eingangsgrößen „Katalysatortemperatur“ und „Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators“ berechnet werden. Somit lässt sich ein separierter Ammoniak-Faktor bestimmen, der multipliziert mit dem Sensorsignal des NOx-Abgassensors eine Berechnung der Ammoniak- und Stickoxidkonzentrationen im Abgas stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und somit der Endrohremissionen ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die durch den Separationsalgorithmus ermittelten NOx-Emissionen und die durch das NOx-Modell modellierten NOx-Emissionen mittels eines Kalman-Filters gefiltert werden. Nach der Separation des NOx-Signals durch den Separationsalgorithmus kann durch eine Integration eines Kalman-Filters das Messrauschen und die Bauteiltoleranz des NOx-Abgassensors berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist dabei, wenn durch den Kalman-Filter zusätzliche Varianzen des NOx-Abgassensors in Bezug der gemessenen NOx-Emissionen und Varianzen des NOx-Modells gefiltert werden. Diese Varianzen können dem Separationsalgorithmus entnommen werden. Demzufolge ist die Integration dieses Ansatzes nach der Entwicklung des vorwärts gerichteten NOx-Modells mit geringem Aufwand möglich.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor mit einer Speichereinheit und einer Recheneinheit sowie einem in der Speichereinheit abgelegten Computerprogrammcode, wobei das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, ein in den vorherstehenden Abschnitten beschriebenes Verfahren auszuführen, wenn der Computerprogrammcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird. Ein solches Motorsteuergerät ermöglicht die Berechnung und Überwachung der Endrohr-Emissionen eines Verbrennungsmotors bezüglich Stickoxid- und Ammoniakemissionen. Dadurch kann ein On-Board-Monitoring dieser Schadstoffe realisiert werden, wie es zur Erfüllung zukünftiger Abgasnormen notwendig sein kann.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei an dem Brennraum ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung eines Kraftstoffs in den Brennraum sowie eine Zündkerze zur Entzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor ist mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden, in welcher zumindest ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein NOx-Abgassensor angeordnet sind, sowie mit einem Motorsteuergerät gemäß dem vorhergehenden Abschnitt. Bei einem solchen Verbrennungsmotor können die Emissionen auf einfache Art und Weise durch den NOx-Abgassensor überwacht werden. Dabei ist sowohl ein Monitoring der NOx-Emissionen als auch der Ammoniak-Emissionen möglich. Somit können diese limitierten Schadstoffe im Rahmen eines On-Board-Monitorings überwacht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist, wobei eine Turbine des Abgasturboladers stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein erster Katalysator, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator, und stromabwärts des ersten Katalysators ein zweiter Katalysator, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator, angeordnet ist. Ein solches Katalysatorkonzept ist hilfreich, um die strengen Emissionsanforderungen neuer Abgasgesetzgebungen zu erfüllen. Dabei besteht die eingangs erwähnte Problematik, dass bei einem unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors durch den Drei-Wege-Katalysator Ammoniak-Emissionen gebildet werden können. Diese Ammoniak-Emissionen können durch das erfindungsgemäße Verfahren überwacht und durch Anpassung der Motorsteuerung entsprechend minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass stromaufwärts des ersten Katalysators eine erste Lambdasonde, insbesondere eine Breitbandsonde, stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des zweiten Katalysators eine zweite Lambdasonde, insbesondere eine Breitbandsonde und stromaufwärts des zweiten Katalysators der NOx-Abgassensor angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders exakte Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors möglich, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert und/oder die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten maximiert werden kann. Somit lassen sich besonders geringe Endrohremissionen erzielen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des NOx-Abgassensors ist vorgesehen, dass dieser eine Lambdasonden-Funktionalität aufweist. Aufgebaut ist ein NOx-Abgassensor aus zwei durch Diffusionsbarrieren abgetrennten Zellen, auch als Kavitäten bezeichnet, sowie einer Nernst- und zwei Pumpzellen. Des Weiteren verfügt der NOx-Abgassensor über ein Heizelement, das den NOx-Abgassensor auf eine Betriebstemperatur zwischen 600 °C und 800 °C aufheizt. Das Abgas gelangt durch die erste Diffusionsbarriere in die erste Kavität. An diese grenzt eine Nernst- und eine Pumpzelle, mit denen die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kavität auf wenige ppm geregelt wird. Hierbei kann Sauerstoff in oder aus der ersten Kavität gepumpt werden. Dazu umfasst der NOx-Abgassensor eine Lambdasondenfunktionalität, um den Sauerstoffanteil im Abgasstrom bestimmen zu können und die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kavität entsprechend zu regeln. Infolgedessen werden Gase der unvollständigen Verbrennung wie CO oder HC vollständig oxidiert. Die angelegte Spannung genügt jedoch nicht, um NO zu dissoziieren. NO diffundiert nach dem Durchlaufen der geschilderten Prozesse in die zweite Kavität, an der eine weitere Sauerstoffpumpe anliegt. Die Elektrode dieser Sauerstoffpumpe besteht zusätzlich aus Rhodium. Dieses Edelmetall besitzt eine katalytische Wirkung auf reduzierende Prozesse. Darüber hinaus wird die anliegende Spannung an der Elektrode erhöht, wodurch eine vollständige Dissoziation von NO gewährleistet wird.
Ferner ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Temperatursensor angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers und stromaufwärts eines ersten Katalysators ein erster Temperatursensor und stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts eines zweiten Katalysators ein zweiter Temperatursensor angeordnet ist.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Signals eines NOx-Abgassensors;
2 einen weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Signals eines NOx-Abgassensors;
3 ein nicht zur Erfindung gehörendes Konzeptschaubild zur Ermittlung der NOx und NH₃ Emissionen des fremdgezündeten Verbrennungsmotors aus dem Signal des NOx-Abgassensors;
4 ein erfindungsgemäßes Konzeptschaubild zur Ermittlung der NOx und NH₃ Emissionen des fremdgezündeten Verbrennungsmotors aus dem Signal des NOx-Abgassensors.

1 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Signals eines NOx-Abgassensors 48. Der fremdgezündete Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Ferner ist an jedem Brennraum 12 eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Brennraum 12 wird durch einen in 1 nicht dargestellten Kolben begrenzt, welcher verschiebbar in einem Zylinder des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist. Der Kolben ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 verbunden, wobei das Pleuel eine oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle überträgt. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass mit einem in 1 nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24, stromabwärts der Turbine 26 ein erster Katalysator 30 und weiter stromabwärts ein zweiter Katalysator 32 angeordnet sind. Der erste Katalysator 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Vier-Wege-Katalysator 36 und der zweite Katalysator 32 als Drei-Wege-Katalysator 34 ausgebildet. Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des ersten Katalysators 30 ist eine erste Lambdasonde 40, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde 42 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 32 ist eine zweite Lambdasonde 44, insbesondere eine Sprungsonde 46 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Katalysators 32 ist ein NOx-Abgassensor 48 angeordnet. Die Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ist über eine Welle mit einem Verdichter 28 in dem Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors 10 verbunden und treibt diesen Verdichter 28 an, wenn ein Abgasstrom durch die Turbine 26 des Abgasturboladers geleitet wird.
Die Kraftstoffinjektoren 14, die Zündkerzen 16, die Lambdasonden 40, 42, 44, 46 sowie der NOx-Abgassensor 48 sind über Signalleitungen mit einem Motorsteuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 verbunden. Das Motorsteuergerät 50 umfasst eine Speichereinheit 52 und eine Recheneinheit 54. In der Speichereinheit 54 ist ein Computerprogrammcode 56 abgelegt, welcher bei Ausführung durch die Recheneinheit 54 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Auswertung eines NOx-Abgassensors 48 in der Abgasanlage 20 eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 ausführt. Das Motorsteuergerät 50 ist mit einer On-Board-Monitoring-Einheit 58 verbunden, welche zur Überwachung der Emissionen des Verbrennungsmotors 10 bei seinem Betrieb dient.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Signals eines NOx-Abgassensors 48 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, sind in diesem Ausführungsbeispiel sowohl der erste Katalysator 30 als auch der stromabwärts des ersten Katalysators 30 angeordnete zweite Katalysator 32 als Drei-Wege-Katalysatoren 34 ausgeführt. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel die On-Board-Monitoring-Einheit 58 in das Steuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 integriert. Es kann aber auch, wie in 1 dargestellt, eine separate On-Board-Monitoring-Einheit 58 vorgesehen sein.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Auswertung eines Sensorsignals eines NOx-Abgassensors 48 in der Abgasanlage 20 eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird ein Ammoniak-Bildungsmodell 60 genutzt, um einen Ammoniak-Faktor 84 zu bestimmen. Ferner wird ein NOx-Modell 70 genutzt, um die NOx-Emissionen 86 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 zu modellieren. Ferner wird ein Separationsalgorithmus 80 genutzt, um aus dem Ammoniak-Faktor 84, den modellierten NOx-Emissionen 86, dem NOx-Sensorsignal 82, der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34 sowie dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 die Ammoniak-Endrohremissionen 100 und die NOx-Endrohremissionen 102 zu ermitteln.
Dabei fließen die Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34 und das Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 in das Ammoniak-Bildungsmodell 60 ein. Das NOx-Modell 70 ermittelt aus der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34, dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34, einem Abgasvolumenstrom 72 des Verbrennungsmotors 10, eine Motordrehzahl 74 des Verbrennungsmotors 10, einem Motormoment 76 des Verbrennungsmotors 10 und einem Zündwinkel 78 des Verbrennungsmotors 10 die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10, sowie die NOx-Emissionen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 86.
Der Separationsalgorithmus 80 berechnet aus dem Ammoniak-Faktor 84, den modellierten NOx-Emissionen 86, dem NOx-Sensorsignal 82, der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34 sowie dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34, die Ammoniak-Endrohremissionen 100 und die NOx-Endrohremissionen 102.
In 4 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Sensorsignals eines NOx-Abgassensors 48 in der Abgasanlage 20 eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird ein Ammoniak-Bildungsmodell 60 genutzt, um einen Ammoniak-Faktor 84 zu bestimmen. Ferner wird ein NOx-Modell 70 genutzt, um die NOx-Emissionen 86 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 zu modellieren. Ferner wird ein Separationsalgorithmus 80 genutzt, um aus dem Ammoniak-Faktor 84, den modellierten NOx-Emissionen 86, dem NOx-Sensorsignal 82, der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34, sowie dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 die Ammoniak-Endrohremissionen 92 und die NOx-Endrohremissionen 94 zu ermitteln.
Dabei fließen die Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34 und das Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 in das Ammoniak-Bildungsmodell 60 ein. Das NOx-Modell ermittelt aus der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34, dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34, einem Abgasvolumenstrom 72 des Verbrennungsmotors 10, eine Motordrehzahl 74 des Verbrennungsmotors 10, einem Motormoment 76 des Verbrennungsmotors 10 und einem Zündwinkel 78 des Verbrennungsmotors 10 die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10, sowie die NOx-Emissionen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 86.
Der Separationsalgorithmus 80 berechnet aus dem Ammoniak-Faktor 84, den modellierten NOx-Emissionen 86, dem NOx-Sensorsignal 82, der Katalysatortemperatur 62 des Drei-Wege-Katalysators 34 sowie dem Verbrennungsluftverhältnis 64 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 34 die Ammoniak-Endrohremissionen 92 und die NOx-Endrohremissionen 94. Die berechneten Ammoniak-Endrohremissionen 92 und die berechneten NOx-Endrohremissionen 90 werden jeweils durch einen Kalman-Filter 90 geglättet. Dabei erhält der Kalman-Filter 90 zur Bestimmung der Ammoniak-Endrohremissionen 100 neben den berechneten Ammoniak-Endrohrmissionen 92 zusätzlich den Ammonaik-Faktor 84 aus dem Ammoniak-Bildungsmodell 82. Ferner berücksichtigt der Kalman-Filter 90 Varianzen 95 des NOx-Abgassensors 48 und Varianzen 96 des Ammoniak-Bildungsmodells 60. Der Kalman-Filter 90 zur Bestimmung der NOx-Endrohremissionen 102 erhält neben den berechneten NOx-Endrohremissionen 94 die modellierten NOx-Endrohremissionen 86. Zusätzlich berücksichtig der Kalman-Filter 90 Varianzen 97 des NOx-Abgassensors 48 sowie Varianzen 98 des NOx-Modells 70.
Das Konzept beinhaltet ein Modell, in dem die Tailpipe NH₃-Konzentration 100 mit zwei unterschiedlichen Modellansätzen berechnet wird. Die NH₃-Konzentrationen werden mit Hilfe eines Kalman-Filters 90 gewichtet. Die Tailpipe NO_x-Konzentration 102 ist die Differenz aus dem NO_x-Sensorsignal 82 und der Tailpipe NH₃-Konzentration 100. Das NO_x-Sensorsignal 82 wird dabei als rauschfrei und der NO_x-Abgassensor 48 als toleranzbefreit betrachtet.
Aufgebaut ist das Modell dreigliedrig und besteht aus einem NH₃-Modell 60, einem NO_x-Modell 70 und dem Separationsalgorithmus 80. Die Eingangsgrößen des Modells sind das NO_x-Sensorsignal 82, die Katalysatortemperaturen 62 und deren Lambdawerte 64, der Abgasvolumenstrom 72, die Motordrehzahl 74, das Motormoment 76 und der Zündwinkel 78. Das NH₃-Modell 60 ist ein rückwärts gerichtetes Modell und berechnet einen NH₃-Faktor 84, der den von NH₃ verursachten Ausschlag des NO_x-Sensorsignals 82 bestimmt. Das NO_x-Modell 70 bestimmt die NO_x-Konzentration am Motoraustritt, nach dem ersten Katalysator 30 und Tailpipe. Dementsprechend ist das NO_x-Modell 70 ein vorwärts gerichtetes Modell. Beide Modelle 60, 70 unterliegen aufgrund von Annahmen und Vereinfachungen Modellunsicherheiten.
An dem Separationsalgorithmus 80 wird die modellierte NO_x-Tailpipe Konzentration 86, der NH₃-Faktor 84 und das NO_x-Sensorsignal 82 übergeben. Folglich liegen redundante Informationen vor mit denen der Separationsalgorithmus 80 die NO_x-Tailpipe-Konzentration des Modells entsprechend folgender Formel in einen zweiten NH₃-Faktor konvertiert. $N H_{3_f a c,2} = \frac{N O_{x, s e n s} - N O_{x, m o d}}{N O_{x, s e n s}}$
Das Vertrauen in den jeweiligen NH₃-Faktor 84 und deren Gewichtung erfolgt anhand von Varianzen 95, 96, die mit Hilfe der Eingangsgrößen Katalysatortemperatur 62 und Katalysatorlambda 64 berechnet werden. Somit wird ein separierter NH₃-Faktor NH_{3, fac_sep} bestimmt, der multipliziert mit dem NO_x-Sensorsignal 82 die NH₃- und NO_x-Konzentrationen 100, 102 bestimmt. $N H_{3, s e p} = N H_{3, f a c_s e p} \cdot N O_{x, s e n s}$
$N O_{x, T a i l p i p e} = (1 - N H_{3, f a c_s e p}) \cdot N O_{x, s e n s}$
Der NH₃-Wert NH_{3, sep} wird anschließend mit der variierenden Querempfindlichkeit des NO_x-Sensorsignals 82 korrigiert. Die Ausgangsgrößen des Modells sind die Tailpipe NO_x- und NH₃-Konzentrationen 92, 94. Mit diesem Vorgehen können die Modellunsicherheiten minimiert werden und das gleichzeitige Auftreten der Emissionskomponenten abgebildet werden.
Eine Variante ist die Entwicklung eines vorwärts gerichteten NH₃-Modells 60, dass unabhängig vom NO_x-Sensorsignals 82 die NH₃-Konzentration 94, 102 bestimmt. Dieses Modell könnte auf Basis von Arrhenuis-Gleichungen entwickelt werden. Nach der Separation des NO_x-Sensorsignals 82 durch den Separationsalgorithmus 80 kann durch die Integration weiterer Kalman-Filter 90 das Messrauschen und die Bauteiltoleranz des NO_x-Abgassensors 48, die zusammen die Varianz des Sensors 97, 98 bilden, berücksichtigt werden. Die Varianzen 97, 98 der Modelle kann dem Separationsalgorithmus 80 entnommen werden. Demzufolge ist die Integration dieses Ansatzes nach der Entwicklung des vorwärts gerichteten NH₃-Modells 70 mit geringen Aufwand durchführbar. Des Weiteren ist mit diesem Vorgehen eine Steigerung der Modellgüte erwartbar.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: Verdichter
30: erster Katalysator
32: zweiter Katalysator
34: Drei-Wege-Katalysator
36: Vier-Wege-Katalysator
40: erste Lambdasonde
42: Breitbandsonde
44: zweite Lambdasonde
46: Sprungsonde
48: NOx-Abgassensor
50: Motorsteuergerät
52: Speichereinheit
54: Recheneinheit
56: Computerprogrammcode
58: On-Board-Monitoring-Einheit
60: Ammoniak-Bildungsmodell
62: Katalysatortemperatur
64: Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des ersten Katalysators
70: Stickoxid (NOx)-Modell
72: Abgasvolumenstrom
74: Motordrehzahl
76: Motormoment
78: Zündwinkel
80: Separationsalgorithmus
82: Sensorsignal
84: modellierter Ammoniak-Faktor
86: modellierte Stickoxid (NOx)-Emissionen
90: Kalman-Filter
92: Ammoniak (NH₃)-Emissionen
94: Stickoxid (NOx)-Emissionen
95: Varianz NOx-Abgassensor bezüglich Ammoniak (NH₃)
96: Varianz Ammoniak (NH₃) Bildungsmodell
97: Varianz NOx-Abgassensor bezüglich Stickoxiden (NOx)
98: Varianz NOx-Modell
100: Ammoniak (NH₃) Endrohremissionen
102: Stickoxid (NOx) Endrohremissionen

Claims

Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals (82) eines NOx-Abgassensors (48), welcher in einer Abgasanlage (20) eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators (34) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Erfassen eines Sensorsignals (82) durch einen NOx-Abgassensors (48) in der Abgasanlage (20) des Verbrennungsmotors (10), - Modellieren eines Ammoniak-Faktors (84) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) unter Verwendung eines Ammoniak-Bildungsmodells (60) durch eine Recheneinheit (54) eines Motorsteuergeräts (50) des Verbrennungsmotors (10), - Modellieren einer Stickoxid-Emission (86) in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) unter Verwendung eines Stickoxid-Modells (70) durch die Recheneinheit (54) des Motorsteuergeräts (50) des Verbrennungsmotors (10), - Trennen des modellierten Ammoniak-Faktors (84) und der modellierten Stickoxid-Emission (86) durch einen Separationsalgorithmus (80) unter Verwendung des Sensorsignals (82) des NOx-Abgassensors (48), um die Ammoniak-Endrohremissionen (100) und die NOx-Endrohremissionen (102) zu ermitteln, wobei - der Separationsalgorithmus (80) eine quantitative Aussage über die Ammoniak-Endrohremissionen (100) und die Stickoxid-Endrohremissionen (102) des fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) liefert, wobei - die durch den Separationsalgorithmus (80) ermittelte Ammoniakemission (92) und der durch das Ammoniak-Bildungsmodell (60) modellierte Ammoniak-Faktor (84) mittels eines Kalman-Filters (90) gefiltert werden, und wobei - durch den Kalman-Filter (90) zusätzlich Varianzen (95) des NOx-Abgassensors (48) bezüglich Ammoniak (NH₃) und Varianzen (96) des Ammoniak-Bildungsmodells (60) gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ammoniak-Bildungsmodell (60) eine Katalysatortemperatur (62) und ein Verbrennungsluftverhältnis (64) in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stickoxid-Modell (70) eine Katalysatortemperatur (62) des Drei-Wege-Katalysators (34), ein Verbrennungsluftverhältnis (64) in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) berücksichtigt und einen Abgasvolumenstrom (72) des Verbrennungsmotors (10) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Stickoxid-Modell (70) zusätzlich eine Motordrehzahl (74) und/oder ein Motormoment (76) des Verbrennungsmotors (10) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Stickoxid-Modell (70) zusätzlich einen Zündwinkel (78) der Zündkerzen (16) des Verbrennungsmotors (10) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die durch den Separationsalgorithmus (80) ermittelten Stickoxid-Emissionen (94) und die durch das Stickoxid-Modell (70) modellierten Stickoxid-Emissionen (86) mittels eines Kalman-Filter (90) gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch den Kalman-Filter (90) zusätzlich Varianzen (97) des NOx-Abgassensors (48) bezüglich Stickoxiden (NOx) und Varianzen (98) des Stickoxid-Modells (70) gefiltert werden.
Motorsteuergerät (50) für einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Speichereinheit (52) und einer Recheneinheit (54) sowie einem in der Speichereinheit (56) abgelegten Computerprogrammcode (56), wobei das Motorsteuergerät (50) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn der Computerprogrammcode (56) durch die Recheneinheit (54) ausgeführt wird.
Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei an dem Brennraum (12) ein Kraftstoffinjektor (14) zur Einspritzung eines Kraftstoffs in den Brennraum (12) sowie eine Zündkerze (16) zur Entzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher zumindest ein Drei-Wege-Katalysator (34) und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) ein NOx-Abgassensor (48) angeordnet ist, sowie mit einem Motorsteuergerät nach Anspruch 8.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 9, wobei der Verbrennungsmotor (10) als ein mittels eines Abgasturboladers (24) aufgeladener Verbrennungsmotor (10) ausgeführt ist, wobei eine Turbine (26) des Abgasturboladers (24) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (34) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage (20) ein erster Katalysator (30) und stromabwärts des ersten Katalysators (30) ein zweiter Katalysator (32) angeordnet ist, wobei zumindest einer der Katalysatoren (30, 32) als ein Drei-Wege-Katalysator (34) ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 11, wobei stromaufwärts des ersten Katalysators (30) eine erste Lambdasonde (40), stromabwärts des ersten Katalysators (30) und stromaufwärts des zweiten Katalysators (32) eine zweite Lambdasonde (44) und stromabwärts des zweiten Katalysators (32) der NOx-Abgassensor (48) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der NOx-Abgassensor (48) eine Lambdasonden-Funktionalität aufweist.