EP1926899A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der gaskomponenten im abgas eines verbrennungsmotors - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der gaskomponenten im abgas eines verbrennungsmotorsInfo
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for determining gas components in the exhaust gas of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
- the invention relates to a method and apparatus for determining gas components in the exhaust gas of internal combustion engines operated with an air-fuel mixture near stoichiometric equilibrium, such as gasoline engines in vehicles.
- vehicles with internal combustion engines which meet today's emissions regulations, especially in Europe or in the United States of America, have an exhaust system with at least one catalyst and two or more exhaust probes for determining the air-fuel ratio, or correlated with the air ratio lambda.
- the so-called "control probe” downstream of this one (three-way) catalyst and downstream of the catalyst another exhaust gas probe, the so-called “guide probe” arranged.
- control probe builds up a fast lambda control to compensate for large pilot error of the mixture composition.
- the guide probe is used for a superimposed second control loop, the so-called control loop, which tion of scattering of the control probe and the optimization of the mixture composition with a view to reducing emissions.
- the lambda probes described therein provide a measure of the air ratio lambda in the exhaust gas of combustion processes.
- the mode of operation of the lambda probes described is based on the principle of a galvanic oxygen concentration cell with a solid electrolyte.
- the surfaces are provided with electrodes made of a gas-permeable platinum layer. Due to the catalytic activity of the platinum, the exhaust gas is set in equilibrium by post-combustion, so that the oxygen equilibrium partial pressure is established.
- the jump probe represents an oxygen concentration sensor and works on the Nernst principle.
- the potential difference across an electrolyte is measured, which is exposed to the exhaust gas on one side and a reference gas (air) on the other side.
- electrodes are applied to the electrolyte on both sides.
- the potential difference is output as a probe signal.
- a broadband probe has a multilayer ceramic. It consists essentially of a combination of a Nernst probe, that is, of a concentration probe acting as a galvanic cell, as well as a limiting current or pumping cell. About the Nernst cell, also referred to as a sensor cell, as in the lambda probe, the potential difference between the exhaust gas and a reference gas is measured. To the pumping cell, which is basically of the same kind as the concentration cell known per se, a voltage is applied from the outside. This generates a current called pumping current, with which - depending on polarity - oxygen ions are transported.
- the pumping current set by the control circuit depends on the air ratio lambda in the exhaust gas. It forms the output signal of the broadband probe.
- the structure of the jump probe and the broadband probe and its sensor signals are from the textbook “BOSCH Automotive Paperback", Vieweg- Verlag, 25th Edition, 2003, pages 133, 134, to which reference is made here, out.
- control probe either a jump probe or a broadband probe is used.
- guide probes usually jump probes are used.
- the signal of both types of probe depends primarily on the lambda value of the exhaust gas, but it is also influenced by a different exhaust gas composition at the same lambda, this influence is different for the two types of probes. This influence is based on so-called cross sensitivity to certain exhaust gas components.
- the ratio between carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), for example, has an effect especially in the rich range. In the raw exhaust gases this ratio remains largely constant. However, downstream of a catalyst, it may vary depending on the catalyst coating, catalyst aging and operating point. This leads to an adverse effect on the lambda probe signal.
- the invention is therefore based on the object of specifying a method and an apparatus for determining gas components in the exhaust gas of an internal combustion engine, which not only the detection of the air ratio lambda, but also the determination of carbon monoxide (CO) concentration and the hydrogen (H 2) Allow concentration.
- the invention takes advantage of the different cross sensitivities of the two types of probes, so as to measure not only the air ratio lambda, but also the specific concentrations of oxygen (O 2 ), carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) in the exhaust gas downstream of a catalyst.
- concentration of the individual gas components of the exhaust gas is determined from the signal of a jump probe arranged downstream of the catalytic converter and from the simultaneously detected signal of a broadband probe arranged in the immediate vicinity of the jump probe in the exhaust gas.
- the dependence of the signal of the jumping probe on the concentration of carbon monoxide (CO) and the concentration of hydrogen (H 2 ) and on the dependence of the signal of the broadband probe on the concentration of carbon monoxide (CO) and on the concentration of hydrogen is preferred (H 2 ) on the concentration of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) closed.
- the knowledge of these concentrations can be used for several purposes.
- the knowledge for the compensation of the described transverse sensitivities and thus for the more accurate determination of the air ratio lambda is advantageous. This can improve the management control.
- a determination of the aging state of the catalyst in particular for the purpose of on-board diagnosis, take place.
- the knowledge of the concentration of the gas components is also advantageous for a correction of a catalyst model in a model-based mixture control known per se.
- Fig. 1 shows an inventive device for determining the gas components in the exhaust gas of an internal combustion engine
- Fig. 2a shows the dependence of a jump probe of the CO and H 2 concentration
- a first exhaust gas probe 110 In the exhaust gas line 105 of an internal combustion engine 100, a first exhaust gas probe 110, whose output signal is fed to a control device 200, is arranged immediately downstream of the exhaust manifold (not shown). This exhaust gas probe 110 serves as a so-called control probe. Based on its signal, a fast lambda control takes place to compensate for large pilot control errors in the mixture composition.
- control probe 110 On the control probe 110 is followed by a (three-way) catalyst 120. Downstream of the catalyst 120, a further jump probe 130 and a broadband probe 140, which is disposed in close proximity to the other jump probe 130 in the exhaust gas is provided. The output signals of the further jump probe 130 and the broadband probe 140 are also supplied to the control device 200.
- Downstream of the catalyst 120 occur in rich operation practically only reducing, in lean operation practically only oxidizing exhaust gas components, that is on the one hand oxygen (O 2 ) (reducing exhaust gas constituent) and on the other hand carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) (oxidizing exhaust gas constituents).
- oxygen (O 2 ) reducing exhaust gas constituent
- CO carbon monoxide
- H 2 hydrogen
- the signal of the broadband probe 140 can be used to determine the oxygen (O 2 ) concentration, and in this way the air ratio lambda can be determined.
- the carbon monoxide (CO) and the hydrogen (H 2 ) concentration must be determined simultaneously in the rich range.
- those shown in Fig. 2a, 2b are shown Dependencies of the probe signals of the jump probe 130 and the broadband probe 140 on the carbon monoxide (CO) concentration and the hydrogen (H 2 ) concentration used.
- the functional relationship of the probe signal of the jump probe 130 to the carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) concentrations is significantly different from the functional relationship of the probe signal of the broadband probe 140 to the carbon monoxide (CO) - and the hydrogen (H 2 ) -Concentration.
- the functional relationships can be stored in the control device 200, for example in the form of maps.
- the two sensors 130, 140 are integrated on a single probe in the form of a multilayer ceramic.
- the basis for this is the broadband probe.
- This is to be supplemented by a device for measuring the voltage across the pumping cell.
- this voltage component is calculated on the pump current. By subtracting this voltage component from the total voltage results in a signal voltage having the characteristic of a jump probe except for an offset.
- an additional electrode for measuring the Nernst voltage between the outer exhaust gas and the reference gas can be arranged on a broadband probe.
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors wird aus dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Breitbandsonde und dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Sprungsonde auf die Konzentration einzelner Gaskomponenten des Abgases, insbesondere mindestens einer von Sauerstoff verschiedenen Gaskomponente, geschlossen.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Bestimmung von Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Gaskomponenten im Abgas von Verbrennungsmotoren, die mit einem Luft- Kraftstoff-Gemisch in der Nähe des stöchiometrischen Gleichgewichtes betrieben werden, beispielsweise Ottomotoren in Fahrzeugen. Derartige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, welche die heutigen Abgasvorschriften, insbesondere in Europa oder in den Vereinigten Staaten von Amerika, erfüllen, besitzen einen Abgasstrang mit wenigstens einem Katalysator und zwei oder mehr Abgassonden zur Bestimmung des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses, oder der mit diesem korrelierenden Luftzahl Lambda. Bei einer typischen Anordnung sind unmittelbar stromabwärts des Abgaskrümmers eine erste Ab- gassonde, die sogenannte "Regelsonde", in Strömungsrichtung hinter dieser ein (Drei- Wege-)Katalysator und stromabwärts des Katalysators eine weitere Abgassonde, die sogenannte "Führungssonde" angeordnet.
Auf der Regelsonde baut eine schnelle Lambdaregelung zur Kompensation großer Vorsteuerfehler der Gemischzusammensetzung auf. Die Führungssonde wird für einen überlagerten zweiten Regelkreis, die sogenannte Führungsregelung, genutzt, die der Kompen-
sation von Streuungen der Regelsonde sowie der Optimierung der Gemischzusammensetzung im Hinblick auf eine Emissionsreduzierung dient.
Es sind nun mehrere Typen von Abgassonden bekannt. Derartige Abgassonden sind beispielsweise in dem Fachbuch "BOSCH Rraftfahrtechnisches Taschenbuch", Vieweg- Verlag, 25. Auflage, 2003, Seiten 133, 134, beschrieben. Die dort beschriebenen Lamb- dasonden stellen ein Maß für die Luftzahl Lambda im Abgas von Verbrennungsprozessen bereit. Die Wirkungsweise der beschriebenen Lambdasonden beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperlelektrolyt. Die Oberflächen sind mit Elektroden aus einer gasdurchlässigen Platinschicht versehen. Durch die katalytische Aktivität des Platins wird das Abgas durch Nachverbrennen ins Gleichgewicht gesetzt, so dass sich der Sauerstoff-Gleichgewichtspartialdruck einstellt.
Es kommen nun heute im wesentlichen zwei Typen von Abgassonden, nämlich Sprungsonden und Breitbandsonden zum Einsatz. Die Sprungsonde stellt einen Sauerstoff- Konzentrations-Sensor dar und arbeitet nach dem Nernst-Prinzip. Hierbei wird die Potentialdifferenz über einem Elektrolyten gemessen, der auf einer Seite dem Abgas und auf der anderen Seite einem Referenzgas (Luft) ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck sind auf beiden Seiten Elektroden auf dem Elektrolyten aufgebracht. Die Potentialdifferenz wird als Sondensignal ausgegeben. Die Sondenkennlinie, das heißt die Kurve des Sondensignals über der Luftzahl Lambda, fällt bei Lambda=l stark ab. Aus diesem Grunde wird eine derartige Sonde auch als Sprungsonde bezeichnet.
Eine Breitbandsonde weist eine Mehrschichtkeramik auf. Sie besteht im wesentlichen aus einer Kombination aus einer Nernst-Sonde, das heißt aus einer als galvanische Zelle wirkenden Konzentrationssonde, sowie einer Grenzstrom- oder Pumpzelle. Über der Nernst- Zelle, auch als Sensorzelle bezeichnet, wird wie bei der Lambdasonde die Potentialdifferenz zwischen Abgas und einem Referenzgas gemessen. An die Pumpzelle, die im Grunde von gleicher Art ist wie die an sich bekannte Konzentrationszelle, wird von außen eine Spannung angelegt. Diese erzeugt einen als Pumpstrom bezeichneten Strom, mit dem - polaritätsabhängig - Sauerstoffionen transportiert werden. Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, dass die Pumpzelle dem Abgasvolumen, das in Kontakt mit der Sensorzelle steht, immer genau soviel Sauerstoff zu- bzw. aus ihm abführt, dass sich in dem Abgasvo-
lumen der Zustand Lambda = 1 einstellt, wobei im mageren Bereich, das heißt bei Luft- überschuss, Sauerstoff abgepumpt, wohingegen im fetten Bereich, das heißt bei Kraft- stoffüberschuss, Sauerstoff zugeführt wird. Der durch die Regelschaltung eingestellte Pumpstrom hängt von der Luftzahl Lambda im Abgas ab. Er bildet das Ausgangssignal der Breitbandsonde. Der Aufbau der Sprungsonde sowie der Breitbandsonde und deren Sensorsignale gehen aus dem Fachbuch "BOSCH Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Vieweg- Verlag, 25. Auflage, 2003, Seiten 133, 134, auf die vorliegend verwiesen wird, hervor.
Als Regelsonde wird entweder eine Sprungsonde oder eine Breitbandsonde verwendet. Als Führungssonden kommen in der Regel Sprungsonden zum Einsatz.
Das Signal beider Sondentypen hängt zwar in erster Linie vom Lambdawert des Abgases ab, es wird aber auch durch eine unterschiedliche Abgaszusammensetzung bei gleichem Lambda beeinflusst, wobei diese Beeinflussung bei den beiden Sondentypen unterschiedlich ist. Dieser Einfluss basiert auf sogenannten Querempfindlichkeiten gegenüber bestimmten Abgaskomponenten. So wirkt sich insbesondere im fetten Bereich das Verhältnis zwischen Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) aus. In den Rohabgasen bleibt dieses Verhältnis weitgehend konstant. Stromabwärts eines Katalysators kann es jedoch in Abhängigkeit von der Katalysatorbeschichtung, der Katalysatoralterung und dem Betriebspunkt variieren. Dies führt zu einer nachteiligen Beeinträchtigung des Lambdason- den-Signals.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors anzugeben, welche nicht nur die Erfassung der Luftzahl Lambda, sondern auch die Bestimmung der Kohlenmonoxid (CO)-Konzentration und der Wasserstoff (H2)-Konzentration ermöglichen.
Vorteile und Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der auf die unabhängigen Ansprüche jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die Erfindung macht sich die unterschiedlichen Querempfindlichkeiten der beiden Sondentypen zunutze, um so nicht nur die Luftzahl Lambda, sondern auch die spezifischen Konzentrationen von Sauerstoff (O2), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) im Abgas stromabwärts eines Katalysators zu messen. Hierzu wird aus dem Signal einer im Abgas stromabwärts des Katalysators angeordneten Sprungsonde und aus dem gleichzeitig erfassten Signal einer in unmittelbarer Nähe zu der Sprungsonde im Abgas angeordneten Breitbandsonde auf die Konzentration der einzelnen Gaskomponenten des Abgases geschlossen.
Bevorzugt wird hierzu aus der Abhängigkeit des Signals der Sprungsonde von der Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und von der Konzentration von Wasserstoff (H2) und aus der Abhängigkeit des Signals der Breitbandsonde von der Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und von der Konzentration von Wasserstoff (H2) auf die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) geschlossen. Die Kenntnis dieser Konzentrationen kann für mehrere Zwecke genutzt werden. Zum einen ist die Kenntnis für die Kompensation der beschriebenen Querempfϊndlichkeiten und damit zur genaueren Bestimmung der Luftzahl Lambda vorteilhaft. Hierdurch lässt sich die Führungsregelung verbessern. Aus der Kenntnis der Konzentration der einzelnen Gaskomponenten kann darüber hinaus auch eine Bestimmung des Alterungszustandes des Katalysators, insbesondere zum Zwecke der On-Board-Diagnose, erfolgen. Schließlich ist die Kenntnis der Konzentration der Gaskomponenten auch für eine Korrektur eines Katalysatormodells in einer an sich bekannten modellgestützten Gemischregelung vorteilhaft.
Zeichnung
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors und
Fig. 2a die Abhängigkeit einer Sprungsonde von der CO- und H2-Konzentration
Fig. 2b die Abhängigkeit einer Breitbandsonde von der CO- und H2-
Konzentration.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In dem Abgasstrang 105 einer Brennkraftmaschine 100 ist unmittelbar stromabwärts des (nicht dargestellten) Abgaskrümmers eine erste Abgassonde 110 angeordnet, deren Ausgangsignal einer Steuereinrichtung 200 zugeführt wird. Diese Abgassonde 110 dient als sogenannte Regelsonde. Basierend auf ihrem Signal findet eine schnelle Lambdaregelung zur Kompensation großer Vorsteuerfehler in der Gemischzusammensetzung statt.
Auf die Regelsonde 110 folgt ein (Drei-Wege-)Katalysator 120. Stromabwärts des Katalysators 120 sind eine weitere Sprungsonde 130 sowie eine Breitbandsonde 140, die in unmittelbarer Nähe zur weiteren Sprungsonde 130 im Abgas angeordnet ist, vorgesehen. Die Ausgangssignale der weiteren Sprungsonde 130 und der Breitbandsonde 140 werden ebenfalls der Steuereinrichtung 200 zugeführt.
Stromabwärts des Katalysators 120 treten bei fettem Betrieb praktisch nur reduzierende, bei magerem Betrieb praktisch nur oxidierende Abgasbestandteile auf, das heißt einerseits Sauerstoff (O2) (reduzierender Abgasbestandteil) und andererseits Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) (oxidierende Abgasbestandteile). Reduzierende und oxidierende Gasbestandteile treten mit anderen Worten nicht gleichzeitig im Abgas auf. Aus diesem Grunde kann im mageren Bereich das Signal der Breitbandsonde 140 zur Bestimmung der Sauerstoff (O2)-Konzentration verwendet werden und auf diese Weise die Luftzahl Lambda bestimmt werden.
Im fetten Bereich muss dagegen gleichzeitig die Kohlenmonoxid (CO) und die Wasserstoff (H2)-Konzentration bestimmt werden. Hierzu werden die in Fig. 2a, 2b dargestellten
Abhängigkeiten der Sondensignale der Sprungsonde 130 und der Breitbandsonde 140 von der Kohlenmonoxid (CO)-Konzentration und von der Wasserstoff (H2)-Konzentration verwendet. Der funktionale Zusammenhang des Sondensignals der Sprungsonde 130 von der Kohlenmonoxid (CO)- und von der Wasserstoff (H2)-Konzentration unterscheidet sich signifikant vom funktionalen Zusammenhang des Sondensignals der Breitbandsonde 140 von der Kohlenmonoxid (CO)- und der Wasserstoff (H2)-Konzentration. Die funktionalen Zusammenhänge können beispielsweise in Form von Kennfeldern in der Steuereinrichtung 200 gespeichert sein. Möglich ist es auch, dass die funktionale Abhängigkeit der Sondensignale von der Kohlenmonoxid (CO)- sowie von der Wasserstoff (H2)- Konzentration approximiert werden und die entsprechenden Funktionen im Steuergerät 200 hinterlegt sind. Die gesuchte Kohlenmonoxid (CO)- sowie die gesuchte Wasserstoff (H2)-Konzentration wird nun in dem Steuergerät 200 durch Inversion dieser Funktionen bestimmt, so dass aus den beiden Sondensignalen und deren funktionaler Abhängigkeit von den Konzentrationen die Konzentrationen ermittelt werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Sensoren 130, 140 auf einer einzigen Sonde in Form einer Mehrschichtkeramik integriert. Als Basis hierfür eignet sich die Breitbandsonde. Diese ist um eine Vorrichtung zur Messung der Spannung über der Pumpzelle zu ergänzen. Diese Spannung ist die Summe aus einerseits der Nernst- spannung zwischen dem äußeren Abgas und dem auf Lambda = 1 eingestellten Abgasvolumen und, andererseits, einen zum Pumpstrom proportionalen Spannungsanteil. In Kenntnis des Ohm'schen Widerstandes der Pumpzelle wird dieser Spannungsanteil auf dem Pumpstrom berechnet. Durch Subtraktion dieses Spannungsanteils von der Gesamtspannung ergibt sich eine Signalspannung, die bis auf einen Offset die Charakteristik einer Sprungsonde aufweist. Die Berechnungen können entweder in dem integrierten Schaltkreis durchgeführt werden, der die elektronische Regelschaltung zur Einstellung von Lambda = 1 in dem Abgasvolumen realisiert, oder auf einem separaten Prozessor, beispielsweise einem Motorsteuergerät.
Alternativ kann auf einer Breitbandsonde eine zusätzliche Elektrode zur Messung der Nernst-Spannung zwischen dem äußeren Abgas und dem Referenzgas angeordnet werden.
Claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Breitbandsonde (140) und dem Signal einer im Abgasstrom angeordneten Sprungsonde (130) auf die Konzentration einzelner Gaskomponenten des Abgases, insbesondere mindestens einer von Sauerstoff verschiedenen Gaskomponente, geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitbandsonde (140) und die Sprungsonde (130) am gleichen Ort im Abgastrakt oder in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man aus der Abhängigkeit des Signals der Sprungsonde von den Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und von Wasserstoff (H2) und aus der Abhängigkeit des Signals der Breitbandsonde (140) von den Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und von Wasserstoff (H2) auf die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) schließt.
5. Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch eine im Abgas angeordnete Breitbandsonde (140), eine im Abgastrakt angeordnete Sprungsonde (130) und eine Schaltungseinheit, welche das Signal der Breitbandsonde (140) und das Signal der Sprungsonde (130) zeitgleich erfasst und auswertet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprungsonde (130) und die Breitbandsonde (140) Teil einer einzigen Mehrschichtkeramik sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitbandsonde (140) und die Sprungsonde (130) im Abgastrakt so angeordnet sind, dass zwischen ihnen kein Katalysator liegt.
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