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DE10216278B4 - Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration bei einer Brennkraftmaschine (10), die eine Speicherkatalysatorsteuerung (36) und einen NOx-Speicherkatalysator (26) aufweist, bei dem Verfahren misst ein Temperaturfühler (20) eine Lufttemperatur und eine Sauerstoffsonde (28) stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator (26) den im Abgas enthaltenen Sauerstoffgehalt im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (10), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
– die Speicherkatalysatorsteuerung (36) schätzt oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur eine Luftfeuchte aufgrund des Sauerstoffgehalts und der Lufttemperatur ab und
– aus der abgeschätzten Luftfeuchte wird ein Korrekturfaktor (66) für den Wert der NOx-Konzentration (64) in dem Abgas stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration bei einer Brennkraftmaschine, die eine Speicherkatalysator-Steuerung und einen NOx-Speicherkatalysator besitzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei der Modellierung der NOx-Rohemission tritt das Problem auf, das diese im realen Fahrbetrieb starken Schwankungen unterworfen ist.
  • Aus DE 690 05 322 T2 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden bei Dieselmotorabgasen bekannt. Bei der Reinigung von Dieselabgasen werden ammoniak-selektive Reduktionsverfahren eingesetzt, die die genaue Menge der vorhandenen Stickoxide in dem Abgas benötigen. DE 690 05 322 T2 schlägt hierzu vor, einen Feuchtigkeitsdetektor zur Messung der Feuchtigkeit von der Ansaugluft vorzusehen und dessen Daten bei der Berechnung der Gesamtausstoßmenge der Stickoxide zu berücksichtigen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit einfachen Mitteln möglichst zuverlässig die NOx-Rohemission bestimmt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 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 un berücksichtigt. 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 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.
  • Die Abschätzung der Luftfeuchte durch die Speicherkatalysatorsteuerung schließt ebenfalls Verfahren ein, die mit einem oder mehreren Luftfeuchtesensoren arbeiten.
  • Ein bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
    •
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer NOx-Abgasnachbehandlungsanlage,
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild für ein Rohemissionsmodell, und
  • 3 zeigt die Begrenzung des Korrekturfaktors über der Temperatur.
  • In 1 ist schematisch eine Mager-Brennkraftmaschine mit einer NOx-Nachbehandlungsanlage gezeigt, bei der das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wird.
  • 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.
  • Zusätzlich in dem Ansaugkanal 12 ist ein Temperaturfühler 20 vorgesehen, der die Temperatur der Ansaugluft erfasst.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • Mit Bezug auf 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.
  • 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.
  • 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 3 gestrichelt eingezeichneten Verlauf.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer NOx-Konzentration bei einer Brennkraftmaschine (10), die eine Speicherkatalysatorsteuerung (36) und einen NOx-Speicherkatalysator (26) aufweist, bei dem Verfahren misst ein Temperaturfühler (20) eine Lufttemperatur und eine Sauerstoffsonde (28) stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator (26) den im Abgas enthaltenen Sauerstoffgehalt im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (10), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – die Speicherkatalysatorsteuerung (36) schätzt oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur eine Luftfeuchte aufgrund des Sauerstoffgehalts und der Lufttemperatur ab und – aus der abgeschätzten Luftfeuchte wird ein Korrekturfaktor (66) für den Wert der NOx-Konzentration (64) in dem Abgas stromaufwärts von dem NOx-Speicherkatalysator bestimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeuchte oberhalb der Mindesttemperatur und unterhalb einer Maximaltemperatur abhängig von dem durch eine Sauerstoffsonde bestimmten Sauerstoffgehalt sowie der Temperatur und für Temperaturwerte oberhalb der Maximaltemperatur auf einen von der Temperatur abhängigen Maximalwert für die Luftfeuchte bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der vorbestimmten Mindesttemperatur die geschätzte Luftfeuchte auf einen von der Temperatur abhängigen Maximalwert bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der um den Faktor korrigierte Wert der NOx-Konzentration der Speicherkatalysatorsteuerung (36) zur Steuerung des Fett- und Magerbetriebs dient.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der um den Faktor korrigierte Wert der NOx-Konzentration und/oder der Korrekturfaktor für die NOx-Konzentration einer Alterungsadaption der Parameter in der Speicherkatalysatorsteuerung (36) dient.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lufttemperatur die Temperatur der Umgebungsluft dient.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lufttemperatur die Temperatur der Ansaugluft dient.
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