DE19956822B4

DE19956822B4 - Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration

Info

Publication number: DE19956822B4
Application number: DE19956822A
Authority: DE
Inventors: Tim Walde; Bertrand Dr. Lemire
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: US20020179458A1; EP1232391A2; KR20020060760A; KR100754535B1; WO2001038864A3; DE19956822A1; WO2001038864A2; JP2003515166A; US6699383B2; JP4746239B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Meßaufnehmers mit
– einer ersten Meßzelle, in die ein Teil des Abgases eingeführt wird und in der eine erste Sauerstoffkonzentration durch einen Sauerstoffionen-Pumpstrom eingestellt wird,
– einer zweiten Meßzelle, die mit der ersten Meßzelle verbunden ist und in der eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei
– die NOx-Konzentration in der zweiten Meßzelle gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) aus dem Sauerstoffionen-Pumpstrom ein Luftverhältnissignal bestimmt wird, das eine Funktion des λ-Wertes des Abgases wiedergibt,
b) aus dem Luftverhältnissignal ein Meßfehler bestimmt wird, der die Abweichung der gemessenen NOx-Konzentration von der wahren NOx-Konzentration wiedergibt, und
c) die gemessene NOx-Konzentration um den Meßfehler korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z. B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschicht-Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist beispielsweise in der Veröffentlichung N. Kato et al., "Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 980170, 1989, oder in N. Karo et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbaniere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer Meßelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Meßaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z. B. 750°C, gebracht.
Bei dieser Messung der NOx-Konzentration entsteht eine Abweichung der wahren NOx-Konzentration, da es durch einen Schlupf von Sauerstoff von der ersten in die zweite Kammer zu einer Verfälschung des NOx-Meßwertes kommt. Das Abpumpen des Sauerstoffschlupfes in der zweiten Zelle reduziert zwar den das Meßsignal verfälschenden Sauerstoffgehalt erheblich, jedoch nicht vollständig, da immer noch Sauerstoff, der nicht aus der Zersetzung von NOx stammt, miterfaßt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine unter Verwendung des oben beschriebenen Meßaufnehmers exakter erfaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Meßfehler des von einem in Zweikammerbauweise aufgebauten NOx-Meßaufnehmer gelieferten Wertes für die NOx-Konzentration von der Höhe der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine abhängt. Der Meßwertaufnehmer kann die Sauerstoffkonzentration nicht messen. Der erste Sauerstoffionen-Pumpstrom ist eben ein direktes Maß für das Luftverhältnis λ des Abgases. Bezieht man diesen Meßfehler nun nicht auf die Sauerstoffkonzentration, sondern auf λ, vorzugsweise auf dessen Kehrwert 1/λ, so zeigt sich, daß der Meßfehler bei vielen Meßaufnehmern durch eine einfache Funktion, bei 1/λ sogar weitgehend linear beschrieben werden kann. Unter weitgehend linear wird dabei verstanden, daß bei einer Reihenentwicklung Terme höherer Ordnung nur noch mit sehr kleinen Koeffizienten berücksichtigt werden müssen.
Aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom in der ersten Meßzelle wird somit ein Luftverhältnissignal, vorzugsweise der 1/λ-Wert des Abgases gewonnen, mittels dem der Meßfehler unter Ausnützung eines Zusammenhangs zwischen Luftverhältnissignal und Meßfehler bestimmt wird. Um diesen Meßfehler wird die gemessene NOx-Konzentration dann korrigiert.
Vorzugsweise wird der Zusammenhang zuvor in einer Kalibriermessung bestimmt, so daß der Meßfehler in Form eines Kennfeldes, einer Kennlinie oder eines funktionalen Zusammenhangs vorliegt.
Um das Luftverhältnissignal aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom gewinnen zu können, wird weiter eine Kennlinie bestimmt, die den Zusammenhang zwischen erstem Sauerstoffionen-Pumpstrom in der ersten Zelle und dem Luftverhältnissignal, beispielsweise 1/λ oder einer anderen Funktion von λ wiedergibt. Dabei ist der Zusammenhang zwischen erstem Sauerstoffionen-Pumpstrom und 1/λ überraschenderweise weitgehend linear, so daß es weiter vorteilhaft ist, als Luftverhältnissignal 1/λ zu wählen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß bei der Korrektur der gemessenen NOx-Konzentration nur Multiplikationen, Subtraktionen und Additionen nötig sind. Eine Division, die die Rechenleistung eines kostengünstigen Mikrokontrollers übermäßig stark beanspruchen würde, ist nicht erforderlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines NOx-Meßaufnehmers und
3 ein schematisches Flußdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Meßaufnehmer 1 wird in der in 1 dargestellten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Meßwerte des NOx-Meßaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx-Meßaufnehmer 24 verbunden ist, und einem Betriebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzufuhrsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhalten zeigt.
Der Meßaufnehmer 24, 1 ist in 2 detaillierter dargestellt. Der aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO2 bestehende Meßaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird durch Abgriff einer Nernstspannung zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Dabei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 angeordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt.
Die abgegriffene Nernstspannung wird einem als Regler CO dienenden 8-Bit Mikrocontroller zugeführt, der eine Stellspannung VSO bereitstellt. Diese steuert eine spannungsgesteuerte Stromquelle UI0 an, die einen ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des Meßaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird mittels der Stellspannung VS0 vom Regler C0 in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingeregelt. Diese wird über die Nernstspannung zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen, so daß der Regelkreis des Reglers C0 geschlossen ist. Der erste Sauerstoffionen-Pumpstrom ist ein Maß für das Luftverhältnis im Abgas, wie von Lambda-Sonden bekannt ist.
Die beschriebene Schaltkreisanordnung stellt so in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Die zweite Meßzelle 8 ist mit der ersten Meßzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Meßzelle 8. In der zweiten Meßzelle wird über eine Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung abgegriffen und einem Regler C1 zugeführt, der eine zweite Stellspannung VS1 bereitstellt, mit der eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle UI1 angesteuert wird. Die Schaltkreisanordnung zum Treiben des Sauerstoffionen-Pumpstroms IP1 aus der zweiten Meßzelle 8 heraus entspricht somit der Schaltkreisanordnung für die erste Meßzelle 4.
Die Schaltkreisanordnung treibt den Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 so, daß sich in der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.
Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, daß NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere keine Zersetzung stattfindet. Das NOx wird nun an der Meßelektrode 20, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 von der Meßelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Meßzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen, die aus der Zersetzung von NOx an der Meßelektrode 10 stammen. Der Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Abgas.
Dieser Pumpstrom IP2 wird wie die vorherigen Pumpströme von einer spannungsgesteuerten Stromquelle UI2 getrieben, deren Stellspannung VS2 von einem Regler C2 vorgegeben wird, der die Nernstspannung zwischen der der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift und durch Vorgabe der Stellspannung VS2 eine vorbestimmte Nernstspannung einregelt.
Der Restsauerstoffgehalt der Meßzelle 8 ist jedoch nur Idealerweise Null, da ein Schlupf von Sauerstoff von der ersten in die zweite Meßzelle immer noch eine Abhängigkeit der gemessenen NOx-Konzentration von der Sauerstoffkonzentration im Abgas bewirkt.
Diese Abhängigkeit wird nun rechnerisch nach dem in 3 schematisch dargestellten Verfahren korrigiert. Zuerst wird aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 in der ersten Meßzelle 4 ein Sauerstoffsignal 1/LAM gewonnen, welches das Luftverhältnis im Abgas ausdrückt. Die Umwandlung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms IP0 erfolgt dabei mit einer Kennlinie 15 oder einem Kennfeld, das jedem Strom einen 1/λ-Wert, der in diesem Fall das Luftverhältnissignal 1/LAM ist, zuordnet. Die Kennlinie 15 wurde zuvor für den jeweiligen Meßaufnehmer 1 in einer Kalibriermessung bestimmt.
Dieses Luftverhältnissignal 1/LAM wird mit einer weiteren Kennlinie 16 in einen Meßfehler NOx_D umgesetzt. Die Kennlinie 16 wurde aus einer entsprechenden Kalibriermessung des Meßaufnehmers 1 gewonnen und drückt den Zusammenhang zwischen Meßfehler und 1/LAM aus.
Für den Fall, daß sich ein funktionaler Zusammenhang zwischen Meßfehler NOx_D und Luftverhältnissignal 1/LAM finden läßt, wird die Umsetzung per Kennlinie durch eine Umrechnung per funktionalem Zusammenhang ersetzt. Wird als Luftverhältnissignal der 1/λ-Wert genommen, ergibt sich ein weitgehend linearer Zusammenhang. Kann man sich nicht auf einen solchen wesentlich linearen Zusammenhang stützen, ist anstatt einer Funktion die Kennlinie 16 hinterlegt. Im folgenden wird jedoch davon ausgegangen, daß der 1/λ-Wert als Luftverhältnissignal 1/LAM verwendet wird und somit die Stützung auf einen weitgehend linearen Zusammenhang erfolgt. Dann kann durch einfache Multiplikation des Wertes des Luftverhältnissignals 1/LAM mit einem Multiplikationsfaktor sowie Addition eines Additionsfaktors ein Meßfehler NOx_D erhalten werden. Durch eine einfache Multiplikation dieses dann beispielsweise als Korrekturmultiplikator realisierten Meßfehlers NOx_D in der Rechenoperation 17 mit der gemessenen NOx-Konzentration NOx-M erhält man die korrigierte NOx-Konzentration NOx_C.
Dabei wird weder bei der Bestimmung des Meßfehlers NOx_D aus dem Luftverhältnissignal 1/LAM noch bei der Berechnung der korrigierten NOx-Konzentration NOx_C eine Division erforderlich, die in der Regel eine Gleitkommaarithmetik mit sich brächte und deshalb einen aufwendigen Mikrokontroller erforderte. Stattdessen kann ein einfacher kostengünstiger Mikrokontroller verwendet werden.
Ist es nicht möglich, sich bei der Bestimmung des Meßfehlers NOx_D aus dem Luftverhältnissignal 1/LAM auf einen weitgehend linearen Zusammenhang zu stützen, sondern wird eine Kennlinie 16 eingesetzt, kann man die Kennlinie 15 mit dieser Kennlinie 16 vereinigen, so daß direkt aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 der Meßfehler NOx_D, beispielsweise als Multiplikations- oder Additionskorrekturfaktor erhalten wird. Dann fällt ein Arbeitsschritt weg, da auf die Generierung des Luftverhältnissignals 1/LAM verzichtet wird. Benötigt man allerdings dieses Luftverhältnissignal 1/LAM, beispielsweise für andere Steuerungs- oder Regelungsfunktionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine, kann es natürlich dennoch aus dem ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 erzeugt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Meßaufnehmers mit – einer ersten Meßzelle, in die ein Teil des Abgases eingeführt wird und in der eine erste Sauerstoffkonzentration durch einen Sauerstoffionen-Pumpstrom eingestellt wird, – einer zweiten Meßzelle, die mit der ersten Meßzelle verbunden ist und in der eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei – die NOx-Konzentration in der zweiten Meßzelle gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) aus dem Sauerstoffionen-Pumpstrom ein Luftverhältnissignal bestimmt wird, das eine Funktion des λ-Wertes des Abgases wiedergibt, b) aus dem Luftverhältnissignal ein Meßfehler bestimmt wird, der die Abweichung der gemessenen NOx-Konzentration von der wahren NOx-Konzentration wiedergibt, und c) die gemessene NOx-Konzentration um den Meßfehler korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen Luftverhältnissignal und Meßfehler in einer Kalibriermessung bestimmt wird, in der der Meßaufnehmer verschiedenen Gasgemischen ausgesetzt wird, und der Meßfehler erfaßt und in Form eines Kennfeldes oder einer Kennlinie oder eines funktionalen Zusammenhangs beschrieben wird, wobei in den Gasgemischen mindestens λ-Wert und NOx-Konzentration variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Korrektur im Schritt c) durch Multiplikations-Additions- und/oder Subtraktionsrechenoperationen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusammenhang zwischen Luftverhältnissignal und Meßfehler im Schritt b) eine weitgehend lineare Funktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) auf eine Kennlinie oder ein Kennfeld zugegriffen wird, um das Luftverhältnissignal aus dem Sauerstoffionen-Pumpstrom zu bestimmen.