DE10339062A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwertes eines Sensorsignals sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines NOx-Offsetwertes in einer stromab einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten NOx-sensitiven Einrichtung (9, 10) zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine (1). Die Brennkraftmaschine (1) wird mit einem stöchiometrischen Verhältnis (lambda = 1) von Luft und Kraftstoff beaufschlagt. Mittels der NOx-sensitiven Einrichtung (9, 10) werden während des stöchiometrischen Betriebs Werte für die NOx-Konzentration im Abgas ermittelt und ein repräsentativer Wert der ermittelten Werte als Offset identifiziert. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwertes eines Sensorsignals sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
- NOx-sensitive Einrichtungen zur Bestimmung des Gehalts von Stickoxiden NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine sind in verschiedenen Formen bekannt und werden beispielsweise zur Kontrolle der Einhaltung von NOx-Grenzwerten bei einem magerlauffähigen Verbrennungsmotor eingesetzt. Insbesondere ist die Kenntnis des NOx-Gehalts im Abgas hinter einem NOx-Speicherkatalysator notwendig, um den Zeitpunkt bestimmen zu können, von dem an keine Einlagerung von NOx in den NOx-Speicherkatalysator mehr möglich ist, da der NOx-Speicherkatalysator gefüllt und eine Regenerierung notwendig ist.
- Die Anzeigegenauigkeit von heute erhältlichen NOx-Sensoren weist individuelle Ungenauigkeiten auf. Diese können zu Fehlern im Steuerungsverhalten der Motorsteuerungseinheit führen, so dass beispielsweise der Füllgrad des NOx-Speichers nicht genau erkannt und eine erforderliche Regenerierung zu spät eingeschaltet wird, was zu einer erhöhten Schadstoffemission führt. Die lineare Kennlinie derartiger Sensoren wird durch die Steigung, die der Empfindlichkeit des NOx-Sensors proportional ist und den Offset, der ein von Null verschiedenes Sensorsignal in Abwesenheit von NOx im Abgas bezeichnet, charakterisiert. Häufig zeigt der Offsetwert je nach Sensortyp beträchtliche Serien-Streuungen. Daher ist es vorteilhaft, den Offsetwert des NOx-Signals nach Einbau des Sensors on board eines Fahrzeugs zu bestimmen und das NOx-Signal des NOx-Sensors individuell mit diesem Wert zu korrigieren.
- Es sind verschiedene Verfahren bekannt, einen NOx-Sensor zu kalibrieren, um solchen Problemen abzuhelfen. Allerdings gelingt es nur in wenigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, die NOx-Konzentration im Abgas mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln.
- In der
EP 1 074 833 A1 wird vorgeschlagen, den Offset des NOx-Sensors bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoffgemisch zu bestimmen oder im Schubbetrieb bei fehlender Kraftstoffzufuhr, da in diesen Betriebszuständen keine NOx-Emissionen im Abgas zu erwarten sind. Allerdings weisen einzelne Typen von NOx-Sensoren im Schubbetrieb ein Signalverhalten auf, das eine Offset-Bestimmung unmöglich macht. So kann ein NOx-Sensor bis deutlich unterhalb seiner Betriebstemperatur auskühlen, wenn er mit Abgas beaufschlagt wird, das im Schubbetrieb kälter ist als in anderen Betriebsphasen, oder es besteht eine Empfindlichkeit hinsichtlich der veränderten Sauerstoffkonzentration, was zu einer starken Verfälschung der Messergebnisse führen kann. - In der
DE 100 03 228 A1 wird ein kurz nach einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators gemessenes Signal des NOx-Sensors als Offset erkannt, da mit hinreichend großer Wahrscheinlichkeit zu diesem Zeitpunkt die gesamte NOx-Menge im Abgas im frisch regenerierten Speicherkatalysator gespeichert wird und keine NOx-Emissionen hinter dem NOx-Speicherkatalysator auftreten sollten. Allerdings kann bei gealterten NOx-Speicherkatalysatoren auch nach der Regeneration noch eine merkliche NOx-Konzentration im Abgas vorhanden sein. Ferner sind NOx-Sensoren relativ träge und daher unter Umständen zu langsam, um nach einer Regeneration ausreichend schnell einen Wert zu erfassen, der nahezu Null ppm NOx entspricht. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bestimmung eines Offsetwertes eines Sensorsignals einer NOx-sensitiven Einrichtung zuverlässiger durchführen zu können.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Verbrennungsluft und Kraftstoff betrieben und Werte des Signals einer NOx-sensitiven Einrichtung während des stöchiometrischen Betriebs ermittelt. Ein repräsentativer Wert der ermittelten Werte wird als Offsetwert identifiziert.
- Bevorzugt wird die Erfüllung von Freigabebedingungen geprüft. Sind diese erfüllt, wird die NOx-sensitive Einrichtung mit dem Offset kalibriert. Die Erfindung ermöglicht die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden.
- Ein NOx-Sensor kühlt bei der erfindungsgemäßen Bestimmung nicht aus, da in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine gemessen wird, in dem das Abgas heißer ist als im Schubbetrieb
- Durch bevorzugt gewählte Freigabebedingungen sind keine schnellen Änderungen der Sauerstoffkonzentration zu erwarten, welche die Messung verfälschen könnten. Ebenso werden Probleme durch schnelle Änderungen der NOx-Konzentration vermieden.
- Die Erfindung erlaubt eine genauere und zuverlässigere Bestimmung des Offset-Wertes eines NOx-Sensors.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
- Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 eine bevorzugte Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, in der NOx-sensitive Einrichtungen angeordnet sind und -
2 eine Kennlinie eines NOx-Sensors. -
1 dient der Veranschaulichung verschiedener Einbaulagen von Abgas-Sensoren und zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine1 , beispielsweise ein magerlauffähiger Ottomotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgastrakt2 und einem Motorsteuergerät3 , vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine1 weist eine Anzahl von Zylinderbänken4 auf (sich entsprechende Komponenten sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener Abgaspfad5 nachgeschaltet ist. In dem Abgastrakt2 ist zur Konvertierung von schädlichen oder unerwünschten Komponenten des Abgases in andere Komponenten eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Vorkatalysator6 und einem Hauptkatalysator7 angeordnet. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator6 als 3-Wege-Katalysator und der Hauptkatalysator7 als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet. Stromabwärts der Zylinderbänke4 sind in den Abgaspfaden5 NOx-Sensoren8 angeordnet, mit denen die NOx-Konzentration des durch den Abgastrakt2 geführten Abgases der Brennkraftmaschine1 gemessen werden kann. Stromaufwärts des Vorkatalysators6 ist zudem ein weiterer NOx-Sensor8' angeordnet. Ferner ist in einem Bereich des Abgastrakts2 zwischen dem Vorkatalysator6 und dem Hauptkatalysator7 , stromabwärts des Vorkatalysators6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators7 , ein weiterer NOx-Sensor9 angeordnet. Ein weiterer Sensor10 ist stromabwärts des Hauptkatalysators7 im Abgastrakt2 angeordnet. Es versteht sich von selbst, dass bei einer strukturierten Abgasreinigungsvorrichtung mit mehreren Teilkomponenten Sensoren stromauf oder stromab der jeweiligen Teile angeordnet sein können. - Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren sind stromaufwärts und stromabwärts des Vorkatalysators
6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators7 Lambda-Sonden11 bzw.12 sowie zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatoreinrichtungen Temperatursensoren13 ,13' vorgesehen. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich weitere Temperatursensoren zur Messung der Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung oder von Teilen dieser vorgesehen sein können. Zur Abgasrückführung weist die Brennkraftmaschine1 eine Abgasrückführeinrichtung14 mit einem steuerbaren Ventil15 auf. - Das Motorsteuergerät
3 erfasst in an sich bekannter Weise über nicht dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter der Brennkraftmaschine1 , wie beispielsweise Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt von Vor-/Haupt-/Nacheinspritzungen, Einspritzdruck, Tumble-Klappenstellung, Ladedruck, Phasensteller der Nockenwelle, Drehzahl, Fahrpedalstellung, Last, Fahrgeschwindigkeit und dergleichen, und kann diese über (nicht dargestellte) Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei zur Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät3 und den Sensoren bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem16 oder dergleichen vorgesehen ist. Ferner umfasst das Motorsteuergerät3 eine Lambda-Regeleinrichtung zur Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. des Lambda-Werts. Das Motorsteuergerät3 erhält von den NOx-Sensoren NOx-Signale mit denen die NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine1 bzw. die NOx-Konzentration stromabwärts der Katalysatoreinrichtungen6 und/oder7 ermittelt werden können. - Der Hauptkatalysator
7 wird üblicherweise in einem Speicherzyklus betrieben, der zumindest einen Absorptionsmodus, bei dem NOx eingelagert wird, und einen Regenerationsmodus umfasst. Die absorptive Speicherung erfolgt dabei bei einem Lambda-Wert λ > 1, die Ausspeicherung zu einem späteren Zeitpunkt bei einem geringeren Lambda-Wert vorzugsweise bei λ < 1. - Bevorzugt wird die Erfindung bei einem schichtladefähigen Magermotor eingesetzt. Derartige Motoren erreichen im Schichtladebetrieb besonders niedrigen Kraftstoffverbrauch, haben dafür jedoch den Nachteil, dass ein konventioneller 3-Wege-Katalysator das magere Abgas nicht ausreichend reinigen kann. Beim jetzigen Stand der Technik ist daher die Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators bei derartigen Motoren obligatorisch. Neben einem mageren, insbesondere Schichtladebetrieb, lassen diese Motoren allerdings auch einen stöchiometrischen Betrieb mit λ = 1 zu. Dies macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bestimmung einer NOx-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine
1 eine stromab der Brennkraftmaschine1 angeordnete NOx-sensitive Einrichtung verwendet. Die NOx-sensitive Einrichtung umfasst bevorzugt die NOx-Sensoren9 ,10 . Besonders bevorzugt wird der NOx-Sensor10 stromab des Hauptkatalysators7 eingesetzt, mit dem die NOx-Konzentration am Ausgang des Abgastrakts2 ermittelt werden kann. Werden mehrere NOx-Sensoren9 ,10 eingesetzt, wird günstigerweise für jeden der NOx-Sensoren9 ,10 individuell ein Offset bestimmt. Im Folgenden ist das Verfahren anhand der NOx-Sensoren9 ,10 beschrieben. Bei den Sensoren9 ,10 kann es sich auch um Multifunktionssensoren handeln, die neben einem NOx-Signal ein Lambda-Signal sowie ein Kohlenwasserstoff-Signal, ein SOx-Signal, ein Amoniak-Signal und/oder andere Abgaskomponenten sensorieren. In einem solchen Fall können auch die Offsetwerte eines oder mehrerer der anderen Signale nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden. - In
2 ist beispielhaft ein Ausgangssignal Sout eines NOx-Sensors als Funktion einer NOx-Konzentration dargestellt. Die Kennlinie K weist einen Achsenabschnitt OS auf, welche dem Offsetwert bei Abwesenheit von NOx im Abgas entspricht und einer Steigung Gain, die die Empfindlichkeit des NOx-Sensors in dem entsprechenden NOx-Konzentrationsbereich wiedergibt. - Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine
1 für ein Zeitintervall mit einem stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) von Luft und Kraftstoff betrieben. Während des stöchiometrischen Betriebs werden Werte des NOx-Signals im Abgas stromab des Vorkatalysators6 und/oder des Hauptkatalysators7 ermittelt. Zweckmäßigerweise wird der Lambdawert derart geregelt, dass λ mit einer Amplitude von etwa ± 5%, bevorzugt von etwa ± 2% um den Mittelwert λ = 1 schwankt. Im fehlerfreien Zustand und vorzugsweise stationärer Betriebsweise der Brennkraftmaschine1 konvertiert der 3-Wege-Katalysator6 und/oder der Hauptkatalysator7 das gesamte NOx im Abgas, so dass die NOx-Konzentration hinter dem Vorkatalysator6 und/oder Hauptkatalysator7 kaum noch messbar ist. Ein repräsentativer Wert, vorzugsweise ein Mittelwert der ermittelten Werte wird als Offsetwert identifiziert. Die Ermittlung der Werte des NOx-Signals erfolgt vorzugsweise in einem wählbaren Zeitintervall, welches bevorzugt höchstens der Dauer entspricht, während der die Brennkraftmaschine mit λ = 1 betreiben wird. - Der λ = 1-Betrieb der Brennkraftmaschine kann zur Durchführung der Offsetwertbestimmung erzwungen werden; es kann jedoch auch das im normalen Fahrbetrieb üblicherweise Auftreten von λ = 1-Phasen abgewartet werden.
- Zusätzlich zu dem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine
1 mit λ = 1 können weitere Freigabebedingungen geprüft werden, deren Erfüllung Voraussetzung für eine Freigabe der Kalibrierung der NOx-sensitiven Einrichtung10 hinsichtlich des NOx-Offsets ist. - Ist eine oder sind mehrere vorgegebene Freigabebedingungen nicht erfüllt, unterbleibt die Ermittlung der Werte der NOx-Konzentration oder wird abgebrochen. Optional kann dann ein vorgegebener Offset zur Kalibrierung verwendet werden, etwa ein Offset aus einer vorangegangenen Messung, oder es wird keine Kalibrierung vorgenommen. Besonders bevorzugt erfolgt nach der Feststellung, dass eine oder mehrere Freigabebedingungen nicht erfüllt sind, erneut die Überprüfung der Freigabebedingungen, bevor in einem wählbaren Zeitraum der Mittelwert des NOx-Signals bestimmt wird.
- Besonders bevorzugt geht die Prüfung der Freigabebedingungen der Ermittlung der Werte der NOx-Konzentration voraus. Erst wenn alle vorgegebenen Freigabebedingungen erfüllt sind, werden Werte des NOx-Sensors
10 erfasst und daraus ein Mittelwert gebildet, der den Offset angibt. Besonders zweckmäßig ist es dabei, die Prüfung der Freigabebedingungen zeitlich parallel zur Ermittlung der Werte des NOx-Signals weiter zu führen. - Als Freigabebedingung ist vorzugsweise zumindest eine aus der folgenden Gruppe vorgesehen: Vorliegen eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis (λ = 1); Vorliegen einer aktiv durchgeführten Lambdaregelung; ein Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine; Einhaltung eines zulässigen Wertebereichs eines Lambdasondensignals an der NOx-sensitiven Einrichtung
10 , bzw. dem NOx-Sensor10 , damit gewährleistet ist, dass auch hinter dem Hauptkatalysator7 λ ≈ 1 gilt; zumindest annähernd stationärer Betrieb der Brennkraftmaschine1 , wie z.B. nur geringe Drehzahländerungen und/oder nur geringe Saugrohrdruckänderungen; Einhaltung eines zulässigen Temperaturbereichs des Hauptkatalysators7 , vorzugsweise 200°C bis 800°C, besonders bevorzugt 300°C bis 700°C; fehlerfreie Funktion von Sensoren und/oder Stellgliedern, welche das Luft/Kraftstoffverhältnis beeinflussen können; und/oder Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit nach Erfüllung aller anderen ausgewählten Freigabebedingungen. Selbstverständlich können weitere geeignete Freigabebedingungen alternativ oder zusätzlich vorgegeben werden. - Eine Vorrichtung zur Ausführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst Mittel zur Offsetbestimmung, mit denen eine Erfassung von Werten des NOx-Signals innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, eine Speicherung dieser Werte und eine Berechnung eines repräsentativen Wertes, z. B. eines Mittelwerts dieser Werte vorgenommen werden kann. Vorzugsweise sind diese Mittel als Teil der Motorsteuerung
3 ausgebildet. Alternativ ist auch ein separates Steuergerät von der Erfindung umfasst. Eine derartige Vorrichtung kann auch Mittel zur Festlegung der Freigabebedingungen sowie zur Überprüfung der Freigabebedingungen und zur Steuerung des Beginns, des Endes sowie gegebenenfalls einer Unterbrechung der erfindungsgemäßen Bestimmung des Offsetwertes umfassen. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Vorrichtung beschränkt, sondern umfasst jede geeignete Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. - Das Verfahren ist besonders einfach und unkompliziert. Besonders bevorzugt wird die Bestimmung des Offsets im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine
1 bei λ = 1 durchgeführt. Bei Beachtung weiterer, auswählbarer Freigabebedingungen, die günstigerweise dem jeweiligen Fahrzeug angepasst sind, ist die NOx-Konzentration im Abgas hinter dem Vorkatalysator6 und/oder dem Hauptkatalysator7 so gering, dass eine genaue Bestimmung des Offsetwertes on board des Fahrzeugs möglich ist. Weiterhin lassen sich so auch alterungsbedingte Veränderungen der NOx-Sensorkennlinie zumindest teilweise erfassen und ausgleichen.
Claims (13)
- Verfahren zur Bestimmung eines Offsetwertes eines Sensorsignals einer stromab einer Brennkraftmaschine (
1 ) angeordneten NOx-sensitiven Einrichtung (9 ,10 ) zur Bestimmung einer NOx-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1 ) mit einem stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) von Luft und Kraftstoff betrieben wird, Werte des NOx-Signals während des stöchiometrischen Betriebs ermittelt werden und ein repräsentativer Wert der ermittelten Werte als Offset identifiziert wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfüllung von Freigabebedingungen geprüft wird, bei deren Vorliegen die Bestimmung des Offsetwertes freigegeben wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Werte des Signals in einem wählbaren Zeitintervall erfolgt.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nicht-Erfüllung von zumindest einer Freigabebedingung die Ermittlung der Werte des Signals unterbleibt oder abgebrochen wird.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung der Freigabebedingungen der Ermittlung der Werte des Signals vorausgeht.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Offsetwertes erst nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit nach erfolgter Prüfung der Freigabebedingungen vorgenommen wird.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung der Freigabebedingungen parallel zur Ermittlung der Werte des Sensorsignals weitergeführt wird.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Freigabebedingung zumindest eine aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Vorliegen eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses, Vorliegen einer aktiv durchgeführten Lambda-Regelung, Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine, Einhaltung eines zulässigen Wertebereichs eines Lambdasondensignals der NOx-sensitiven Einrichtung (
9 ,10 ), zumindest annähernd stationärer Betrieb der Brennkraftmaschine (1 ), Einhaltung eines zulässigen Temperaturbereichs eines Katalysators (7 ), fehlerfreie Funktion von Sensoren und/oder Stellgliedern, welche das Luft/Kraftstoffverhältnis beeinflussen können, und/oder Ablauf einer Wartezeit nach Erfüllung anderer ausgewählten Freigabebedingungen. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des repräsentativen Werts in einem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine (
1 ) durchgeführt wird. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einsatz von mehreren NOx-Sensoren (
9 ,10 ) der Offsetwert für jeden der NOx-Sensoren (9 ,10 ) individuell bestimmt wird. - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-sensitive Einrichtung (
9 ,10 ) stromab einer Brennkraftmaschine (1 ) angeordnet ist und Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10 vorgesehen sind. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-sensitive Einrichtung (
9 ,10 ) stromab eines 3-Wege-Katalysators (6 ) oder eines NOx-Speicherkatalysators (7 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-sensitive Einrichtung (
9 ,10 ) zumindest einen NOx-Sensor (9 ,10 ) umfasst.
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