[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftverhältnisses λ mittels
einer im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Lambda-Sonde.
[0002] Die Kenntnis des Luftverhältnisses λ ist im Rahmen des Betriebs bzw. der Steuerung
einer Brennkraftmaschine von besonderer Bedeutung.
[0003] So wird das Luftverhältnis λ zur Festlegung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
des Einspritzzeitpunktes und/oder zur Steuerung einer Abgasrückführung benötigt, aber
auch zur Überwachung und zum Betreiben der unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme,
die nach dem Stand der Technik zur Reduzierung der Schadstoffe eingesetzt werden und
auf die im folgenden beispielhaft eingegangen wird. In diesem Zusammenhang wird deutlich
werden, dass das Luftverhältnis λ ein wesentlicher Betriebsparameter der Brennkraftmaschine,
insbesondere im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung, ist.
[0004] Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen
mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet bei einem
ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen
eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO)
statt. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter im Abgastrakt
vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen
spürbar zu reduzieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden das Kohlenmonoxid
(CO) und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) unter dem Begriff der "reduzierenden
Abgasbestandteile" bzw. "zu oxidierenden Abgasbestandteile" zusammengefaßt.
[0005] Bei Ottomotoren kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer
Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation
von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide
reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erreicht
werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb
(λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide NO
x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden
und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten
oxidiert werden.
[0006] Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, beispielsweise
im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, aber auch direkteinspritzende Dieselmotoren
und auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide
prinzipbedingt d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.
[0007] Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO)
wird daher im Abgassystem ein Oxidationskatalysator vorgesehen. Sowohl diese für direkteinspritzende
Brennkraftmaschinen verwendeten Oxidationskatalysatoren als auch die bei herkömmlichen
Ottomotoren eingesetzten Drei-Wege-Katalysatoren benötigen eine bestimmte Betriebstemperatur,
um die Schadstoffe in ausreichendem Maße zu konvertieren und die Schadstoffemissionen
spürbar zu reduzieren. Die Drei-Wege-Katalysatoren sollen im Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu den Oxidationskatalysatoren gezählt werden.
[0008] Sollen lediglich die üblicherweise im Abgas enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe
bzw. das vorliegende Kohlenmonoxid oxidiert werden, kann eine Mindestbetriebstemperatur
von 150°C bis 250°C als ausreichend angesehen werden. Insbesondere aufgrund der hohen
HC-Emissionen während der Kaltstartphase ist der Oxidationskatalysator in der Regel
das Abgasnachbehandlungssystem, das am nächsten am Auslaß der Brennkraftmaschine angeordnet
ist und zuerst von den heißen Abgasen durchströmt wird.
[0009] Zur Oxidation der zu reduzierenden Abgasbestandteile mittels Oxidationskatalysator
ist Sauerstoff erforderlich, der im Abgas selbst vorliegen kann und/oder der vorwiegend
während des überstöchiometrischen Betriebs (λ > 1) der Brennkraftmaschine in der Oberflächenbeschichtung
des Oxidationskatalysators eingelagert wird und während des überstöchiometrischen
Betriebs (λ < 1) der Brennkraftmaschine freigesetzt und zur Oxidation genutzt wird.
[0010] Zur Bestimmung der eingelagerten und freigesetzten Sauerstoffmengen mittels Rechenmodellen
kann stromaufwärts und stromabwärts des Oxidationskatalysators eine Lambda-Sonde vorgesehen
werden. Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases kann eine Lambda-Sonde stromaufwärts
des Oxidationskatalysators dienen.
[0011] Zur Reduzierung der Stickoxide werden u. a. selektive Katalysatoren, sogenannte SCR-Katalysatoren,
eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die
Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und
Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als
HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in den
Abgastrakt eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, beispielsweise
durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der
eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff
nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die
- auch nach Beendigung der Hauptverbrennung - hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet
werden, sondern während des Ladungswechsels in den Abgastrakt eingeleitet werden.
[0012] Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit einem sogenannten Stickoxidspeicherkatalysator
(
LNT -
Lean
NO
x Trap) reduziert werden.
[0013] Dabei werden die Stickoxide zunächst - während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine
- im Katalysator absorbiert d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer
Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise
λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden, wobei die
im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel dienen.
Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel,
insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung (AGR)
und - bei Dieselmotoren - die Drosselung im Ansaugtrakt. Wie bereits für die SCR-Katalysatoren
weiter oben ausgeführt, kann eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen
auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff realisiert werden oder aber das Reduktionsmittel
wird direkt in den Abgastrakt eingebracht, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem
Kraftstoff stromaufwärts des LNT.
[0014] Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im wesentlichen
in Stickstoffdioxid (N
2), Kohlenstoffdioxid (CO
2) und Wasser (H
2O) umgewandelt. Zur Einleitung und Steuerung der Regenrationsphase kann eine stromaufwärts
des LNT angeordnete Lambda-Sonde dienen, mit welcher das momentane im Abgasstrom vorliegende
Luftverhältnis λ bestimmt wird.
[0015] Der im Abgas enthaltene Schwefel wird ebenfalls im LNT absorbiert und muß im Rahmen
einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden. Hierfür muß der LNT auf
hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700 °C, erwärmt und - wie für
die Regeneration zuvor beschrieben - mit einem Reduktionsmittel versorgt werden.
[0016] Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte
regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern
und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend
verbrannt werden. Hierzu ist Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuß im Abgas erforderlich,
um den Ruß im Filter zu oxidieren, was beispielsweise durch einen überstöchiometrischen
Betrieb (λ > 1) der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. In der Regel ist für
die Regeneration des Filters eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 3 bis 5%
erforderlich.
[0017] Grundsätzlich kann mittels Lambda-Sonden auch die Funktionstüchtigkeit eines Oxidationskatalysators
und/oder eines LNT überwacht werden, wie dies in der Anmeldung
EP 06126595.5 beschrieben ist.
[0018] Bei der meßtechnischen Bestimmung des Luftverhältnisses λ mittels Lambda-Sonde ist
ein meßtechnisches Fehlverhalten der Lambda-Sonde zu beobachten. Bei Überschreiten
einer bestimmten HC-Konzentration HC
threshold im Abgas liefert die Lambda-Sonde einen vom tatsächlich vorliegenden Luftverhältnis
λ
tat abweichenden Wert λ
mess für das Luftverhältnis.
[0019] Dabei gibt die Sonde eine Meßgröße λ
mess aus, die über dem tatsächlich vorliegenden Luftverhältnis λ
tat liegt d.h. das mittels Lambda-Sonde ermittelte Luftverhältnis λ
mess ist größer als das tatsächliche Luftverhältnis λ
tat.
[0020] Die Abweichung des meßtechnisch ermittelten Luftverhältnisses λ
mess vom tatsächlich vorliegenden Luftverhältnis λ
tat ist abhängig von der HC-Konzentration stromaufwärts der Sonde und der Raumgeschwindigkeit
des Abgases bzw. der Verweilzeit der die Sonde passierenden Abgase an der Sonde, wobei
der Meßfehler mit zunehmender HC-Konzentration zunimmt, wie in Figur 1 dargestellt.
[0021] Figur 1 zeigt in einem Diagramm den Meßfehler in [%] d. h. (λ
tat - λ
mess)/ A
mess in [%] über der HC-Konzentration [ppm] im Abgas bei einer vorgegebenen Raumgeschwindigkeit.
Dargestellt sind eine Vielzahl von Wertepaaren und die dazugehörige Regressionsgerade.
[0022] Die technischen Zusammenhänge, welche zu dem Fehlverhalten der Sonde bzw. zu dem
oben beschriebenen Meßfehler bei der Bestimmung des Luftverhältnisses λ führen, werden
im folgenden kurz unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert.
[0023] Gemäß Figur 2 passiert das Abgas die im Abgassystem bzw. der Abgasleitung angeordnete
Sonde 1 (kenntlich gemacht mit Pfeilen). Stromaufwärts der Sonde 1 weist das Abgas
eine O
2-Konzentration O
2,up auf. Des weiteren enthält das Abgas unter anderem Kohlendioxid (CO
2), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in den Konzentrationen
CO
2,up, CO
up und HC
up.
[0024] Zumindest ein Teil der reduzierenden Abgasbestandteile d. h. der zu oxidierenden
Abgasbestandteile d. h. des Kohlenmonoxids (CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
(HC) werden beim Passieren der Sonde an der Sonde oxidiert. Diese Oxidationsvorgänge
sind denen in einem Oxidationskatalysator ablaufenden Reaktionen ähnlich; auch weil
die Sonde zumindest teilweise mit ähnlichen bzw. identischen Materialien beschichtet
ist wie ein Oxidationskatalysator.
[0025] Infolge der Oxidationsvorgänge nehmen die Konzentrationen der beteiligten Abgasbestandteile
ab, so dass die Konzentration des Kohlenmonoxids (CO), der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
(HC) und des Sauerstoffs stromabwärts der Sonde - CO
down, HC
down und O
2,down - unterhalb der Konzentrationen CO
up, HC
up,O
2,up stromaufwärts der Sonde liegen.
[0026] Die Abnahme der Sauerstoffkonzentration von O
2,up auf O
2,down resultiert aus dem Sauerstoffverbrauch im Rahmen der an der Sonde ablaufenden Oxidationsvorgänge.
Der Wert λ
mess, den die Sonde als Meßgröße ausgibt, basiert auf der Sauerstoffkonzentration stromabwärts
der Sonde (O
2,down), so dass λ
mess auch als λ
down bezeichnet werden kann. Es gilt:
[0027] Die an der Sonde ablaufenden Oxidationsvorgänge können aber keinen beliebig großen
Umfang annehmen. Übersteigt die HC-Konzentration stromaufwärts der Sonde einen bestimmten
Schwellenwert mit HC
up > HC
threshold, ist die Sonde nicht mehr in der Lage, darüber hinaus weiteres HC zu oxidieren.
[0028] Figur 3a zeigt diesen funktionalen Zusammenhang, wobei die HC-Konzentration stromaufwärts
der Sonde (HC
up) auf der Abszisse und die an der Sonde abgebaute HC-Konzentration (ΔHC
Sonde) auf der Ordinate aufgetragen sind; jeweils in ppm.
[0029] Liegt im Abgas beispielsweise eine HC-Konzentration von HC
up = 20.000ppm vor und weist die Sonde eine maximale Oxidationskapazität d.h. einen
Schwellenwert von HC
threshold = 8.000ppm auf, liegen im Abgas stromabwärts der Sonde unverbrannte Kohlenwasserstoffe
in einer Konzentration von HC
down = 12.000ppm vor.
[0030] Figur 3b zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen der HC-Konzentration stromaufwärts
der Sonde (HC
up), welche wieder auf der Abszisse aufgetragen ist, und der Konzentration stromabwärts
der Sonde (HC
down), welche auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Figuren 3a und 3b korrespondieren
miteinander.
[0031] Bezugnehmend auf das zuvor genannte Beispiel entspricht also der von der Sonde ermittelte
Meßwert λ
mess dem tatsächlichen Luftverhältnis λ
tat solange gilt: HC
up < HC
threshold.
[0032] Gilt aber HC
up > HC
threshold stellt das oben genannte tatsächliche Luftverhältnis λ
tat lediglich einen theoretischern Wert dar, bei dem davon ausgegangen wird, dass die
reduzierenden Abgasbestandteile tatsächlich vollständig an der Sonde oxidiert werden,
so dass die HC-Konzentration stromabwärts der Sonde also Null wäre. Dieses theoretische
Luftverhältnis λ
tat ist für eine Vielzahl von Anwendungsfällen nützlich. Die in der Motorsteuerung für
den Betrieb der Brennkraftmaschine abgelegten Algorithmen basieren teilweise auf diesem
- in Einzelfällen lediglich theoretischen - Luftverhältnis λ
tat.
[0033] Mit dem tatsächlichen Luftverhältnis λ
tat läßt sich auch eine tatsächliche Sauerstoffkonzentration stromabwärts der Sonde (O
2,down,tat) ermitteln bzw. berechnen, wobei wiederum von einer vollständigen Oxidation der reduzierenden
Abgasbestandteile an der Sonde ausgegangen wird. Die Konzentration O
2,down,tat gibt somit die Sauerstoffkonzentration stromabwärts der Sonde für den - gelegentlich
theoretischen - Fall an, dass für die HC-Konzentration stromabwärts der Sonde gilt:
HC
down = 0.
[0034] Häufig ist aber auch die Kenntnis des Luftverhältnisses λ
up stromaufwärts der Sonde hilfreich, wobei dieses Luftverhältnis auf den stromaufwärts
der Sonde vorliegenden Konzentrationen der Abgasbestandteile basiert.
[0035] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Bestimmung des Luftverhältnisses λ
tat bzw. λ
up im Abgassystem einer Brennkraftmaschine stromabwärts bzw. stromaufwärts einer im
Abgassystem angeordneten Lambda-Sonde aufzuzeigen.
[0036] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Luftverhältnisses
λ im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mittels einer im Abgassystem angeordneten
Lambda-Sonde, bei dem
■ die HC-Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe HCup stromaufwärts der Lambda-Sonde ermittelt wird,
■ die an der Sonde oxidierte HC-Konzentration ΔHCSonde in Abhängigkeit von HCup bestimmt wird,
■ der der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmassenstrom mair bestimmt wird,
■ das Luftverhältnis λmess mittels Lambda-Sonde meßtechnisch bestimmt wird,
■ der bis stromabwärts der Sonde effektiv oxidierte Kraftstoffmassenstrom mfuel,eff bestimmt wird mit mfuel,eff = (mais / λmess) / Lst,
■ das Luftverhältnis λup stromaufwärts der Sonde bestimmt wird mit λup = (mair / mfuel,up) / Lst, wobei
- der an der Sonde oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δmfuel,Sonde unter Verwendung der HC-Konzentration ΔHCSonde bestimmt wird, und
- der bis stromaufwärts der Sonde oxidierte Kraftstoffmassenstrom mfuel,up mit mfuel,up = mfuel,eff - Δmfuel,Sonde bestimmt wird,
und/oder
das Luftverhältnis λ
tat bestimmt wird mit λ
tat = [m
air / (m
fuel,eff + Δm
fuel unburnt,Sonde)]/ L
st, wobei
- die HC-Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe HCdown stromabwärts der Lambda-Sonde unter Verwendung von HCup und ΔHCSonde bestimmt wird, und
- der an der Sonde nicht oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δmfuel unburnt,Sonde unter Verwendung der HC-Konzentration HCdown bestimmt wird.
[0037] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Kenntnis des meßtechnischen Fehlverhaltens
der Lambda-Sonde das Luftverhältnis λ
up stromaufwärts der Lambda-Sonde und/oder das tatsächliche Luftverhältnis λ
tat bestimmt.
[0038] In einem ersten Verfahrensschritt wird die Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
HC
up stromaufwärts der Lambda-Sonde ermittelt. Hierzu kann die HC-Konzentration entweder
mit einem Sensor meßtechnisch erfaßt werden oder aber es wird der im Abgas enthaltene
unverbrannte Kraftstoffanteil ermittelt und in eine HC-Konzentration konvertiert.
[0039] Letzteres erfordert die Ermittlung des Kraftstoffanteils, der zwar den Zylindern
zur Verbrennung zugeführt wird, aber die Zylinder im Rahmen des Ladungswechsels wieder
unverbrannt bzw. unvollständig verbrannt verläßt. Gegebenenfalls ist ein Kraftstoffanteil
zu berücksichtigen, der dem Abgas stromabwärts der Zylinder und stromaufwärts der
Sonde, beispielsweise im Rahmen einer Anreicherung mit Reduktionsmittel mittels Einspritzung,
zugeführt wurde.
[0040] Die auf diese Weise ermittelte HC-Konzentration HC
up wird in einem zweiten Verfahrensschritt dazu verwendet, die an der Sonde oxidierte
HC-Konzentration ΔHC
Sonde zu bestimmen. Der funktionale Zusammenhang zwischen HC
up und ΔHC
Sonde wurde bereits weiter oben in Zusammenhang mit Figur 3a erörtert und ist für jede
Sonde charakteristisch.
[0041] Im weiteren wird der der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmassenstrom m
air bestimmt, was beispielsweise mittels eines im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
angeordneten Heizdrahtes erfolgen kann, und das Luftverhältnis λ
mess mittels der im Abgassystem angeordneten Lambda-Sonde meßtechnisch erfaßt.
[0042] Der der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmassenstrom m
air kann alternativ auch rechnerisch ermittelt bzw. abgeschätzt werden und zwar unter
Verwendung der Drehzahl, der Zylinderanzahl, des Zylindervolumens und des Zylinderdrucks.
[0043] Der im dritten Verfahrensschritt bestimmte Luftmassenstrom m
air sowie das im vierten Verfahrensschritt erfaßte Luftverhältnis λ
mess werden in einem fünften Verfahrensschritt dazu verwendet, den bis stromabwärts der
Sonde effektiv oxidierten Kraftstoffmassenstrom m
fuel,eff zu bestimmen, wobei gilt:
[0044] Der Kraftstoffmassenstrom m
fuel,eff korrespondiert mit dem mittels Lambda-Sonde erfaßten Luftverhältnis λ
mess, da beide Parameter sowohl den stromaufwärts der Sonde verbrannten Kraftstoffanteil
m
fuel,up als auch den an der Sonde oxidierten Kraftstoffmassenstrom Δm
fuel,Sonde berücksichtigen. Die Konstante L
st steht für den stöchiometrischen Luftbedarf.
[0045] In einem sechsten Verfahrensschritt wird das Luftverhältnis λ
up stromaufwärts der Sonde bestimmt mit:
[0046] Für den bis stromaufwärts der Sonde oxidierten Kraftstoffmassenstrom m
fuel,up gilt:
[0047] Dabei wird der an der Sonde oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δm
fuel,Sonde unter Verwendung der HC-Konzentration ΔHC
Sonde ermittelt, was durch die Konvertierung der Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffe
in einen Kraftstoffmassenstrom erfolgt.
[0048] Im sechsten Verfahrensschritt wird alternativ oder zusätzlich das tatsächliche Luftverhältnis
λ
tat bestimmt mit:
[0049] Hierzu wird mit den bereits zuvor ermittelten HC-Konzentrationen HC
up und ΔHC
Sonde die HC-Konzentration stromabwärts der Sonde HC
down bestimmt, wobei gilt:
[0050] Der funktionale Zusammenhang zwischen HC
down und HC
up wurde bereits weiter oben in Zusammenhang mit Figur 3b erörtert und ist für jede
Sonde charakteristisch.
[0051] Anschließend wird der an der Sonde nicht oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δm
fuel unburnt,Sonde unter Verwendung dieser Konzentration HC
down ermittelt.
[0052] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zur Bestimmung des Luftverhältnisses λ
tat bzw. λ
up im Abgassystem einer Brennkraftmaschine stromabwärts bzw. stromaufwärts einer im
Abgassystem angeordneten Lambda-Sonde aufzuzeigen.
[0053] Weitere vorteilhafte Verfahrensvarianten gemäß den Unteransprüchen werden im folgenden
erläutert.
[0054] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Luftverhältnis λ
up dazu verwendet wird, die Sauerstoffkonzentration O
2,up stromaufwärts der Sonde zu ermitteln.
[0055] Vorteilhaft sind des weiteren Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Luftverhältnis
λ
tat dazu verwendet wird, die Sauerstoffkonzentration O
2,down,tat zu ermitteln.
[0056] Wie bereits eingangs erläutert wurde, kann mittels zweier Lambda-Sonden die Funktionstüchtigkeit
eines Oxidationskatalysators und/oder eines LNT überwacht werden.
[0057] Die Überwachung kann erfindungsgemäß auch auf die Ermittlung der Sauerstoffkonzentrationen
und deren Vergleich ausgerichtet werden, wobei von einer Funktionstüchtigkeit auszugehen
ist, falls ausreichend Sauerstoff verbraucht wird d.h. die Sauerstoffkonzentration
sinkt.
[0058] Dabei sind die Sauerstoffkonzentrationen stromabwärts bzw. stromaufwärts des jeweiligen
Abgasnachbehandlungssystems von Interesse. Bei der stromabwärts angeordneten Sonde
ist folglich die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts der Sonde maßgeblich, während
bei der stromaufwärts angeordneten Sonde die Sauerstoffkonzentration stromabwärts
der Sonde von Bedeutung ist.
[0059] Hinsichtlich der zuletzt genannten Sonde könnte grundsätzlich auch das mittels Sonde
erfaßte Luftverhältnis λ
mess herangezogen werden, um die Sauerstoffkonzentration O
2,down stromabwärts der Sonde zu bestimmen.
[0060] Soll aber mittels Rechenmodellen bestimmt werden, wieviel Sauerstoff im Abgasnachbehandlungssystem
eingelagert bzw. freigesetzt wird, ist die Ermittlung der Sauerstoffkonzentration
O
2,down,tat unter Verwendung des Luftverhältnisses λ
tat zu bevorzugen.
[0061] Hinsichtlich der Regeneration eines Partikelfilters kann eine Lambda-Sonde stromaufwärts
des Filters zur Steuerung der Regeneration verwendet werden. Zur Oxidation der im
Filter gesammelten d.h. abgelagerten Rußpartikel ist Sauerstoff erforderlich d.h.
ein Luftverhältnis λ > 1. Dabei sollte die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des
Filters mindestens 3 bis 5% betragen. Eine Überwachung der erforderlichen Sauerstoff-Mindestkonzentration
kann folglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen, wobei als Steuergröße
beispielsweise die Sauerstoff-Konzentration O
2,down,tat herangezogen wird.
[0062] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Raumgeschwindigkeit
berücksichtigt wird.
[0063] Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, hängt das meßtechnische Fehlverhalten der
Lambda-Sonde auch von der Raumgeschwindigkeit des Abgases bzw. von der Verweilzeit
der die Sonde passierenden Abgase an der Sonde ab(siehe auch Figur 1).
[0064] Auch der funktionale Zusammenhang zwischen der HC-Konzentration stromaufwärts der
Sonde HC
up und der an der Sonde abgebauten HC-Konzentration ΔHC
Sonde, wird von der Raumgeschwindigkeit beeinflußt. So werden an der Sonde um so mehr unverbrannte
Kohlenwasserstoffe oxidiert je niedriger die Raumgeschwindigkeit d. h. je größer die
Verweilzeit an der Sonde ist (siehe auch Figur 3a).
[0065] Prinzipbedingt hängt der in Figur 3b dargestellte funktionale Zusammenhang zwischen
der HC-Konzentration stromaufwärts der Sonde HC
up und der Konzentration stromabwärts der Sonde HC
down ebenfalls von der Raumgeschwindigkeit ab.
[0066] Eine Berücksichtigung der Raumgeschwindigkeit im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
führt somit zu einer höheren Genauigkeit bei den ermittelten Luftverhältnissen bzw.
Sauerstoff-Konzentrationen.
[0067] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das im Abgas enthaltene
Kohlenmonoxid berücksichtigt wird und zwar in der Weise, dass die Kohlenmonoxid-Konzentrationen
in eine adäquate HC-Konzentration konvertiert und das Kohlenmonoxid im weiteren wie
unverbrannte Kohlenwasserstoffe behandelt werden.
[0068] Wie bereits ausgeführt wurde, bildet das im Abgas enthaltene Kohlenmonoxid (CO) zusammen
mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) die "reduzierenden Abgasbestandteile"
bzw. "zu oxidierenden Abgasbestandteile". Nicht nur die unverbrannten Kohlenwasserstoffe
(HC), sondern auch das Kohlenmonoxid (CO) wird beim Passieren der Sonde an der Sonde
zumindest teilweise oxidiert. D. h. ein Teil des im Abgas enthaltenen Sauerstoffes
wird zur Oxidation des Kohlenmonoxids verwendet.
[0069] Bei der Berechnung des tatsächlichen Luftverhältnisses λ
tat wird gemäß der in Rede stehenden Verfahrensvariante von einer vollständigen Oxidation
der reduzierenden Abgasbestandteile an der Sonde ausgegangen. Die Konzentration O
2,down,tat gibt dabei die Sauerstoffkonzentration stromabwärts der Sonde für den - gelegentlich
theoretischen - Fall an, dass für die HC-Konzentration stromabwärts der Sonde HC
down = 0 gilt und für die CO-Konzentration stromabwärts der Sonde ebenfalls CO
down = 0 gilt.
[0070] Insofern bildet die vorliegende Ausführungsform des Verfahrens - aufgrund der Berücksichtigung
des Kohlenmonoxids - die tatsächlich an der Sonde ablaufenden Vorgänge bzw. Reaktionen
noch wirklichkeitstreuer ab, so dass die ermittelten Luftverhältnisse bzw. Sauerstoff-Konzentrationen
eine höhere Genauigkeit aufweisen.
[0071] Bei der in Rede stehenden Verfahrensvariante beinhalten die verwendeten HC-Konzentrationen
d.h. HC
down, HC
up, ΔHC
Sonde und HC
threshold also auch die CO-Konzentrationen CO
down, CO
up und ΔCO
Sonde.
[0072] Im folgenden wird die Erfindung gemäß den Figuren 1 bis 4 näher beschrieben. Hierbei
zeigt:
- Fig. 1
- schematisch in einem Diagramm den Meßfehler einer im Abgassystem einer Brennkraftmaschine
angeordneten Lambda-Sonde (λtat - λmess)/ λmess [%] über der HC-Konzentration [ppm] bei einer vorgegebenen Raumgeschwindigkeit,
- Fig. 2
- schematisch eine im Abgasstrom angeordnete Lambda-Sonde mitsamt den Abgasbestandteilen
und den Konzentrationen stromabwärts und stromaufwärts der Sonde,
- Fig. 3a
- in einem Diagramm den funktionalen Zusammenhang zwischen der HC-Konzentration stromaufwärts
der Sonde HCup und der an der Sonde abgebauten HC-Konzentration ΔHCSonde,
- Fig. 3b
- in einem Diagramm den funktionalen Zusammenhang zwischen der HC-Konzentration stromaufwärts
der Sonde HCup und der HC-Konzentration stromabwärts der Sonde HCdown, und
- Fig. 4
- eine Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms.
[0073] Die Figuren 1 bis 3b wurden bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem Meßverhalten
einer Lambda-Sonde beschrieben.
[0074] Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms.
[0075] In einem ersten Verfahrensschritt wird die Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
HC
up stromaufwärts der Lambda-Sonde ermittelt (S1).
[0076] Die auf diese Weise ermittelte HC-Konzentration HC
up wird in einem zweiten Verfahrensschritt dazu verwendet, die an der Sonde oxidierte
HC-Konzentration ΔHC
Sonde zu bestimmen (S2). Der funktionale Zusammenhang zwischen HC
up und ΔHC
Sonde wird verwendet, wobei unter Umständen die Raumgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
[0077] Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt der der Brennkraftmaschine zugeführte
Luftmassenstrom m
air bestimmt (S3) und in einem vierten Verfahrensschritt das Luftverhältnis λ
mess mittels der im Abgassystem angeordneten Lambda-Sonde meßtechnisch erfaßt (S4).
[0078] Im daran anschließenden fünften Verfahrensschritt wird der Luftmassenstrom m
air (S3) und das Luftverhältnis λ
mess (S4) dazu verwendet, den bis stromabwärts der Sonde effektiv oxidierten Kraftstoffmassenstrom
m
fuel,eff zu bestimmen (S5).
[0079] Die Konstante L
st bezeichnet den stöchiometrischen Luftbedarf.
[0080] Im weiteren Verfahrensablauf wird das Luftverhältnis λ
up stromaufwärts der Lambda-Sonde und/oder das tatsächliche Luftverhältnis λ
tat bestimmt.
[0081] Soll das Luftverhältnis λ
up stromaufwärts der Sonde bestimmt werden, wird zunächst in einem sechsten Verfahrensschritt
der an der Sonde oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δm
fuel,Sonde unter Verwendung der HC-Konzentration ΔHC
Sonde ermittelt, was durch die Konvertierung der Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
in einen Kraftstoffmassenstrom erfolgt (S6).
[0082] Anschließend wird in einem siebten Verfahrensschritt (S7) der bis stromaufwärts der
Sonde oxidierte Kraftstoffmassenstrom m
fuel,up bestimmt mit:
[0083] In einem achten Verfahrensschritt wird dann der ermittelte Luftmassenstrom m
air (S3) und der Kraftstoffmassenstrom m
fuel,up (S7) verwendet, um das Luftverhältnis λ
up stromaufwärts der Sonde zu bestimmen (S8). Es gilt:
[0084] Soll zusätzlich oder alternativ das tatsächliche Luftverhältnis λ
tat bestimmt werden, wird zunächst in einem neunten Verfahrensschritt (S9) mit den bereits
zuvor ermittelten HC-Konzentrationen HC
up (S1) und ΔHC
Sonde (S2) die HC-Konzentration stromabwärts der Sonde HC
down bestimmt, wobei gilt:
[0085] Anschließend wird in einem zehnten Verfahrensschritt (S10) der an der Sonde nicht
oxidierte Kraftstoffmassenstrom Δm
fuel unburnt, Sonde unter Verwendung dieser Konzentration HC
down ermittelt.
[0086] Im elften Verfahrensschritt (S 11) wird dann das tatsächliche Luftverhältnis λ
tat bestimmt mit:
Bezugszeichen
[0087]
- 1
- Lambda-Sonde
CO2 Kohlendioxid
CO2,down CO2-Konzentration stromabwärts der Sonde
CO2,up CO2-Konzentration stromaufwärts der Sonde
CO Kohlenmonoxid
COdown CO-Konzentration stromabwärts der Sonde
COup CO-Konzentration stromaufwärts der Sonde
Δ COSonde an der Sonde oxidierte CO-Konzentration
HC unverbrannte Kohlenwasserstoffe
HCdown HC-Konzentration stromabwärts der Sonde
HCthreshold an der Sonde maximal oxidierbare HC-Konzentration
HCup HC-Konzentration stromaufwärts der Sonde
Δ HCSonde an der Sonde oxidierte HC-Konzentration
mair der der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmassenstrom
mfuel,eff bis stromabwärts der Sonde effektiv oxidierter Kraftstoffmassenstrom
mfuel,up bis stromaufwärts der Sonde oxidierter Kraftstoffmassenstrom
Δ mfuel,Sonde an der Sonde oxidierter Kraftstoffmassenstrom
Δ mfuel unburnt,Sonde an der Sonde nicht oxidierter Kraftstoffmassenstrom
Lst stöchiometrischer Luftbedarf
O2 Sauerstoff
O2,down O2-Konzentration stromabwärts der Sonde
O2,down,tat tatsächliche O2-Konzentration stromabwärts der Sonde
O2,up O2-Konzentration stromaufwärts der Sonde
ppm parts per million
λ Luftverhältnis
λ down Luftverhältnis stromabwärts der Sonde
λ eff effektives Luftverhältnis
λ mess mittels Lambda-Sonde meßtechnisch ermitteltes Luftverhältnis
λ tat tatsächliches Luftverhältnis
λ up Luftverhältnis stromaufwärts der Sonde