DE10216278A1 - Process for determining a nitrogen oxides concentration in an internal combustion engine, comprises measuring an air temperature, estimating the air moisture, and determining a correction factor from the estimated air moisture - Google Patents
Process for determining a nitrogen oxides concentration in an internal combustion engine, comprises measuring an air temperature, estimating the air moisture, and determining a correction factor from the estimated air moistureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration bei einer Brennkraftmaschine, die eine Speicherkatalysator-Steuerung und einen NOx-Speicherkatalysator besitzt. The invention relates to a method for determining a NOx concentration in an internal combustion engine, the one Storage catalytic converter control and one Has NOx storage catalyst.
Bei NOx-Speicherkatalysatoren, die auch als NOx-Speicherreduktionskatalysatoren bezeichnet werden, werden in einer Beladungsphase NOx-Verbindungen aus dem Abgas gespeichert. NOx- Verbindungen entstehen verstärkt bei einer mageren Verbrennung. Auf die Beladungsphase folgt eine Regenerationsphase, in der die gespeicherten NOx-Verbindungen in unschädliche Verbindungen umgewandelt werden. Die Umwandlung erfolgt durch Reduktion, die durch Zugabe eines Reduktionsmittels ausgelöst wird. Als Reduktionsmittel können bei einer Otto- Brennkraftmaschine (CO, H2 und HC) durch kurzzeitiges Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem Fettzyklus erzeugt werden. In the case of NOx storage catalysts, which are also referred to as NOx storage reduction catalysts, NOx compounds from the exhaust gas are stored in a loading phase. NOx compounds are increasingly formed during lean combustion. The loading phase is followed by a regeneration phase in which the stored NOx compounds are converted into harmless compounds. The conversion takes place by reduction, which is triggered by the addition of a reducing agent. As a reducing agent in an Otto engine (CO, H 2 and HC) can be generated by briefly operating the engine with a rich cycle.
Der Adsorptionswirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators fällt mit höherem NOx-Beladungsgrad ab. Als Beladungsgrad wird hierbei der Quotient aus momentaner NOx-Beladung (absolut) und der maximalen NOx-Speicherkapazität definiert. Der Beladungsgrad dient einer Steuerung der Mager- und Fettzyklen. Für eine genaue Bestimmung des Beladungsgrades ist es erforderlich, die momentane Beladung und die maximale Speicherkapazität zu kennen. Die maximale Speicherkapazität für den Speicherkatalysator wird vorab auf einem Motorprüfstand durch Messung der eingelagerten NOx-Menge pro Zeiteinheit bis zum Erreichen eines Sättigungszustandes ermittelt. Da die Speicherfähigkeit einem Alterungsprozess unterliegt, kann der Wert für die Speicherfähigkeit über die Fahrzeuglaufstrecke adaptiert werden. Ein solches Verfahren ist von der Anmelderin in DE 198 51 564 C2 beschrieben. The adsorption efficiency of the NOx storage catalytic converter drops with a higher NOx loading level. As a degree of loading is the quotient of the current NOx load (absolute) and the maximum NOx storage capacity defined. The Degree of loading serves to control the lean and Fat cycles. It is for an accurate determination of the degree of loading required, the current load and the maximum To know storage capacity. The maximum storage capacity for the storage catalytic converter is tested in advance on an engine test bench by measuring the amount of NOx stored per unit of time up to determined to achieve a saturation state. Since the Storage capacity is subject to an aging process Value for the storage capacity over the vehicle running distance be adapted. Such a process is from Applicant described in DE 198 51 564 C2.
Wie vorstehend ausgeführt, benötigt die Katalysatorsteuerung einen möglichst genauen Wert der NOx-Rohkonzentration, also der NOx-Konzentration im Abgas stromaufwärts von einem Katalysator. Verfahren zur Adaption der Speicherkapazität vergleichen dabei häufig ein Beladungsmodell mit einer Messung und Abschätzung der gespeicherten NOx-Menge, die während einer sich an eine Magerphase anschließenden Fettphase durchgeführt wird. Eine Messung der Rohemission ist zwar technisch möglich, kommt aber aus wirtschaftlichen Gründen nicht zum Einsatz, so dass die Rohemission modelliert werden muss. As stated above, catalyst control is required the most accurate possible value of the raw NOx concentration, that is the NOx concentration in the exhaust gas upstream of one Catalyst. Procedure for adapting the storage capacity often compare a load model with a measurement and estimate the amount of NOx stored during a fat phase following a lean phase is carried out. Measuring raw emissions is technical possible, but is not used for economic reasons Use, so that the raw emission must be modeled.
Bei der Modellierung der NOx-Rohemission tritt das Problem auf, das diese im realen Fahrbetrieb starken Schwankungen unterworfen ist. The problem occurs when modeling raw NOx emissions on that these strong fluctuations in real driving is subject.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit einfachen Mitteln möglichst zuverlässig die NOx-Rohemission bestimmt. The invention is based on the object of a method create that with simple means as reliably as possible NOx raw emission determined.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche. According to the invention, the object is achieved by a method with the Features solved from claim 1. Advantageous configurations form the subject of the subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer NOx- Konzentration bei einer Brennkraftmaschine wird über einen Temperaturfühler eine Lufttemperatur erfasst. Oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur schätzt die Speicherkatalysatorsteuerung einen Wert für die Luftfeuchte ab. Aufgrund der abgeschätzten Luftfeuchte wird ein Korrekturfaktor für den Wert der NOx-Konzentration in dem Abgas stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt. In the method according to the invention for determining a NOx Concentration in an internal combustion engine is about one Temperature sensor detects an air temperature. Above one predetermined minimum temperature estimates the Storage catalytic converter control from a value for the air humidity. Due to the estimated humidity becomes a correction factor for the Value of the NOx concentration in the exhaust gas upstream of that NOx storage catalyst determined.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Luftfeuchte und damit der Wassergehalt der Luft bei der Verbrennung einen Einfluss auf die Konzentration von NOx- Verbindungen in den Verbrennungsprodukten hat. Ferner beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Erkenntnis, dass die Abhängigkeit von der Luftfeuchte mit einem multiplikativen Faktor modelliert werden kann. In der Luft sind je nach Luftdruck und -temperatur unterschiedliche Wasserdampfmengen vorhanden. Das Verhältnis der wirklich vorhandenen Wasserdampfmenge zu der bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur möglichen Wasserdampfmenge, ausgedrückt in Prozent, wird als relative Luftfeuchte bezeichnet. Für die Brennkraftmaschine kann die Abhängigkeit vom Luftdruck unberücksichtigt bleiben, so dass oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur ein Wert für die Luftfeuchte abhängig von der Temperatur bestimmt wird. The invention is based on the knowledge that the Humidity and thus the water content of the air at Combustion affects the concentration of NOx Has compounds in the combustion products. Furthermore based the inventive method on the knowledge that the Dependence on the air humidity with a multiplicative Factor can be modeled. In the air are depending Air pressure and temperature different amounts of water vapor available. The ratio of the really existing Amount of water vapor at the given pressure and temperature possible amount of water vapor, expressed as a percentage, is expressed as relative humidity. For the internal combustion engine the dependence on air pressure can be disregarded, so that above a predetermined minimum temperature Value for air humidity determined depending on the temperature becomes.
In einer vorteilhaften Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens misst eine Sauerstoffsonde stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator den in der Luft enthaltenen Sauerstoffgehalt im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine. Die Speicherkatalysatorsteuerung bestimmt aufgrund des Sauerstoffgehalts und der Lufttemperatur den Wert für die Luftfeuchte. Diesem Schritt liegt die Überlegung zugrunde, dass die reguläre Sauerstoffkonzentration in der Luft mit ungefähr 21% bekannt ist. Misst die Lambdasonde nun im Schubbetrieb eine von dieser Konzentration abweichende, geringere Sauerstoffkonzentration, wird angenommen, dass diese durch eine erhöhte Luftfeuchte gesunken ist. Dieser Effekt ist bei Raumtemperatur vernachlässigbar, jedoch bei Temperaturen oberhalb von 30°C macht er sich bemerkbar. In an advantageous development of the invention The method measures an oxygen probe upstream of that NOx storage catalyst in the air Oxygen content in the overrun mode of the internal combustion engine. The Storage catalyst control determined based on the Oxygen content and the air temperature the value for the air humidity. This step is based on the consideration that the regular oxygen concentration in the air at about 21% is known. The oxygen sensor now measures one of the overrun this concentration deviating, lower Oxygen concentration, it is believed that this is due to an increased Humidity has dropped. This effect is Room temperature negligible, but at temperatures above It makes itself felt at 30 ° C.
In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird die Luftfeuchte oberhalb der Mindesttemperatur und unterhalb einer Maximaltemperatur abhängig von dem durch eine Sauerstoffsonde gefühlten Sauerstoffgehalt und der Temperatur bestimmt. Ferner wird für Temperaturwerte oberhalb der Maximaltemperatur die Luftfeuchte auf einen von der Temperatur unabhängigen Maximalwerte der Luftfeuchte bestimmt. Bei dieser Weiterentwicklung können drei Temperaturintervalle unterschieden werden. Unterhalb einer Minimaltemperatur bleibt die Luftfeuchte unberücksichtigt. In einem Temperaturintervall von der Minimaltemperatur bis zur Maximaltemperatur, erfolgt die Schätzung der Luftfeuchte aufgrund des von der Sauerstoffsonde bestimmten Werts. Durch die Beschränkung der Schätzung der Luftfeuchte auf gewisse Temperaturintervalle erfolgt eine Plausibilisierung der Korrekturfaktoren. In a further development of the process, the Air humidity above the minimum temperature and below one Maximum temperature depending on that by an oxygen probe sensed oxygen content and temperature. Further is used for temperature values above the maximum temperature Humidity to a temperature independent Maximum air humidity values determined. At this Further development, three temperature intervals can be differentiated. The air humidity remains below a minimum temperature unconsidered. In a temperature interval from the From the minimum temperature to the maximum temperature, the estimate is made the humidity due to that from the oxygen probe certain value. By limiting the estimate of the Humidity occurs at certain temperature intervals Plausibility check of the correction factors.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Temperaturbereich nicht in drei Bereich unterteilt, sondern erfolgt für jede Temperatur oberhalb der vorbestimmten Mindesttemperatur eine Schätzung der Luftfeuchte auf den von der Lufttemperatur abhängigen Maximalwert. Alternativ hierzu kann die Schätzung der Luftfeuchte oberhalb der Mindesttemperatur auch abhängig von dem gemessenen Sauerstoffgehalt erfolgen. In a further possible embodiment of the The inventive method does not have a temperature range in three Area divided, but takes place for each temperature an estimate of the temperature above the predetermined minimum temperature Humidity on the depending on the air temperature Maximum value. Alternatively, you can estimate the humidity above the minimum temperature also depending on the measured oxygen content.
Die Abschätzung der Luftfeuchte durch die Speicherkatalysatorsteuerung schließt ebenfalls Verfahren ein, die mit einem oder mehreren Luftfeuchtesensoren arbeiten. The estimate of the humidity by the Storage catalyst control also includes methods that involve a or several humidity sensors work.
Ein bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. A preferred embodiment is described below of the figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer NOx-Abgasnachbehandlungsanlage, Fig. 1 is a schematic representation showing an internal combustion engine with an NOx exhaust gas aftertreatment system,
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für ein Rohemissionsmodell, und Fig. 2 shows a block diagram for a raw emission model, and
Fig. 3 zeigt die Begrenzung des Korrekturfaktors über der Temperatur. Fig. 3 shows the limit of the correction factor over temperature.
In Fig. 1 ist schematisch eine Mager-Brennkraftmaschine mit einer NOx-Nachbehandlungsanlage gezeigt, bei der das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wird. In Fig. 1 shows schematically a lean burn engine with a NOx aftertreatment system shown, in which the inventive method is used.
Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 12 ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt. In dem Ansaugkanal 12 ist ein Luftmassensensor 14 und ein Drosselklappenblock 16 stromabwärts vorgesehen. Stromabwärts von dem Drosselklappenblock 16 ist ein Einspritzventil 18 dargestellt. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch deutlich wird, kann dies auch bei einer Direkteinspritzung eingesetzt werden. The internal combustion engine 10 is supplied with an air / fuel mixture via an intake duct 12 . An air mass sensor 14 and a throttle valve block 16 are provided downstream in the intake duct 12 . An injection valve 18 is shown downstream of the throttle valve block 16 . As will become clear from the following description of the method according to the invention, this can also be used for direct injection.
Zusätzlich in dem Ansaugkanal 12 ist ein Temperaturfühler 20 vorgesehen, der die Temperatur der Ansaugluft erfasst. In addition, a temperature sensor 20 is provided in the intake duct 12 , which detects the temperature of the intake air.
Ausgangsseitig von der Brennkraftmaschine 10 befindet sich der Abgaskanal 22. In dem Abgaskanal ist ein Drei-Wege- Katalysator 24 stromaufwärts von einem NOx-Speicherkatalysator 26 vorgesehen. Exhaust gas duct 22 is located on the output side of internal combustion engine 10 . A three-way catalytic converter 24 is provided in the exhaust gas duct upstream of a NOx storage catalytic converter 26 .
In dem Abgastrakt 22 ist ein Sauerstoffmessaufnehmer 28 stromaufwärts von dem Drei-Wege-Katalysator und ein zweiter Sauerstoffmessaufnehmer 30 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 26 vorgesehen. Ferner sind im Abgastrakt noch Temperatursensoren 32 und 34 vorgesehen, die zur Steuerung der Fett- und Magerzyklen dienen und für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht weiter von Bedeutung sind. In the exhaust tract 22 , an oxygen sensor 28 is provided upstream of the three-way catalytic converter and a second oxygen sensor 30 downstream of the NOx storage catalytic converter 26 . Furthermore, temperature sensors 32 and 34 are also provided in the exhaust tract, which serve to control the rich and lean cycles and are of no further importance for an understanding of the present invention.
Eine Steuereinrichtung für die Abgasnachbehandlung ist allgemein mit 36 bezeichnet. Die Steuereinrichtung 36 besitzt ein Modul 38, das einen Wert für die NOx-Rohemission berechnet. Eingangsgröße für das Modul 38 bildet eine berechnete NOx- Rohemission 40. Mit Bezug auf Fig. 2 wird nachfolgend beispielhaft ein Verfahren zu deren Berechnung erläutert. An dem Modul 38 liegt ferner die von dem Temperaturfühler 20 erfasste Lufttemperatur im Ansaugtrakt 12 an. Zusätzlich zu der Lufttemperatur wird der von dem Sauerstoffmessaufnehmer 28, vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde gefühlte Sauerstoffwert an das Modul 38 weitergeleitet. Als Ausgangsgröße wird eine korrigierte NOx-Rohemission 42 ausgegeben. A control device for exhaust gas aftertreatment is generally designated 36. The control device 36 has a module 38 which calculates a value for the raw NOx emission. The input variable for the module 38 forms a calculated raw NOx emission 40 . A method for the calculation thereof is explained below with reference to FIG. 2. The air temperature detected by the temperature sensor 20 is also present in the intake tract 12 on the module 38 . In addition to the air temperature, the oxygen value sensed by the oxygen sensor 28 , preferably a broadband lambda probe, is forwarded to the module 38 . A corrected raw NOx emission 42 is output as the output variable.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird die Berechnung der NOx-Rohemission 40 und des Korrekturfaktors näher erläutert. Die Bestimmung der NOx-Rohemission erfolgt abhängig von Last 44 und Drehzahl 46. Über ein erstes Kennfeld 48 wird aus diesen Betriebsgrößen ein erster grober Wert 50 für die NOx-Rohemission bestimmt. Dieser Wert wird nachfolgend multiplikativ durch Berücksichtigung der Abgasrückführrate 52 korrigiert. Einem Wert für die Abgasrückführrate 52 entspricht über die Kennlinie 54 ein Korrekturfaktor für die erste grobe Bestimmung der NOx-Rohemission. Weiterhin wird über eine Kennlinie 56 die Androsselung 58 berücksichtigt. Ebenfalls berücksichtigt wird die Ansauglufttemperatur 60, die über Kennlinie 62 die modellierte NOx-Rohkonzentration 64 ergibt. The calculation of the raw NOx emission 40 and the correction factor is explained in more detail with reference to FIG. 2. The raw NOx emission is determined depending on load 44 and speed 46 . A first rough map 48 is used to determine a first rough value 50 for the raw NOx emission from these operating parameters. This value is subsequently corrected multiplicatively by taking the exhaust gas recirculation rate 52 into account. A value for the exhaust gas recirculation rate 52 corresponds to a correction factor for the first rough determination of the raw NOx emission via the characteristic curve 54 . Throttling 58 is also taken into account via a characteristic curve 56 . Also taken into account is the intake air temperature 60 , which gives the modeled raw NOx concentration 64 via characteristic curve 62 .
Das hier beschriebene Modell für die Rohemission betrifft den Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine. Es können auch andere Modelle zur Bestimmung der NOx-Rohkonzentration 64 eingesetzt werden. Der so bestimmte Wert für die NOx-Rohkonzentration wird nachfolgend mit einem Korrekturfaktor 66 multipliziert, der aufgrund der Luftfeuchte in der Ansaugluft bestimmt wurde. Ergebnis ist die korrigierte NOx-Rohemission 68. The model for raw emissions described here relates to stratified operation of the internal combustion engine. Other models for determining the raw NOx concentration 64 can also be used. The value thus determined for the raw NOx concentration is subsequently multiplied by a correction factor 66 , which was determined on the basis of the air humidity in the intake air. The result is the corrected raw NOx emission 68 .
Fig. 3 zeigt grob einen Bereich 70 von Werten für den Korrekturfaktor C_KORR 66. Zu einem vorgegebenen Temperaturwert der Luft, beispielsweise 25°C liegt der zulässige Korrekturfaktor zwischen den Werten 1 und dem Wert C_MIN 70. Je nach gewähltem Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchte wird der Korrekturwert für die NOx-Rohemission in diesem Intervall liegen. Wird beispielsweise die Luftfeuchte so bestimmt, dass bei einer Temperatur unterhalb von 25°C keine Korrektur erfolgt und bei einer Temperatur oberhalb von 25°C jeweils ein Maximalwert für die Luftfeuchte bestimmt wird, so zeigt der Korrekturfaktor C ungefähr den in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Verlauf. Fig. 3 shows roughly a range of values 70 for the correction factor C_KORR 66th For a given temperature value of the air, for example 25 ° C, the permissible correction factor lies between the values 1 and the value C_MIN 70 . Depending on the selected method for determining the air humidity, the correction value for the raw NOx emission will lie in this interval. If, for example, the air humidity is determined in such a way that no correction is made at a temperature below 25 ° C. and a maximum value for the air humidity is determined at a temperature above 25 ° C., the correction factor C roughly shows the one shown in broken lines in FIG Course.
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