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DE19630940C2 - Verfahren zur Überprüfung des Katalysatorwirkungsgrades - Google Patents

Verfahren zur Überprüfung des Katalysatorwirkungsgrades

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DE19630940C2
DE19630940C2 DE19630940A DE19630940A DE19630940C2 DE 19630940 C2 DE19630940 C2 DE 19630940C2 DE 19630940 A DE19630940 A DE 19630940A DE 19630940 A DE19630940 A DE 19630940A DE 19630940 C2 DE19630940 C2 DE 19630940C2
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DE
Germany
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area
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exhaust gas
asm
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Hong Dr Zhang
Alexander Ketterer
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Description

Ein Katalysator wird zur Reinigung der Abgase einer Brenn­ kraftmaschine eingesetzt, wobei der Wirkungsgrad des Kataly­ sators die Güte des Abgases bestimmt. Aufgrund von Alterung und Vergiftung wird die Konvertierungsfähigkeit des Katalysa­ tors jedoch verringert.
Zur Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte ist es erforderlich, den Wirkungsgrad des Katalysators laufend festzustellen und ein Signal abzugeben, wenn der Wirkungsgrad und damit die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators unter eine vorgege­ bene Schwelle sinkt, was zur Folge hat, daß das den Katalysa­ tor verlassende Abgas nicht den gesetzlichen Vorschriften entspricht.
Aus EP 0 444 783 A1 ist bereits ein Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators bekannt, bei dem am Ausgang des Katalysators ein Sauerstoffsensor vorgesehen ist, der die Sauerstoffkonzentration im Abgas mißt. Bei einer Lambda-Regelung wird das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-/Kraftstoffverhältnis um den Lambda-Wert 1 oszillierend eingestellt. Entsprechend der Lambda-Regelung mißt der Sauer­ stoffsensor eine oszillierende Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators. Als Güte für die Konvertierungsfä­ higkeit des Katalysators wird die Differenz zwischen dem Ma­ ximalwert und dem Minimalwert der oszillierenden Sauer­ stoffkonzentration verwendet, wobei die Konvertierungsfähig­ keit des Katalysators umso größer ist, je kleiner der Abstand zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert ist.
Das bekannte Verfahren ist relativ ungenau.
Würdigung
Aus DE 41 40 618 A1 ist ein Verfahren zum Detektieren der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators bekannt, bei dem bei einer lambdageregelten Einspritzung ein Meßsignal in Ab­ hängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases nach dem Kataly­ sator gemessen wird. Zur Beurteilung der Sauerstoffspeicher­ fähigkeit des Katalysators wird das Kraftstoffzumeßsignal in bestimmten Betriebszuständen moduliert und der Mittelwert des modulierten Kraftstoffzumeßsignals solange gezielt verscho­ ben, bis das Signal der Abgassonde nach dem Katalysator vor­ gegebene Schwellwerte nicht mehr passiert. Die Verschiebung des Mittelwertes des Kraftstoffzumeßsignals stellt ein Maß für die Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysa­ tors dar.
Aus DE 42 11 116 A1 ist ein Verfahren zur Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators bekannt, bei dem das bei einer Lambdaregelung vorliegende oszillierende Kraft­ stoffzumeßsignal in einer Testphase im Mittelwert konstant gehalten wird, aber die Amplitude des Kraftstoffzumeßsignales sukzessive anwachsend erhöht werden. Zudem wird mit einer Sauerstoffsonde nach dem Katalysator das oszillierende Sauer­ stoffsignal gemessen und die Zeit bestimmt, die vergeht, bis die Amplitude des Sauerstoffsignals einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Zeitdauer stellt ein Maß für die Konver­ tierungsfähigkeit des Katalysators dar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Konvertierungs­ fähigkeit des Katalysators präzise zu bestimmen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Durch die Ermitt­ lung des Mittelwertes der Sauerstoffkonzentration nach dem Katalysator und die Berechnung der Fläche, die von dem Mit­ telwert und der Sauerstoffkonzentration umgrenzt wird, ist eine präzise Berechnung der Konvertierungsfähigkeit des Kata­ lysators möglich.
Vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung,
Fig. 2 einen Meßverlauf zur Berechnung des Mittelwertes und
Fig. 3 einen Meßverlauf zur Berechnung des Katalysatorwir­ kungsgrades.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, der ein Ansaugtrakt 2 zugeführt ist und von der ein Abgastrakt 3 wegführt, der an einen Katalysator 4 angeschlossen ist, von dem aus eine Aus­ puffleitung 10 weiterführt. Im Ansaugtrakt 2 ist ein Luft­ massenmesser 15 angeordnet, der über eine dritte Meßleitung 16 mit einem Steuergerät 6 verbunden ist. Der Brennkraftma­ schine 1 ist eine Einspritzanlage 5 zugeordnet, die über eine Steuerleitung 11 mit dem Steuergerät 6 in Verbindung steht.
Im Abgastrakt 3 ist vor dem Katalysator 4 eine Lambda-Sonde 8 und nach dem Katalysator 4 in der Auspuffleitung 10 ein Ab­ gassensor 9 vorgesehen. Die Lambda-Sonde 8 ist über eine er­ ste Meßleitung 12 und der Abgassensor 9 über eine zweite Meß­ leitung 13 an das Steuergerät 6 angeschlossen. Das Steuerge­ rät 6 ist, zudem über eine Datenleitung 14 mit einem Speicher 7 und über eine Ansteuerleitung 17 mit einer Anzeige 18 ver­ bunden.
Die Anordnung nach Fig. 1 funktioniert folgendermaßen: Der Luftmassenmesser 15 mißt die von der Brennkraftmaschine 1 an­ gesaugte Luftmasse und gibt die gemessene Luftmasse an das Steuergerät 6 weiter. Das Steuergerät 6 ermittelt aufgrund der gemessenen Luftmasse eine entsprechende Kraftstoffmenge, die die Einspritzanlage 5 der Brennkraftmaschine 1 zuführt, so daß sich bei der Verbrennung ein nahezu stöchiometrisches Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff einstellt, was einem Lambda-Wert von 1 entspricht.
Die Lambda-Sonde 8 detektiert in dem von der Brennkraftma­ schine 1 ausgegebenen Abgas die Sauerstoffkonzentration. Bei einer eingeschalteten Lambda-Regelung nimmt das Ausgangs­ signal der Lambda-Sonde 8 eine näherungsweise oszillierende Wellenform an. Die Sauerstoffkonzentration des Abgases wird von der Lambda-Sonde 8 dem Steuergerät 6 zugeführt, das unter Verwendung der gemessenen Sauerstoffkonzentration im Abgas die Einspritzanlage 5 regelt.
Das Abgas wird dem Katalysator 4 zugeführt, der eine Oxidati­ on von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasser­ stoffe HC durchführt. Ein Maß für die Oxidationsfähigkeit und damit die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4 ist die Speicherfähigkeit von Sauerstoff im Katalysator 4.
Der Abgassensor 9 mißt die Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem Katalysator 4 und gibt diese an das Steuergerät 6 weiter. Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem quasi­ stationären Zustand und ist die Lambda-Regelung aktiv, so tritt im Abgas vor dem Katalysator eine Oszillation des Sau­ erstoffverhältnisses auf. Ein Katalysator 4 mit einer hohen Konvertierungsfähigkeit glättet die Schwankungen des Sauer­ stoffverhältnisses im Abgas, so daß der Abgassensor 9 nur noch eine geringe Oszillation der Sauerstoffkonzentration fest­ stellt. Das Meßsignal des Abgassensors 9 wird vom Steuergerät 6 zur Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysa­ tors 4 verwendet.
Tritt eine schlechte Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4 auf, so wird dies beispielsweise in einem Fehlerspeicher im Speicher 7 abgelegt und/oder ein entsprechendes Warnsignal über die Anzeige 18 ausgegeben.
Die Auswertung des Abgasmeßsignals des Abgassensors 9 wird anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Fig. 2 zeigt das Abgasmeßsignal AS, das in Volt V über die Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Zuerst wird das Meßsignal AS innerhalb einer Meßperiode des Abgasmeßsignals in der Zeit von T1 bis T2 auf­ summiert und anschließend über die Zeitdauer (T2-T1) geteilt, so daß ein Abgasmittelwert ASM berechnet wird. Das Abgassignal AS wird dazu beispielsweise alle 20 msec in der Zeitdauer zwischen T1 und T2 abgetastet und über die Abtastungen wäh­ rend der Zeitdauer von T1 bis T2 zu einer Abgassumme FM auf­ summiert, die dann durch die Anzahl der Abtastungen geteilt wird. Vorteilhafterweise entspricht die Zeitperiode (T2-T1) einer Regelperiode der Lambdaregelung.
Der Abgasmittelwert ASM wird durch folgende Formel beschrie­ ben: ASM = FM/(T2-T1), wobei mit FM die Abgassumme bezeichnet ist, die die Summe der gemessenen Abgassignale während der Zeitdauer T2-T1 darstellt.
Der Abgasmittelwert ASM wird vom Steuergerät 6 im Speicher 7 abgelegt. Die Ermittlung des Abgasmittelwertes ASM ist zeich­ nerisch in Fig. 2 dargestellt, wobei die schraffierte Fläche die Abgassumme FM darstellt.
Für die Auswertung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysa­ tors 4 wird die Fläche berechnet, die vom Abgassignal und dem Abgasmittelwert während einer Periode des Abgassignals AS in der Zeitperiode von T1 bis T2 umgrenzt ist. Die umgrenzte Fläche wird im folgenden als Signalfläche FS bezeichnet. Die Berechnung der Signalfläche FS erfolgt beispielsweise da­ durch, daß in der Zeitperiode von T1 bis T2 alle 20 msec das Abgassignal AS abgetastet wird und von jedem abgetasteten Ab­ gassignal der zuletzt berechnete Abgasmittelwert ASM abgezo­ gen wird und auf diese Weise ein Differenzwert DF = AS(t) - ASM erhalten wird, wobei mit t der Zeitpunkt der Abtastung angegeben ist. Die Differenzwerte DF einer Zeitperiode (T2-T1) werden dann als Differenzsumme DS aufsummiert.
Die Differenzfläche FS berechnet sich nach folgender Formel: FS = DS/(T2-T1).
Die Differenzfläche FS wird nach jeder Zeitperiode (T2-T1) mit einem Schwellwert SW verglichen. Der Schwellwert SW ist vorab in Versuchen ermittelt worden und im Speicher 7 abge­ legt und vorzugsweise abhängig von der Last LM und der Dreh­ zahl N der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird der Schwell­ wert SW in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur korri­ giert, wobei die Korrekturfaktoren in einer Tabelle im Spei­ cher 7 in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur Tkat ab­ gelegt sind.
Ist die Differenzfläche FS größer als der abgelegte Schwell­ wert SW, so wird von dem Steuergerät 6 im Speicher 7 eine entsprechende Fehlerangabe abgelegt und/oder über die Anzeige 18 ein entsprechendes Signal an den Fahrer der Brennkraftma­ schine ausgegeben.
In einfachen Verfahren wird die Differenzsumme DS direkt mit einem entsprechenden Vergleichswert verglichen und eine schlechte Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 4 erkannt, wenn die Differenzsumme DS größer als der entsprechende Ver­ gleichswert ist. Der entsprechende Vergleichswert wird z. B. in Versuchen experimentell ermittelt.
Eine Verbesserung des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die Differenzfläche FS über mehrere Zeitperioden gemittelt wird, bevor ein Vergleich mit dem Schwellwert, der einen Ver­ gleichswert darstellt, durchgeführt wird.
Für eine vorteilhafte Auswertung des Abgassignals AS sind folgende Bedingungen vorzugsweise zu erfüllen:
Die Lambda-Regelung muß aktiv sein,
die Brennkraftmaschine muß eine vorgegebene Betriebstempera­ tur aufweisen,
nach Ablauf einer gesteuerten Gemischanfettung muß erst die Überschreitung einer vorgegebenen Luftmassenschwelle abgewar­ tet werden,
die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges muß in einem vorgege­ benen Bereich liegen,
die Brennkraftmaschine muß quasistationär in einem vorgegebe­ nen Last- und Drehzahlbereich arbeiten und
die Temperatur des Katalysators muß sich in einem vorgegebe­ nen Temperaturbereich befinden.
Ein Überprüfungszyklus wird vorzugsweise für eine Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens nur dann für die Beurteilung des Katalysatorwirkungsgrades verwendet, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen eingehalten wird:
Das Abgassignal AS muß während der Zeitperiode T2-T1 minde­ stens einmal den Mittelwert ASM überschreiten;
der während der Zeitperiode T2-T1 gemessene Mittelwert ASM muß innerhalb eines vorgebbaren Bereiches liegen;
die Differenz zwischen dem für die Auswertung des Amplituden­ signals AS verwendeten Mittelwertes ASM und dem bei der letz­ ten Zeitperiode berechneten Mittelwertes ASM darf die Diffe­ renz zwischen den beiden Mittelwerten eine vorgebbare Schwel­ le nicht überschreiten.
Die vorgebbare Schwelle liegt beispielsweise bei 10% des letzten Mittelwertes ASM.
Für eine weitere Erhöhung der Genauigkeit wird ein Quotient zwischen der Signalfläche FS einer Zeitperiode T2-T1 und der Vergleichsschwelle SW nach folgender Formel gebildet.
ASQ = FS/SW
Die Auswertung des Abgassignales AS erfolgt über eine vorge­ gebene Anzahl N von Perioden, wobei für jede Periode ein im Speicher 7 abgelegter Zählwert erhöht wird.
Die Abgasquotienten ASQ(i) der vorgegebenen Anzahl Z werden zu einem Abgassummenquotient ASQS nach folgender Formel auf­ summiert:
Der Abgassummenquotient ASQS wird über die vorgegebene Anzahl Z von Zeitperioden, in denen das Abgassignal AS ausgewertet wurde, mit folgender Formel normiert und als Diagnosesignal DS bezeichnet:
DS = ASQS/Z.
Die Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators wird weiterhin verbessert, wenn das Diagnosesignal DS mit ei­ ner vorgebbaren Diagnoseschwelle SWD verglichen wird. Die Diagnoseschwelle SWD ist vorzugsweise auch abhängig von der fast und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 und/oder der Temperatur des Katalysators 4. Vorzugsweise wird das Diagno­ sesignal DS dann mit der Diagnoseschwelle SWD verglichen, wenn die Anzahl der ausgewerteten Zeitperioden des Amplitu­ densignals, AS eine vorgebbare Anzahl überschreitet.
In einer einfachen Ausführung wird der Abgassummenquotient ASQS direkt mit einem entsprechenden Vergleichswert vergli­ chen, der beispielsweise experimentell ermittelt wurde.
Das Steuergerät 6 trägt einen Fehler in den Speicher 7 ein oder gibt über die Anzeige 18 ein Alarmsignal ab, wenn beim Vergleich des Diagnosesignals DS mit der Diagnoseschwelle SWD das Diagnosesignal DS größer als die Diagnoseschwelle SWD ist.
Nach einem Vergleich des Diagnosesignals DS mit der Diagnose­ schwelle SWD wird der Zähler Z wieder auf Null gesetzt. Die Diagnoseschwelle SWD und der Schwellwert SW sind im Speicher 7 abgelegt und in Form von zwei oder eindimensionalen Feldern realisiert.

Claims (10)

1. Verfahren zum Detektieren der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators (4) einer Brennkraftmaschine (1), bei dem bei ei­ ner lambdageregelten Einspritzung ein Meßsignal in Abhängig­ keit vom Sauerstoffgehalt des Abgases nach dem Katalysator (4) gemessen wird, wobei der Mittelwert (ASM) des Meßsignals für eine vorgebbare Zeitdauer (T2-T1) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Maß (DS) für die Fläche bestimmt wird, die von dem Mittelwert (ASM) des Meßsignals (AS) und dem Meßsignal (AS) über die vorgebbare Zeitdauer (T2-T1) begrenzt wird, und
daß eine schlechte Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (4) erkannt wird, wenn das Maß (DS) über einem Vergleichswert (SW) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß für die Fläche (DS) durch die Zeitdauer (T2-T1) geteilt wird und somit eine Vergleichsfläche (FS) berechnet wird, die mit einem entsprechendem Vergleichswert (SW) verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsfläche (FS) über eine vorgebbare Anzahl (Z) von Zeitperioden (T2-T1) gemittelt wird, bevor die gemittelte Ver­ gleichsfläche mit dem Vergleichswert (SW) verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich einer Zeitperiode (T2-T1) und der aus dieser Zeitpe­ riode (T2-T1) neu berechnete Mittelwert nur dann als korrekt erkannt und damit berücksichtigt werden, wenn der neu berech­ nete Mittelwert vom zuletzt korrekt berechneten Mittelwert we­ niger als einen vorgebbaren Wert abweicht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsfläche (FS) durch den entsprechenden Vergleichswert (SW) geteilt wird und für eine vorgegebene Anzahl von Zeitpe­ rioden (T2-T1) zu einem Abgassummenquotient (ASQS) aufsummiert wird, der anschließend mit einem entsprechenden Vergleichswert (SWD) verglichen wird, und daß eine schlechte Konvertierungs­ fähigkeit des Katalysators (4) erkannt wird, wenn der Abgas­ summenquotient (ASQS) größer als der entsprechende Vergleichs­ wert (SWD) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert (SW, SWD) von der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine (1) und/oder der Temperatur des Katalysa­ tors (4) abhängt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorwirkungsgrad nur dann bestimmt wird, wenn sich der Mittelwert (ASM) des Meßsignals (AS) in einem vorgebbaren Wer­ tebereich befindet.
8. Vorrichtung zur Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit ei­ nes Katalysators (4) einer Brennkraftmaschine (1), deren Ein­ spritzung (5) von einem Steuergerät (6) gesteuert wird, wobei nach dem Katalysator (4) ein Abgassensor (9) angeordnet ist,
der aus der Sauerstoffkonzentration im Abgas ein Meßsignal er­ zeugt und das Meßsignal dem Steuergerät (6) zuführt, das aus dem Meßsignal für eine vorgebbare Zeitperiode (T2-T1) einen Mittelwert (ASM) des Meßsignals ermittelt, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das Steuergerät (6) ein Maß (DS) für die Fläche ermittelt, die von dem Mittelwert (ASM) und dem Meßsignal (AS) umgrenzt wird,
daß das Steuergerät (6) das Maß (DS) mit einem Vergleichswert (SW, SWD) vergleicht und eine geringe Konvertierungsfähigkeit des Katalysators (4) feststellt, wenn das Maß (DS) größer als der Vergleichswert (SW, SWD) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (6) das Maß (DS) für die Fläche über mehrere, vorgebbare Zeitperioden (T2-T1) mittelt, bevor das Steuergerät (6) die gemittelte Fläche (FS, ASQS) mit einem Vergleichswert (SW, SWD) vergleicht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (6) das Maß (DS) für die Fläche nur berechnet, wenn der Mittelwert (ASM) des Meßsignals (AS) vom zuletzt aus­ gewerteten Mittelwert nicht mehr als einen vorgebbaren Wert abweicht.
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