DE19722334B4

DE19722334B4 - Abgassondendiagnoseverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE19722334B4
Application number: DE19722334A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Lothar Raff; Claus-Peter Pflieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: FR2763999B1; DE19722334A1; JPH10331700A; US6131446A; FR2763999A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde mit Nernst-Charakteristik, die im Abgas einer Brennkraftmaschine hinter einem Katalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit, mit der das Sondensignal (USHK) der Abgassonde (5) auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration reagiert, als Beurteilungskriterium verwendet wird und dass die Reaktion der Abgassonde (5) auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration nach dem Beginn einer Schiebebetriebsphase oder nach dem Ende einer Schiebebetriebsphase der Brennkraftmaschine (1) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Diagnose einer hinter einem Katalysator im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde.
Hinter einem Katalysator angeordnete Abgassonden dienen im Wesentlichen zwei Zwecken: Sie werden zur Ergänzung der Lambdaregelung herangezogen, die im Wesentlichen auf dem Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde basiert. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Überwachung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators. Beide Funktionen sind in der DE 35 00 594 A1 beschrieben.
Die in der US 5 235 957 A beschriebene Diagnose einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde mit Nernst-Charakteristik ist ebenfalls lediglich bei einer stromaufwärts vor einem Katalysator angeordneten Abgassonde vorgesehen, wobei die Diagnose im normalen Regelbetrieb des Lambdareglers durchgeführt wird, bei dem ein periodischer Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs auftritt.
Auch die in der EP 0 616 119 A1 beschriebene Diagnose einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde mit Nernst-Charakteristik, bei der die Ermittlung einer Schaltzeit vorgesehen ist, wird nur bei solchen Abgassonden angewendet, die stromaufwärts vor einem Katalysator angeordnet sind. Die Überprüfung ist in einem quasistationären Zustand der Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei darauf gewartet werden muss, dass Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas auftreten, damit resultierende Sprünge des Sondensignals auftreten können, die der Bewertung zugrunde gelegt werden können.
Weiterhin ist in der DE 195 48 071 A1 eine Diagnose einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde im Rahmen einer Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Diagnose ebenfalls nur bei einer stromaufwärts vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde vorgenommen wird. Die Diagnose sieht eine Bewertung der Änderungsgeschwindigkeit des Sondensignals vor. Die Abgassonde ist eine Breitband-Lambdasonde, die sowohl bei einem mageren als auch bei einem fetten, der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch ein definiertes Signal bereitstellt, welches proportional zur Luftzahl Lambda im Abgas ist. Bei einer derartigen Breitband-Lambdasonde, deren Einsatz aufgrund des großen Messbereichs nur stromaufwärts vor einem Katalysator sinnvoll ist, kann die Diagnose der Signaländerungsgeschwindigkeit ohne Weiteres vorgesehen sein, weil sich das Sondensignal proportional zur Sauerstoffkonzentration ändert, wobei schnelle Änderungen entsprechend schnell wiedergegeben und langsame Änderungen entsprechend langsam wiedergegeben werden sollten. Eine Übertragung der bekannten Bewertung der Änderungsgeschwindigkeit des Sondensignals bei einer Breitband-Lambdasonde auf die Bewertung der Änderungsgeschwindigkeit einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde mit Nernst-Charakteristik ist aufgrund der völlig unterschiedlichen Signalverläufe nicht ohne Weiteres möglich.
Es hat sich gezeigt, dass die Ergebnisse der Überwachung des Katalysators vom Alterungszustand der Abgassonde hinter dem Katalysator beeinflusst werden.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Diagnoseverfahrens und einer Diagnosevorrichtung für die hintere Abgassonde, mit dem eine gealterte Abgassonde zuverlässig erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche richten sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Im Einzelnen zeigt 1 ein Blockschaltbild des technischen Umfeldes der Erfindung und 2 zeigt Signalverläufe von hinter dem Katalysator angeordneten, verschieden stark gealterten Abgassonden.
Die 1 in der 1 bezeichnet den Verbrennungsmotor. Die Ziffer 2 repräsentiert dessen Abgassystem mit einem Katalysator 3 und einer vor und einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde 4, bzw. 5. Die Signale beider Sonden 4, 5 werden dem Steuergerät 6 zugeführt, das aus diesen und anderen Signalen über weitere Betriebsparameter des Motors 1 wie Last und Drehzahl Signale zur Steuerung beispielsweise der Gemischbildung und der Zündung des Motors 1 bildet. Eine Fehlerlampe 7 repräsentiert ein Mittel zur Anzeige und/oder Abspeicherung von abgasrelevanten Fehlfunktionen des Motors 1 oder einer seiner Abgasreinigungskomponenten.
Die vor dem Katalysator 3 angeordnete Sonde 4 liefert eine schnelle Information über die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luftgemisches. Ihr Signal wird daher üblicherweise zu Regelzwecken mit einem Sollwert verglichen.
Die hintere Sonde 5 reagiert auf Grund der größeren Entfernung zum Motor 1 und des dazwischen liegenden Katalysators 3 träger auf Gemischveränderungen, liefert aber die genauere Information. Ihr Signal wird daher unter anderem zur Führung der Gemischregelung, beispielsweise durch Beeinflussung des Sollwerts für das Signal der vorderen Sonde 4 verwendet.
Aufgrund der Führungsfunktion stellt sich im geregelten Betrieb ein Sondensignalpegel der hinter dem Katalysator 3 angeordneten Sonde 5 von ca. 600 mV, entsprechend einem relativ zu stöchiometrischen Verhältnissen leicht sauerstoffarmen Abgas ein. Dies ist in der linken Hälfte der 2 dargestellt.
Nach dem Übergang in den Schiebebetrieb mit Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zum Motor 1 erhöht sich zwangsläufig der Sauerstoffanteil im Abgas. Mit einer gewissen Verzögerung, die durch das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators 3 bedingt ist, reagiert auch die Sonde 5 hinter dem Katalysator 3 auf den Anstieg des Sauerstoffgehaltes mit einem Abfall des Sondensignalpegels. Dies ist in der rechten Hälfte der 2 für drei verschiedenen Sonden 5 dargestellt.
Die Stufe in der Linie 2.4 markiert den Beginn des Schiebebetriebs mit Kraftstoffabschaltung. Von diesem Zeitpunkt an herrscht im Abgas vor dem Katalysator 3 Sauerstoffüberschuss. Dieser Sauerstoffüberschuss kann zunächst noch vom Katalysator 3 aufgenommen werden, sodass sich der Sauerstoffüberschuss in der Zeitspanne delta_t_Kat noch nicht im Signal der hinteren Sonde 5 zeigt. Die Länge dieser Zeitspanne hängt vom Katalysator 3 ab und ist daher für die drei verschiedenen hinteren Sonden 5 gleich. Die anschließenden Reaktionen der hinteren Sonden 5 auf den Anstieg des Sauerstoffgehaltes fallen sondenindividuell aus. Der sehr steile Abfall der Linie 2.1 charakterisiert eine Sonde im Neuzustand, während die flacheren Signalverläufe der Signale 2.2 und 2.3 für bereits gealterte Sonden 5 typisch sind.
Dieses unterschiedliche Signalverhalten kann zu Fehlschlüssen bei der Überwachung der Konvertierungsfähigkeit von Katalysatoren führen. Die Überwachung der Konvertierungsfähigkeit basiert auf der Fähigkeit eines ausreichend aktiven Katalysators, Sauerstoff aufzunehmen und abzugeben. Der Sauerstoffgehalt im Abgas vor dem Katalysator, der eine durch die Regelung bedingte periodische Schwingung ausführt, wird durch den Katalysator gewissermaßen gemittelt. Mit anderen Worten: Bezüglich des Sauerstoffgehalts im Abgas zeigt ein funktionsfähiger Katalysator eine Tiefpasscharakteristik. Hinter dem funktionsfähigen Katalysator zeigt sich die Regelschwingung im Sauerstoffgehalt nur noch in stark gedämpfter Form. Bei einer bekannten Konvertierungsüberwachung wird ein Quotient der Signalamplituden der Abgassonden vor und nach dem Katalysator als Maß für die Dämpfung der Sauerstoffgehaltsschwingung im Abgas herangezogen. Übersteigt dieser Quotient eine vorgebbare Schwelle, zeigt dies eine mangelnde Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators an, die bekanntlich mit einer mangelnden Konvertierungsfähigkeit einhergeht. Dabei hat sich gezeigt, dass einige Katalysatoren fälschlicherweise als funktionsfähig beurteilt wurden, obwohl sie den gesetzlichen Anforderungen nicht mehr genügten.
Dies kann mit dem dargestellten Verhalten der hinter dem Katalysator angeordneten, gealterten Abgassonden erklärt werden. Die Trägheit der gealterten Sonden verzögert die Wechsel im Signalpegel. Derartige Verzögerungen werden auch durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators hervorgerufen. Sie sind umso größer, je größer die Sauerstoffspeicherfähigkeit ist. Die mit der Alterung einhergehende Vergrößerung der Trägheit des Sondensignals kann sich daher messtechnisch wie eine größere Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators auswirken. Daher kann es passieren, dass schlechte Katalysatoren noch als gut beurteilt werden, wenn sie mit gealterten Sonden geprüft werden.
Erfindungsgemäß werden daher die unterschiedlichen Steigungen bzw. Änderungsgeschwindigkeiten der Sondensignale zur Diagnose der Abgassonde verwendet. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht die Bewertung der Flankenabfallzeit im Signal der hinteren Sonden 5 zwischen einer oberen (SWO) und einer unteren (SWU) Spannungsschwelle im Schiebebetrieb vor. Wie aus 2 ersichtlich, ist diese Zeit, die umgekehrt proportional zu Steigung bzw. Änderungsgeschwindigkeit ist, für die neue Sonde (Signal 2.1) vergleichsweise klein und für die älteren Sonde (Signale 2.2, 2.3) vergleichsweise groß. Entsprechend wird eine Abgassonde 5 nach diesem Ausführungsbeispiel als fehlerhaft beurteilt, wenn die gemessene Flankenabfallzeit einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dieses Verfahren entspricht damit gewissermaßen der Bewertung eines Differenzenquotienten, gebildet als (SWO-SWU)/Flankenabfallzeit.
Die Aussagesicherheit dieses Verfahrens wird vorteilhafterweise durch eine wiederholte Erfassung und Mittelung der Steigung vergrößert, wobei der Steigungsmittelwert oder die gemittelte Flankenabfallzeit als Beurteilungskriterium verwendet wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel sieht die Bildung einer größeren Menge von Differenzenquotienten in Verbindung mit einer anschließenden statistischen Bewertung vor. Die größere Menge ergibt sich daraus, dass beispielsweise im Zeitraster der Sondensignalabtastungen jeweils die Differenzen von zwei aufeinanderfolgenden Sondensignalwerten gebildet und durch den zeitlichen Abstand ihrer Erfassung dividiert werden. Die Abtastperiode liegt üblicherweise in der Größenordnung von Millisekunden. Aus der so gebildeten Menge wird anschließend eine Kenngröße, beispielsweise das Maximum, der Mittelwert oder der Median der Sondensignalsteigungen bestimmt und als Unterscheidungskriterium einem Schwellwertvergleich unterzogen. Dabei ist der Schwellwert so zu bemessen, dass die Steigungswerte von noch guten Sonden oberhalb des Schwellwertes hegen. Die Menge der Differenzenquotienten wird vorteilhafterweise im Bereich des Sondensignalpegelwechsels gebildet, d. h. zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert. Alternativ zur Auswertung des Sondensignalpegelabfalls zu Beginn einer Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung kann auch der Sondensignalpegelanstieg beim Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr ausgewertet werden. Wesentlich ist auch hier, dass ein zu flacher Verlauf des Sondensignalpegelwechsels als Fehlerkriterium verwendet werden kann.
Das Auftreten eines Fehlers kann bspw. durch Einschalten der Fehlerlampe 7 signalisiert werden.
Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels liegen in der einfacheren softwaretechnischen Realisierung. Als Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels ergibt sich eine bessere Trennschärfe, d. h. noch gute und bereits zu schlechte Sonden 5 werden mit dem zweiten Verfahren noch zuverlässiger unterschieden.

Claims

Verfahren zur Diagnose einer sauerstoffempfindlichen Abgassonde mit Nernst-Charakteristik, die im Abgas einer Brennkraftmaschine hinter einem Katalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit, mit der das Sondensignal (USHK) der Abgassonde (5) auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration reagiert, als Beurteilungskriterium verwendet wird und dass die Reaktion der Abgassonde (5) auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration nach dem Beginn einer Schiebebetriebsphase oder nach dem Ende einer Schiebebetriebsphase der Brennkraftmaschine (1) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit des Sondensignals (USHK) zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert (SWO, SWU) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit als Quotient der Differenz der beiden Grenzwerte (SWO, SWU) und der für das Durchlaufen der Grenzwerte (SWO, SWU) benötigten Zeitspanne gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittelwerte wiederholt erfasster Änderungsgeschwindigkeiten als Beurteilungskriterium verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Zeitspanne, die zwischen dem Durchlaufen des ersten und des zweiten Schwellenwerts (SWO, SWU) liegt, – das Sondensignal (USHK) wiederholt abgetastet wird, – wiederholt die Quotienten der Signaldifferenzen bezogen auf die Abtastzeitspanne gebildet wird, – und dass aus der Menge der so gebildeten Differenzenquotienten durch statistische Bewertung eine Änderungsgeschwindigkeit als Beurteilungskriterium gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung des Minimums, des Maximums, des Mittelwerts oder des Medians der Differenzenquotienten als Beurteilungskriterium.
Vorrichtung zur Diagnose einer hinter einem Katalysator (3) im Abgas einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten sauerstoffempfindlichen Abgassonde (5) mit Nernst-Charakteristik, mit Mitteln zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine (1) und mit Mitteln (6) zur Erfassung und Auswertung der Änderungsgeschwindigkeit des Sondensignals (USHK) der Abgassonde (5) in Verbindung mit einem Unterbrechen oder Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr, mit Mitteln zur Anzeige und/oder Speicherung eines Fehlers der Abgassonde (5), wobei die letztgenannten Mittel eine zu geringe Änderungsgeschwindigkeit als Fehler anzeigen oder abspeichern.