DE102009039929B4

DE102009039929B4 - Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität

Info

Publication number: DE102009039929B4
Application number: DE102009039929A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall; Martin Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2029-09-05
Also published as: US20110056269A1; DE102009039929A1; US8225649B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität zumindest eines Abschnitts des Sauerstoffspeichers (4), welcher in einem Abgasstrang (2) einem Verbrennungsmotor (1) einem Katalysator (3) zugeordnet ist, und wobei in Ausströmrichtung des Abgases sowohl vor dem zumindest einen Abschnitt eine erste Lambdasonde (5) angeordnet ist und nach dem zumindest einen Abschnitt eine zweite Lambdasonde (6) angeordnet ist, wobei zum Ermitteln ein Wechsel von magerem zu fettem Abgas und/oder umgekehrt bewirkt wird und über ein Zeitintervall hinweg die Messsignale der ersten Lambdasonde (5) aufgenommen und zur Grundlage einer Integralberechnung gemacht werden, wobei
der Beginn des Zeitintervalls aufgrund von Messsignalen der zweiten Lambdasonde (6) festgelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Beginn des Zeitintervalls als der Zeitpunkt festgelegt wird, zu dem die Messwerte der zweiten Lambdasonde (6) ein Extremum erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität zumindest eines Abschnitts eines Sauerstoffspeichers, welcher in einem Abgasstrang zu einem Verbrennungsmotor einem Katalysator zugeordnet ist. Aufgabe des Sauerstoffspeichers ist es, Sauerstoff bei der Reduktion von Stickoxiden aufzunehmen und zur Verbrennung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid abzugeben. Der Sauerstoffspeicher ist typischerweise in den Katalysator unmittelbar integriert.
Vor einem solchen Katalysator und damit vor dem Sauerstoffspeicher (gesehen in Ausströmrichtung des Abgases) ist normalerweise eine erste Lambdasonde angeordnet, die sog. Vorkatsonde. Nach dem Katalysator (bzw. einem Abschnitt desselben) ist eine zweite Lambdasonde, die Nachkatsonde angeordnet. Zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität wird ein Wechsel von magerem zu fettem Abgas und/oder umgekehrt bewirkt. Bei der Festlegung der Abgaszusammensetzung werden die Messergebnisse der ersten Lambdasonde verwendet. Die Messergebnisse der zweiten Lambdasonde zeigen hingegen die Pufferung durch den Sauerstoffspeicher. Man ermittelt bisher anhand der ersten Lambdasonde den Zeitpunkt des Wechsels der Abgaszusammensetzung und berechnet dann über ein mit diesem Zeitpunkt beginnendes Zeitintervall hinweg ein Integral. Das Zeitintervall endet, wenn die zweite Lambdasonde einen Durchbruch (durch einen bestimmten Spannungswert von z. B. 0,45 V) zeigt. Dies ist z. B. der Stand der Technik gemäß der DE 11 2007 001 343 T5 .
Die verwendete Formel lautet bei Wechsel von fettem zu magerem Abgas für die Sauerstoffspeicherkapazität OSC in g typischerweise:
Beim Wechsel von Mager nach Fett gilt die Formel für die Sauerstoffausspeicherung:
Hierbei ist ṁ(t) der Abgasmassenstrom durch den Sauerstoffspeicher in g/s. Die Größe λ ist aus den Messsignalen der ersten Lambdasonde abgeleitet, also λ(t).
t₁ bzw. t₃ ist hierbei der Zeitpunkt des Lambdawechsels, t₂ der Zeitpunkt, bei dem der Wert U(t) gleich 0,45 V ist, bei t₄ ist U(t) gleich 0,70 V.
Die Lambdasonden, die typischerweise als Nernstsonden ausgebildet sind, können einer Alterung unterliegen. Die Alterung hat den Effekt, als seien die Signale einer funktionsfähigen Lambdasonde gefiltert. Die Filterung kann aufgrund der Beeinträchtigung in der Strömung von einem Fluid in der Lambdasonde erfolgen, oder in der elektrischen Signalverarbeitung. Zusätzlich oder alternativ gibt es einen Zeitversatz.
Die bisherigen Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität funktionieren nicht zuverlässig, wenn eine gealterte Lambdasonde verwendet wird: Die gealterte Lambdasonde bewirkt, dass eine größere Sauerstoffspeicherkapazität gemessen wird, als sie tatsächlich gegeben ist. Dadurch kann es vorkommen, dass gleichzeitig eine gealterte zweite Lambdasonde und ein gealterter Sauerstoffspeicher/gealterter Katalysator vorliegen, ohne dass dies erkannt ist. Es kommt dann zu einem hohen Schadstoffausstoß, der unerwünscht ist.
Mit dieser Problematik befasst sich auch die US 2002/0157379 A1 . Zur Regelung der Abgasemissionen wird hierbei die Sauerstoffspeicherkapazität gemessen. Fehler, die durch eine Alterung der zweiten Lambdasonde zustande kommen, werden dadurch ausgeglichen, dass zwei zusätzliche Integrale berechnet werden, und aus diesen ein Zielwert für die Sauerstoffbeladung berechnet wird. Der Beginn dieser Integrale wird durch den Zeitpunkt festgelegt, an dem Messsignale der zweiten Lambdasonde Schwellwerte überschreiten bzw. unterschreiten.
Der Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität für einen Sauerstoffspeicher (bzw. eines Abschnitts eines solchen) bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird der Beginn des vorbestimmten Zeitintervalls für die Integralberechnung aufgrund von Messsignalen der zweiten Lambdasonde festgelegt. Erfindungsgemäß wird als Beginn des Zeitintervalls der Zeitpunkt festgelegt, zu dem die Messwerte der zweiten Lambdasonde ein (zumindest lokales) Extremum erreichen.
Während bisher der Zeitpunkt des Wechsels das vorbestimmte Zeitintervall beginnen ließ, der durch die erste Lambdasonde entweder aktiv bewirkt oder gemessen wird, werden vorliegend die Messsignale der zweiten Lambdasonde selbst verwendet. Damit wird erreicht, dass sich der Zeitverzug, der sich durch die verlangsamte Sonde auf den Zeitpunkt des Endes des Integrationsintervalls auswirkt, in gleicher Weise auf dessen Anfang auswirkt und somit die Integrationsdauer unabhängig von einer möglichen Verlangsamung der zweiten Lambdasonde ist. Selbst wenn sich die Effekte einer Filterung der Signale einer voll funktionsfähigen Lambdasonde und eines Zeitversatzes zeigen, lässt sich, wenn die Integrationsberechnung dann aber zum Ausgleich mit einem Extremum beginnt, mit ausreichend guter Präzision die tatsächliche Sauerstoffspeicherkapazität berechnen, denn auch das Ende des Zeitintervalls wird in der gleichen Weise verschoben wie sein Anfang.
Ein Extremum lässt sich einfach anhand des Vorzeichenwechsels in der zeitlichen Ableitung der Messsignale der Sonde feststellen.
Wie auch schon sonst üblich, endet das Zeitintervall bevorzugt mit dem Durchlaufen eines vorbestimmten Spannungswerts durch die Messsignale der zweiten Lambdasonde. Dieser kann von dem bei herkömmlichen Verfahren verwendeten Spannungswert verschieden sein. Er ist geeignet wählbar.
Die oben genannte Formel für die Sauerstoffspeicherkapazität kann verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, in der:
1 eine Anordnung zeigt, bei der ein einzelnes erfindungsgemäßes Verfahren sinnvoll ist, anhand von
2 den Einfluss diffundierendem Wasserstoffgas auf die Messsignale einer Nachkatlambdasonde beschrieben wird, anhand von
3 den Einfluss einer zweiten Art von Filterung auf die Messsignale einer Nachkatlambdasonde beschrieben wird, anhand von
4 den Einfluss von Filterung und Zeitverzögerung auf die Messsignale einer Nachkatlambdasonde beschreibt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1 mit einem Abgasstrang 2. Der Abgasstrang 2 umfasst einen Gaskatalysator 3, der z. B. als Drei-Wege-Katalysator, NO_x-Speicherkatalysator, SCR-Katalysator oder als ein aktiver Partikelfilter ausgebildet ist sowie einen integrierten Sauerstoffspeicher 4 beinhaltet. Der Abgasstrang 2 umfasst ferner eine stromaufwärts des Katalysators 3 angeordnete erste Lambdasonde 5, die als Führungssonde dient, sowie eine dem Abgaskatalysator 3 zugeordnete zweite Lambdasonde 6 die als Regelsonde dient.
Die zweite Lambdasonde 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromabwärts des Abgaskatalysators 3 angeordnet. Genauso gut könnte diese Lambdasonde jedoch auch direkt im Abgaskatalysator 3, d. h. nach einem Teilvolumen des Sauerstoffspeichers 4, angeordnet sein.
Es ist im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Abgas des Verbrennungsmotors 1 zumindest mit einer vorgegebenen Genauigkeit auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einstellen lässt.
Es soll die Sauerstoffspeicherkapazität OSC des Sauerstoffspeichers 4 bestimmt werden, auch wenn die zweite Lambdasonde 6 möglicherweise nicht ideal arbeitet.
Es wird abwechselnd ein Wechsel zwischen magerem und fettem Abgas bewirkt. Die Kurve des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ vor dem Katalysator 3 ist in 2 oben gezeigt und mit 10 bezeichnet.
Die Kurve 12 im unteren Teil von 2 zeigt dann die Sondenspannung, also die Messwerte, der zweiten Lambdasonde 6, wenn die zweite Lambdasonde ideal arbeitet, wenn also nicht der Effekt einer Filterung aufgrund von Alterserscheinungen vorhanden ist, und auch keine Zeitverzögerung vorhanden ist. Die Kurve 14 zeigt das Verhalten der zweiten Lambdasonde 6, wenn eine minimale Filterung aufgrund hydraulischer Effekte erfolgt, wie sie bei einer guten Sonde vorliegt, die 16 zusätzlich noch die Effekte aufgrund der Produktion von Wasserstoffgas im Katalysator 3.
Bei der Messung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC des Sauerstoffspeichers 4 wird typischerweise zum Zeitpunkt t₁₀ des Wechsels begonnen, und sie endet, wenn die Messwerte der Kurve den Wert von 0,45 V erreichen, also zu Zeitpunkt t₂₀. Vorliegend ist die Zeit t₂₀ für die Kurve 14 gezeigt.
Man berechnet dann die Sauerstoffspeicherkapazität OSC nach folgender Formel:
wobei die Größe λ in der Formel aus der Sondenspannung der ersten Lambdasonde oder auch einem Lambdamodell abgeleitet wird, und wobei ṁ(t) der Abgasmassenstrom in Gramm pro Sekunde ist.
3 zeigt nochmals die Kurve 10 und hierzu die Kurve 112 des Sondensignals der zweiten Lambdasonde, wenn die Ausgangssignale keinem Filter unerliegen, die Kurve 114, wenn die Filterung das Sondensignal einer aufgrund von hydraulischen Effekten unterliegt oder aufgrund eines elektrischen Tiefpasses, und die Kurve 116 gemäß der Kurve 114, wobei zusätzlich die Wasserstoffquerempfindlichkeit berücksichtigt wird. Die Filterung hat den Effekt, dass die Signale der zweiten Lambdasonde erst verzögert die eigentlichen Messwerte zeigen. Es gibt daher eine Fehlmessung bei der Berechnung der Sauerstoffkapazität: Bei der herkömmlichen Messung würde über das Integral von t_11a bis t_21b integriert. Es empfiehlt sich aber, stattdessen erst zum Zeitpunkt t_11b mit der Integration zu beginnen. Durch die Integration über das Integral von t_11a bis t_11b wird die Messung der Sauerstoffkapazität fälschlicherweise nach oben verschoben. Durch diese Korrektur ergibt sich, dass die tatsächliche Integrationszeit von t_11b bis t_21b der idealen Integrationszeit von t_11a bis t_21a entspricht und somit der Einfluss der Fehlerhaftigkeit der Sonde eliminiert wird.
4 zeigt nochmals die Kurve 100 sowie eine Kurve 212 des Sondensignals der zweiten Lambdasonde ohne Filterung, die Kurve 214 des Sondensignals aufgrund eines zeitlichen Versatzes, und 216 die Kurve des Sondensignals gemäß Kurve 214 mit Verzögerung, wobei zusätzlich die Wasserstoffquerempfindlichkeit berücksichtigt ist. Bei der herkömmlichen Messung würde man beim Beginn von t_12a bis zum Zeitpunkt t_22b messen unter Berücksichtigung der Wasserstoffgasempfindlichkeit. Der zeitliche Versatz hat eine besonders große Auswirkung auf die Fehlmessung. Es würde sich empfehlen, die Integration gemäß der obigen Formel erst zum Zeitpunkt t_12b beginnen zu lassen. Die Integration über das Intervall zwischen t_12a und t_12b sorgt für eine Fehlmessung. Durch diese Korrektur ergibt sich auch hier, dass die tatsächliche Integrationszeit von t_12b bis t_22b der idealen Integrationszeit von t_12a bis t_22a entspricht und somit der Einfluss der Zeitverzögerung eliminiert wird.
Es zeigt sich, dass es empfehlenswert ist, die Kurve der zweiten Lambdasonde nach lokalen Maxima zu untersuchen. Der Zeitpunkt t_11b in 3 entspricht einem lokalen Maximum in der Kurve 116, und dann kann die Sauerstoffspeicherkapazität zwischen dem Zeitpunkt t_11b und dem Zeitpunkt t_21b der Sondenspannung von 0,45 V gemessen werden. Genauso entspricht der Zeitpunkt t_12b in 4 einem Maximum in der Kurve 216, der Zeitpunkt t_22b dem Durchlauf der Sondenspannung von 0,45 V.
Es kann daher leicht anhand der Kurve der zweiten Lambdasonde der Zeitpunkt erkannt werden, an dem die Messung der Sauerstoffspeicherkapazität begonnen werden soll.
Bei der vorliegenden Erfindung werden daher die Signale der zweiten Lambda-Sauerstoffsonde ständig untersucht, und die Messung der Sauerstoffspeicherkapazität erfolgt zwar grundsätzlich über einen Wechsel in der Abgaszusammensetzung, die Integration gemäß der obigen Formel beginnt jedoch erst zu einem Zeitpunkt, der einem Extremum in der Kurve der Messwerte entspricht, also beginnt er mit einem Vorzeichenwechsel in der zeitlichen Ableitung.
Der Wert der Sondenspannung der jeweils das Intervallende bestimmt, kann von 0,45 V verschieden sein und aufgrund von Erfahrungswerten bzw. Messungen an den jeweiligen Typ von Lambdasonde festgelegt werden derart, dass die Dauer des Zeitintervalls in unterschiedlichen Alterungszuständen der Lambdasonde möglichst gleich ist.
Vorliegend wurde die Messung der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC bei einem Wechsel von Fett nach Mager beschrieben. Analoges gilt bei Vertauschung des Vorzeichens in der Formel (1) auch für die Sauerstoffausspeicherung RSC, wobei Minima die Integrationsgrenze bestimmen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Sauerstoffspeicherkapazität zumindest eines Abschnitts des Sauerstoffspeichers (4), welcher in einem Abgasstrang (2) einem Verbrennungsmotor (1) einem Katalysator (3) zugeordnet ist, und wobei in Ausströmrichtung des Abgases sowohl vor dem zumindest einen Abschnitt eine erste Lambdasonde (5) angeordnet ist und nach dem zumindest einen Abschnitt eine zweite Lambdasonde (6) angeordnet ist, wobei zum Ermitteln ein Wechsel von magerem zu fettem Abgas und/oder umgekehrt bewirkt wird und über ein Zeitintervall hinweg die Messsignale der ersten Lambdasonde (5) aufgenommen und zur Grundlage einer Integralberechnung gemacht werden, wobei der Beginn des Zeitintervalls aufgrund von Messsignalen der zweiten Lambdasonde (6) festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Zeitintervalls als der Zeitpunkt festgelegt wird, zu dem die Messwerte der zweiten Lambdasonde (6) ein Extremum erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Extremum anhand eines Vorzeichenwechsels in der zeitlichen Ableitung der Messsignale der zweiten Lambdasonde (6) festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zeitintervall mit dem Durchlaufen eines vorbestimmten Spannungswerts durch die Messsignale der zweiten Lambdasonde endet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) das Integral
berechnet wird, und/oder als Sauerstoffausspeicherkapazität das Integral
berechnet wird, wobei λ(t) aus dem Messsignal der ersten Lambdasonde (5) abgeleitet wird, ṁ der Abgasmassenstrom in g/s ist und t₁ und t₂ die Grenzen des Zeitintervalls sind.