DE19623335C1 - Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Diagnose von Katalysatoren, die zur Konvertierung von Schadstoffen im Abgas von Brennkraftmaschinen verwendet werden.

Gesetzgeberische Forderungen sehen eine On Board-Diagnose von schadstoffemissionsrelevanten Kraftfahrzeugkomponenten wie Katalysatoren vor. In diesem Zusammenhang ist es z. B. aus der US 4 622 809 bekannt, die Signalamplitude einer hinter dem Katalysator angeordneten, sauerstoffempfindlichen Abgassonde zur Beurteilung des Katalysatorzustandes heranzuziehen. Das bekannte Verfahren basiert auf der mittelnden Wirkung, die der Katalysator auf den Sauerstoffgehalt im Abgas ausübt. Ist das in den Katalysator strömende Abgas sauerstoffreich, kann der Katalysator den überschüssigen Sauerstoff in gewissen Grenzen speichern, und bei sauerstoffarmem Abgaseintrag wieder abgeben. Eine Oszillation des Sauerstoffgehaltes im Abgas vor dem Katalysator, wie sie typischerweise bei einer bekannten Strategie zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses für einen Verbrennungsmotor auftritt, wird daher durch den Katalysator gedämpft, d. h. in ihrer Amplitude verkleinert.

Registriert die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde unerwartet starke Oszillationen des Sauerstoffgehaltes, wird dies als Zeichen für einen defekten Katalysator gewertet, da mit dem Verlust der dämpfenden Wirkung ein Verlust der Schadstoffkonvertierungsfähigkeit einher geht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Katalysatordiagnoseverfahrens, dessen Zuverlässigkeit im Hinblick auf die Sicherheit und Reproduzierbarkeit der gewonnenen Diagnoseaussagen weiter verbessert ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 offenbart ein Flußdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel in der Gestalt von Funktionsblöcken dar.

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf einiger Signale, die an verschiedenen Stellen der Fig. 3 abnehmbar sind.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Saugrohr 2, einem Lasterfassungsmittel 3, einem Kraftstoffzumeßmittel 4, einem Drehzahlsensor 5, einem Abgassystem 6, einem Katalysator 7, Abgassonden 8 und 9, einem Steuergerät 10 und einem Mittel 11 zur Anzeige eines Fehlers.

Das Steuergerät 10 empfängt die Signale ML des Lasterfassungsmittels, n des Drehzahlsensors und die Signale USVK und USHK der beiden Abgassonden und bildet daraus u. a. ein Kraftstoffzumeßsignal ti, bspw. eine Einspritzimpulsbreite zur Ansteuerung von Einspritzventilen 4 als Kraftstoffzumeßmittel. Dazu kann beispielsweise ein Basiswert tl des Ansteuersignals ti für das Kraftstoffzumeßmittel als Funktion der angesaugten Luftmasse ML und der Drehzahl n bestimmt werden. Dieser Basiswert wird noch in einem geschlossenen Regelkreis durch eine Regelstellgröße FR multiplikativ korrigiert, die in bekannter Weise durch Anwendung einer PI-Regelstrategie auf die Abweichung des Sondensignales USVK von einem Sollwert erzeugt wird. In die Bildung des Kraftstoffzumeßsignals kann zusätzlich, beispielsweise zur Sollwertbildung, das Signal USHK mit eingerechnet werden.

In diesem technischen Umfeld läßt sich das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen. Danach wird in einem Schritt S2.1, der aus einem übergeordneten Motorsteuerungs- oder Hauptprogramm heraus erreicht wird, der Istwert USHK-IST des Signals der stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgassonde erfaßt. Schritt S2.2 dient zur Erfassung stromaufwärts des Katalysators meßbarer Größen, die den Sauerstoffeintrag in den Katalysator beeinflussen. Beispiele solcher Größen sind die angesaugte Luftmasse ML und die Regelstellgröße FR. Aus den im Schritt S2.2 erfaßten Größen wird im Schritt S2.3 ein Erwartungswert USHK-EW für das Signal der stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgassonde berechnet. Dabei wird der Bildung des Erwartungswertes der (hypothetische) Einfluß eines gerade noch als gut zu beurteilenden Katalysators zugrunde gelegt. Anschließend erfolgt im Schritt S2.4 die Bildung einer Katalysatorbeurteilungsgröße DKATI als Funktion der Differenz des Erwartungswertes USHK-EW und des Istwertes USHK-IST. Ist der Katalysator noch besser als der der Bildung des Erwartungswertes zugrundeliegende, gerade noch gute Modellkatalysator, werden die Istwerte kleiner sein als die Erwartungswerte. Unter der Voraussetzung, daß die DKATI- Bildung das Vorzeichen der Differenz USHKEW-USHKIST erhält, wird der Katalysator demnach im Schritt S2.6 als gut beurteilt, wenn sich DKATI im Schritt S2.5 als positiv herausstellt. Stellt sich DKATI dagegen als negativ heraus, wird der Katalysator im Schritt S2.7 als schlecht beurteilt und gegebenenfalls das Mittel 11 aus Fig. 1, das diesen Zustand anzeigt, aktiviert. Mit anderen Worten: Der Katalysator wird beurteilt durch ein Verfahren, bei dem der Istwert des Signals einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgassonde erfaßt wird und bei dem ein Erwartungswert des Signals der genannten Abgassonde aus stromaufwärts des Katalysators gemessenen Größen gebildet wird, und daß ein Maß für die Abweichung des Istwertes von dem Erwartungswert gebildet wird, und daß die Funktionsfähigkeit des Katalysators auf der Basis dieses Maßes beurteilt wird.

Der Katalysator wird vorteilhafterweise dann als nicht funktionsfähig beurteilt, wenn das Maß für die Abweichung nach einer vorgegebenen Zeitspanne einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Als stromaufwärts des Katalysators gemessene Größen werden vorteilhafterweise eine Größe, die auf dem Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde basiert, und ein Signal, das die von dem Verbrennungsmotor angesaugte Gemischmenge angibt, verwendet.

Als Maß für die Abweichung des Istwertes von dem Erwartungswert können zeitlich aufeinander folgende Werte der Differenz von Ist- und Erwartungswert aufsummiert (integriert) werden.

Fig. 3 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Funktionsblockdarstellung. In einem Block 3.1 wird aus dem Signal USVK der vorderen Sonde die bereits erwähnte Regelstellgröße FR gebildet. Block 3.2 dient zur Herausfilterung des Wechselanteils W (FR) der Regelstellgröße. Dies kann beispielsweise durch die Bildung der Differenz von Momentan- und Mittelwert der Regelstellgröße FR geschehen. Der Wechselanteil stellt seinem Betrag und Vorzeichen nach ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Abgases dar. Ein typischer Verlauf ist in Fig. 4a dargestellt. Durch Multiplikation mit der angesaugten Luftmasse Ml im Verknüpfungspunkt 3.3 wird die Größe KATIN gewonnen, die ein Maß für den positiven oder negativen Eintrag von Sauerstoff in den Katalysator ist, gebildet. Ein Verlauf von ML ist in Fig. 4b dargestellt, ein Verlauf des Produktes KATIN in Fig. 4c. Die Integration dieser Größe im Block 3.4 liefert ein Maß für den aktuellen Sauerstoffüllstand des Katalysators. Die Integration verläuft dabei in Grenzen, wie sie für einen gerade noch brauchbaren Katalysator typisch sind. Kann ein solcher Katalysator beispielsweise eine Menge X0 an Sauerstoff speichern und wird dieser Wert bei der Integration erreicht, so wird das Integrationsergebnis bis zur Umkehr der Integrationsrichtung konstant gehalten. In dieser Zeit verharrt der im Schritt S3.5 gebildete Erwartungswert USHK- EW für das Signal der hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde auf einen für sauerstoffreiches Abgas charakteristischen Niveau. Dies deshalb, weil davon ausgegangen werden muß, daß der bereits gefüllte Katalysator weiteren Sauerstoffeintrag weitergibt. Bei einem Vorzeichenwechsel von FR ändert auch KATIN das Vorzeichen und die Integrationsrichtung im Block 3.4 kehrt sich um. Wurde der Katalysator vorher mit Sauerstoff gefüllt, so wird er jetzt entleert. Sobald der Integratorwert einen leeren Katalysator repräsentiert, wird der Erwartungswert USHK-EW im Schritt S3.5 auf einen für sauerstoffarmes Abgas charakteristischen Wert geändert. Der Erwartungswert für das Signal USHK-EW wird demnach abhängig von einem modellierten Katalysatorfüllstand auf der Basis einer Hypothese für den Katalysatorzustand und weiter auf der Basis von stromaufwärts des Katalysator meßbaren Größen, die den Sauerstoffeintrag in den Katalysator repräsentieren, gebildet. Der Verlauf eines derartig gebildeten Erwartungswertes USHK-EW für das Signal der hinteren Sonde ist in der Fig. 4d abgebildet. Fig. 4e zeigt den zeitlichen Verlauf des unter den gleichen Bedingungen aufgenommenen Signals der Sonde hinter dem Katalysator. Ein Vergleich beider Signalverläufe verdeutlicht die erwünschte Ähnlichkeit des modellhaft gebildeten Erwartungswertes (Fig. 4d) mit dem gemessenen Ist-Wert. Fig. 4e. Im Block 3.6 wird die Amplitude AHKF des Erwartungswertes USHK-EW ermittelt, wobei die AHKF-Bildung beim Vorliegen gewisser Stopbedingungen, die weiter unten erläutert werden, unterbrochen werden kann. Der Schalter 3.7 symbolisiert diese Unterbrechungsmöglichkeit. Analog wird im Block 3.8 die Amplitude AHK des Istwertes USHK-IST ermittelt, wobei allerdings keine Unterbrechungen vorzusehen sind. Die zeitlichen Verläufe beider Amplituden sind in Fig. 4f dargestellt, wobei die Bildung bei einem Zeitpunkt t0 beginnt und beim Vorliegen der genannten Stopbedingungen unterbrochen ist.

Im Block 3.9 erfolgt eine Differenzbildung der Amplitudenwerte. Anschließend wird diese Differenz im Block 3.9 integriert und im Block 3.10 mit einem Schwellwert verglichen, wobei geschlossene Schalter 3.13 und 3.14 angenommen sind. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird die Fehlerlampe 3.12 eingeschaltet.

Die Kriterien, unter denen die Fehlerlampe einzuschalten ist, werden mit Blick auf die Fig. 4g erläutert, die den zeitlichen Verlauf des Integrals der Differenz von Erwartungswert und Istwert für vier verschieden gealterte Katalysatoren zeigt.

Die Linie 1 entspricht einem realen Katalysator, der sich im ungefähr gleichen Alterungszustand befindet wie der Modellkatalysator, der der Bildung des Erwartungswertes zugrundeliegt. Dementsprechend gering fällt die Differenz und damit auch das Integral der Differenz zwischen dem gemessenen Istwert und dem modellhaft gebildeten Erwartungswert aus. Die in der Nähe von Null verlaufende Linie 1 deutet also auf einen Katalysator hin, der dem Modellkatalysator gleicht und damit die Anforderungen an die Schadstoffkonvertierung gerade noch erfüllt.

Die Linie 2 entspricht einem neuen Katalysator, der besser ist als der Modellkatalysator. Der neue Katalysator dämpft die Amplitude der Oszillationen im Sauerstoffgehalt des Abgases stärker als der Modellkatalysator. Die gemessenen Istwerte sind daher kleiner als die Erwartungswerte so daß die Differenz Istwert - Erwartungswert bei der Vorzeichenfestlegung des Punktes 3.8 aus Fig. 3 kleiner als Null ist. Mit anderen Worten: Die deutlich unterhalb der Nullinie verlaufende Linie 2 deutet auf einen noch guten Katalysator hin.

Umgekehrte Verhältnisse herrschen bei den Linien 3 und 4, die auf schlechte Katalysatoren hindeuten. In beiden Fällen ist der gemessene Istwert größer als der Erwartungswert, der auf einem gerade noch guten Katalysator basiert.

Aus diesem Sachverhalt ergibt sich, daß durch eine zwischen den schlechten und dem guten Katalysator verlaufende Schwelle die noch guten von den bereits schlechten Katalysatoren getrennt werden können. Die Lage der Schwelle, bspw. der Wert Null hängt dabei von der Vorzeichenkonvention des Punktes 3.9 in Fig. 3 und der Modellannahme ab, die der Erwartungswertbildung zugrundeliegt. Wird der Erwartungswertbildung bspw. ein neuer Katalysator zugrundegelegt, ergibt sich ein Verlauf in der Nähe von Null auch nur bei einem realen neuen Katalysator. Der Grad der Verschlechterung wäre in diesem Fall am Abstand der gemessenen Verläufe zur Nullinie zu messen, wobei allerdings alle Linien oberhalb der Nullinie verlaufen würden.

Bei der bisherigen Darstellung wurde ein durchgehender Signalpfad zwischen der Subtraktionsstelle 3.9 und der Fehlerlampe 3.12 angenommen, was geschlossenen oder auch nicht vorhandenen Schaltern 3.13 und 3.14 entspricht.

Zur weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Diagnoseaussagen ist jedoch die Funktion der dargestellten Schalter 3.13 bis 3.15 in Verbindung mit den Blöcken 3.16 bis 3.19 von besonderem Vorteil. Die Funktion dieser Anordnung besteht darin, die Diagnosefunktion beim Vorliegen gewisser Stopkriterien zu unterbrechen. Ein Stopkriterium besteht darin, die Diagnose in bestimmten Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors, beispielsweise bei hoher Last ML und Drehzahl n auszublenden. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Motor in diesem Betriebsbereich außerhalb der Lambda=1 Regelung betrieben wird. Dieser Zustand wird im Block 3.19 bemerkt, der daraufhin die Schalter 3.13 und 3.15 öffnet. Das Öffnen des Schalters 3.13 bewirkt eine Unterbrechung der DKATI-Bildung und das Öffnen des Schalters 3.15 hat das Anhalten einer Zeitmessung in den Blöcken 3.16 bis 3.18 zur Folge. Dabei erfolgt die Zeitmessung mit dem Zweck, den Schwellwertvergleich im Block 3.11 durch Schließen des Schalters 3.14 erst nach Ablauf einer vorbestimmten Diagnosezeitspanne zu erlauben, wobei die Diagnosezeitspanne durch Stopphasen bei geöffnetem Schalter 3.13, 3.14 nicht verkürzt wird. Als weiteres Stopkriterium kann der Wert der Größe KATIN verwendet werden. Überschreitet diese beispielsweise einen vorgegebenen Maximalwert, könnte u. U. auch ein noch nicht gefüllter Katalysator den mit hohem KATIN-Wert verbundenen Sauerstoffeintrag pro Zeiteinheit nicht vollständig speichern, so daß auch hinter dem Katalysator noch Sauerstoff meßbar wäre. Um diesen Fall einer das Diagnoseergebnis möglicherweise verfälschenden Katalysatorüberlastung auszublenden, werden auch hier die Schalter 3.13 und 3.15 geöffnet.

Mit anderen Worten: Die Integration oder auch Aufsummation der Differenz unterbleibt, wenn der Katalysator nicht ausgleichend auf den Sauerstoffgehalt im Abgas einwirkt.

Dies kann dann bspw. dann vorkommen, wenn der in den Katalysator pro Zeiteinheit einströmende Sauerstoffüberschuß oder Mangel einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

Der in den Katalysator pro Zeiteinheit einströmende Sauerstoffüberschuß oder -mangel kann als Produkt der vom Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit angesaugten Luftmenge und der Abweichung der Stellgröße eines Gemischregelkreises vom neutralen, stöchiometrischer Gemischzusammensetzung entsprechenden Wert gebildet werden.

Außerdem unterbleibt die Integration dann, wenn der Sauerstoffüllungsgrad des Katalysators einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet oder einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.

Der vorgegebene Maximalwert sollte dabei dem maximalen Sauerstoffspeichervermögen eines gerade noch funktionsfähigen Katalysators entsprechen.

Der Sauerstoffüllungsgrad des Katalysators kann durch Integration des Produktes des vom Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit angesaugten Luftmenge und der Abweichung der Stellgröße eines Gemischregelkreises vom neutralen, stöchiometrischer Gemischzusammensetzung entsprechenden Wert gebildet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators, wobei der Istwert des Signals einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgassonde erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erwartungswert des Signals der genannten Abgassonde aus stromaufwärts des Katalysators gemessenen Größen gebildet wird, und daß ein Maß für die Abweichung des Istwertes von dem Erwartungswert gebildet wird, und daß die Funktionsfähigkeit des Katalysators auf der Basis dieses Maßes beurteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator als nicht funktionsfähig beurteilt wird, wenn das Maß für die Abweichung nach einer vorgegebenen Zeitspanne einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß als stromaufwärts des Katalysators gemessene Größen ein Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde und ein Signal, das die vom Verbrennungsmotor angesaugte Gemischmenge angibt, verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Abweichung des Istwertes von dem Erwartungswert zeitlich aufeinander folgende Werte der Differenz von Ist- und Erwartungswert aufsummiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsummation unterbleibt, wenn der Katalysator nicht ausgleichend auf den Sauerstoffgehalt im Abgas einwirkt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsummation unterbleibt, wenn der Sauerstoffüllungsgrad des Katalysators einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet oder einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Maximalwert dem maximalen Sauerstoffspeichervermögen eines gerade noch funktionsfähigen Katalysators entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsummation unterbleibt, wenn der in den Katalysator pro Zeiteinheit einströmende Sauerstoffüberschuß oder Mangel einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Katalysator pro Zeiteinheit einströmende Sauerstoffüberschuß oder -mangel als Produkt der vom Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit angesaugten Luftmenge und der Abweichung der Stellgröße eines Gemischregelkreises vom neutralen, stöchiometrischer Gemischzusammensetzung entsprechenden Wert gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffüllungsgrad des Katalysators durch Integration des Produktes aus der vom Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit angesaugten Luftmenge und der Abweichung der Stellgröße eines Gemischregelkreises vom neutralen, einer stöchiometrischen Gemischzusammensetzung entsprechenden Wert gebildet wird.