„Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschi¬ ne zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines Abgaskatalysa¬ tors"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Re¬ gelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskataly¬ sators.

Aus dem Stand der Technik sind zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/KraftstoffVerhältnisses sogenannte Lambdasonden bekannt. Der normalerweise für binäre Lambdasonden verwendete Festkörperelekt¬ rolyt besteht aus einer ZrO-Keramik, die bei höheren Temperaturen eine e- lektrische Spannung erzeugt. Somit stellt sich an den Anschlüssen der Lambdasonde eine für das Luft/Kraftstoffverhältnis charakteristische galvani¬ sche Spannung ein. Da der Gradient dieser Spannung bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1 am stärksten variiert, eignen sich Lambdason¬ den insbesondere zur Überwachung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 1. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Sauerstoffbeladungsgrades des Ab¬ gaskatalysators anhand des Signals der dem Abgaskatalysator nachge¬ schalteten Lambdasonde nicht exakt möglich. Für die optimale Konvertierung der im Abgas enthaltenen Emissionen stellt der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers jedoch eine höchst aus¬ sagekräftige Größe dar, so dass die Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators erfolgen soll.

In der Druckschrift DE 42 35 225 A1 ist eine Sensoranordnung zur Überwa¬ chung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators beschrieben. Diese Sensoreinrichtung arbeitet mit zwei Paaren bestehend aus jeweils einem Inf¬ rarotstrahler und einem in Bezug auf den Abgasstrom diametral gegenüber¬ liegenden Infrarotsensor, wobei das eine Paar an der Eingangsseite und das andere Paar an der Ausgangsseite des Abgaskatalysators angeordnet ist. Aus einem Vergleich der von den beiden Paaren aufgenommenen Infrarot¬ spektren wird die Reduktion der den Schadstoffanteil bildenden Gase CO, CO2 und NOx des Abgasgemisches und damit die Konvertierungsrate des Katalysators erhalten.

Aus der Druckschrift DE 43 44 961 A1 ist eine Auswertevorrichtung für ein Sondensignal einer beheizten amperometrischen Sauerstoffsonde bekannt, die in der Strömung des Abgases aus einem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Diese Sauerstoffsonde wird mit einer vorgegebenen Heizspannung be¬ trieben, so dass ihr Innenwiderstand konstant bleibt. Dabei wird der Effekt, dass mit zunehmender Alterung der Sauerstoffsonde eine immer höhere Sondentemperatur bzw. Heizspannung erforderlich ist, mathematisch korri¬ giert, um bei der Angabe der im Abgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration temperatur- und alterungsbedingte Fehler zu vermeiden.

Darüber hinaus sind stationäre Einrichtungen zur Abgasanalyse von Kraft¬ fahrzeugen bekannt, die zur Durchführung der gesetzlich vorgeschriebenen Abgasuntersuchungen verwendet werden. Diese Einrichtungen sind grund¬ sätzlich dazu in der Lage, die Konzentration an Sauerstoff O2 im Abgas zu bestimmen, können aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und der von ihnen benötigten Versorgungsspannung aber nicht innerhalb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein ver¬ bessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Regelung des ei¬ ner Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhän¬ gigkeit von dem mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators be¬ reitzustellen.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses anhand wenigstens eines im Abgaskatalysator angeordneten Sauerstoffbeladungssensors erfolgt, welcher die Sauerstoff¬ beladung des Abgaskatalysators direkt bestimmt und daraus den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers ableitet. Durch die Kenntnis der Sauerstoffbeladung kann zum Beispiel gewährleistet werden, dass der Ab¬ gaskatalysator bei etwa 50 % des mittleren relativen Befüllungsgrades seines Sauerstoffspeichers gehalten wird, um stets eine optimale Konvertierung der auftretenden Abgasemissionen NOx und HC durchführen zu können, wobei die verbliebene Aktivität des Sauerstoffspeichers bzw. die Alterung des Ka¬ talysators berücksichtigt werden. Zudem kann durch die genaue Kenntnis der Sauerstoffbeladung während des instationären Betriebs der Brennkraftma¬ schine auch schnell auf etwaige Störgrößen wie Lastwechsel, Schub oder Schaltvorgänge reagiert werden, so dass der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers in kürzester Zeit wieder auf seinen optimalen Wert ein¬ geregelt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens ist, dass durch den Sauerstoffbeladungssensor zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung grundsätzlich auch auf die üblicherweise stromab des Abgaskatalysators angeordnete Lambdasonde verzichtet werden kann.

Zweckmäßig wird der aus dem Messsignal des Sauerstoffbeladungssensors abgeleitete mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers mit einem vor- gegebenen Sollwert verglichen und wird der aus dem Vergleich erhaltene Vergleichs- oder Differenzwert zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet, so dass der mittlere Be- füllungsgrad des Sauerstoffspeichers auf den vorgegebenen Sollwert einge¬ regelt wird.

Die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses kann zusätzlich in Abhängigkeit von dem Signal einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdason- de erfolgen, um eine differenzierte Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zu ermöglichen, wobei die Gewichtung der Sauerstoffbeladung des Abgas¬ katalysators größer sein sollte als die Gewichtung des Lambdasondensig- nals.

Die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses sollte ferner auch in Abhängig¬ keit von der Last der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit von der den Abgasstrang durchströmenden Abgasmasse erfolgen. Denn durch die mit hohen Lasten verbundenen großen Abgasmassen verändert sich bei einer Abweichung von Lambda = 1 auch der mittlere Befüllungsgrad des Sauer¬ stoffspeichers des Abgaskatalysators entsprechend schnell, während sich dieser bei geringen Lasten vergleichsweise langsam verändert.

Vorteilhaft bestimmt der Sauerstoffbeladungssensor die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, elektro¬ chemisch, (infrarot-) spektrometrisch und/oder chromatographisch. Diese Bestimmungsverfahren sind für die Analyse verschiedenster Stoffe anwend¬ bar und können unter Berücksichtigung der bei Kraftfahrzeugen vorgegebe¬ nen Rahmenbedingungen auch zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators verwendet werden. Selbstverständlich können diese Ver¬ fahren dabei auch miteinander kombiniert werden. Da für die vorliegende Erfindung geeignete Abgaskatalysatoren zur Bindung von Sauerstoff unter anderem Cerium bzw. Ceroxide aufweisen, könnte die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators beispielsweise dadurch erfasst werden, dass der Sauerstoffbeladungssensor den Ablauf der chemischen Bindungsreaktion

2 Ce2O3 + O2 < > 4 CeO2

überwacht und anhand von Art und Menge der auftretenden Ceroxide auf die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators schließt.

Vorrichtungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe gelöst, indem zur Rege¬ lung des Luft/Kraftstoffverhältnisses wenigstens ein im Abgaskatalysator an¬ geordneter Sauerstoffbeladungssensor vorgesehen ist, durch welchen die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators bestimmbar ist und daraus der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers ableitbar ist. Denn die ge¬ naue Kenntnis der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators erlaubt im Ge¬ gensatz zum Stand der Technik eine weitaus bessere Berücksichtigung der Alterung des Abgaskatalysators und somit auch eine bessere Konvertierung schädlicher Emissionen bei einem optimalen mittleren relativen Befüllungs¬ grad des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators.

Günstigerweise ist der wenigstens eine im Abgaskatalysator angeordnete Sauerstoffbeladungssensor an einer repräsentativen Einbaulage im Abgas¬ katalysator bzw. zentral im Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators positi¬ oniert. Durch die Positionierung im Abgaskatalysator kann nicht nur der mitt¬ lere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers, sondern können auch die unte¬ re sowie die obere Befüllungsgrenze des Sauerstoffspeichers präzise be¬ stimmt werden.

Zur Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators arbeitet der Sauerstoffbeladungssensor induktiv, kapazitiv, resistiv, amperometrisch, e- lektrochemisch, (infrarot-)spektrometrisch und/oder chromatographisch, wo¬ bei auch Kombinationen denkbar sind Ist der wenigstens eine im Abgaskatalysator angeordnete Sauerstoffbela¬ dungssensor Teil einer Multisensoreinrichtung zur Bestimmung anderer im Abgas enthaltener chemischer Elemente bzw. Moleküle, so kann diese In¬ formation gegebenenfalls ergänzend herangezogen werden, um eine zusätz¬ liche Überwachung der Konvertierungsrate zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses in vereinfachter Darstellung; und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugstrang 2 und einem Abgasstrang 3. Innerhalb des Ansaug¬ strangs 2 ist eine Regelungseinrichtung 4 für das der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis angeordnet und innerhalb des Abgas¬ strangs 3 ist ein Dreiwege-Abgaskatalysator 5 mit einem Sauerstoffspeicher 6 angeordnet.

Zur direkten Bestimmung der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators 5 kann wenigstens ein Sauerstoff beladungssensor 7 im Abgaskatalysator 5 vorgesehen sein. Aus der von diesem wenigstens einen Sauerstoffbela¬ dungssensor 7 ermittelten Sauerstoffbeladung wird der mittlere Befüllungs- grad des Sauerstoffspeichers 6 des Abgaskatalysators 5 abgeleitet. Der mittlere Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 wird daraufhin in einer Re¬ cheneinheit 8 mit einem vorgegebenen Sollwert für den Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 von beispielsweise 50 % seiner aktuellen Speicherka- pazität verglichen. Und anhand des von der Recheneinheit 8 ausgegebenen Vergleichs- bzw. Differenzwertes erfolgt schließlich eine entsprechende An¬ steuerung der Regelungseinrichtung 4 für das der Brennkraftmaschine 1 zu¬ geführte Luft/Kraftstoffverhältnis, um eine optimierte Abgaskonvertierung zu erhalten.

Gegebenenfalls kann bei dieser Vorrichtung außerdem noch eine dem Ab¬ gaskatalysator 5 nachgeschaltete Lambdasonde 9 zur ergänzenden Rege¬ lung des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luft/KraftstoffVerhältnisses vorgesehen sein.

Das in Fig. 2 gezeigte Verfahren zur Regelung des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses sieht zunächst gemäß dem Stand der Technik eine Lambdaregelung vor, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis bei 1 liegt. Ausgehend hiervon wird nicht nur beim stationären Betrieb der Brenn¬ kraftmaschine 1 , sondern wird insbesondere auch beim instationären Betrieb der Brennkraftmaschine 1 emissionsbehaftetes Abgas erzeugt und zur Kon¬ vertierung in den Abgaskatalysator 5 geleitet. Die Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators 5 wird mittels des Sauerstoffbeladungssensors 7 erfasst, so dass auf den mittleren Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers 6 ge¬ schlossen werden kann. Der so ermittelte Befüllungsgrad des Sauerstoff¬ speichers 6 wird mit einem für die Konvertierung optimalen Sollwert vergli¬ chen und anhand der daraus resultierenden Differenz wird das der Brenn¬ kraftmaschine 1 zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis über die Regelungsein¬ richtung 4 neu geregelt, so dass sich der für den Sauerstoffspeicher 6 vorge¬ gebene Sollwert einstellt.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 durch die gestrichenen Linien angedeutet, kann die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses gegebenenfalls noch zusätzlich durch das Signal einer dem Abgaskatalysator 5 nachgeschalteten konventio¬ nellen Lambdasonde 9 kontrolliert bzw. beeinflusst werden. Liste der Bezugszeichen:

1 Brennkraftmaschine 2 Ansaugstrang 3 Abgasstrang Regelungseinrichtung 5 Abgaskatalysator 6 Sauerstoffspeicher 7 Sauerstoffbeladungssensor Recheneinheit Lambdasonde