DE3443649C2 - - Google Patents

Description

Otto-Motoren enthalten in ihrem Abgas noch geringe Mengen an brennbaren Bestandteilen wie Kohlenmonoxid und unver­ brannte Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide. Um den An­ teil dieser Bestandteile auf einen vom Gesetzgeber gefor­ derten Minimalwert zu senken, müssen die Abgase weitgehend von diesen Stoffen befreit werden. Das bedeutet, daß die brennbaren Bestandteile möglichst vollständig zu Kohlen­ dioxid und Wasser oxidiert und die Stickoxide zu Stick­ stoff reduziert werden müssen.

Zu Erfüllung dieser Forderungen wird das Kraftstoff-Luft­ verhältnis des Motors mittels einer λ-Sonde geregelt und das Abgas an einem Dreiwegekatalysator weiter umgesetzt.

Die bekannten λ-Sonden arbeiten nach dem Prinzip der Sauer­ stoffkonzentrationskette. Sie weisen daher eine Bezugselek­ trode auf, die mit Sauerstoff eines bekannten, konstanten Partialdrucks in Verbindung steht. Als derartige Sauer­ stoffquelle kann beispielsweise der Luftsauerstoff dienen, die Bezugselektrode kann aber auch mit einem Metall-Metall­ oxidgemisch wie Eisen/Eisenoxid, Nickel/Nickeloxid usw. (DE-AS 28 36 900), mit einer CO/CO₂-Mischung (DE-AS 24 43 037) oder mit Kohlenstoff (DE-OS 29 17 265) zwecks Einstellung eines bestimmten Sauerstoffpartialdrucks in Verbindung stehen.

Von der von der λ-Sonde abgegebenen Spannung wird über eine Sonden­ kennlinie auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zurückgeschlossen. Auf Grund der Sondenkennlinie arbeitet der an die Sonde an­ geschlossene Regler im allgemeinen als 2-Punkt-Regler, d. h. bei Abweichung der abgegebenen Spannung von dem Arbeitspunkt wird der Kraftstoffanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch ver­ größert oder verkleinert. Die Zusammensetzung des Kraftstoff- Luft-Gemisches schwankt daher immer geringfügig um das stöchio­ metrische Verhältnis, d. h. das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist zeitweise geringfügig zu fett und zeitweise zu mager. Die Funktionsweise einer λ-Sondengesteuerten Regelung ist all­ gemein bekannt und wird zum Beispiel ausführlich beschrieben in: Glöckler, "Advances in closed-loop lambda-controlled feel injection systems means to meet most stringend emission levels" Proc. Int. Symposium on Automotive Technology and Automation, ISATA 81, Stocholm 7. bis 11. September 1981, Band 1, Seiten 308-326, herausgegeben durch Automotive Automation Ltd. Croydon, England.

Das den Motor verlassende Abgasgemisch wird dann an einem Dreiwegekatalysator, der sowohl in der Lage ist, die unver­ brannten Bestandteile zu oxidieren als auch das Stickoxid in Stickstoff zu überführen, weiter umgesetzt. Diese Mehr­ fachfunktion des Dreiwegekatalysators beruht in erster Linie darauf, daß der Katalysator während der Magerphase der Regelung in der Lage ist, überschüssiges Oxidationsmittel (Sauerstoff) zu speichern, um dieses während der nächsten Fettphase der λ-Regelung den zu oxidierenden Abgaskomponen­ ten zur Verfügung zu stellen.

Da die Wirksamkeit des Katalysators mit steigender Betriebs­ dauer abnimmt, ist die regelmäßige Überprüfung der ordnungs­ gemäßen Katalysatorfunktion unumgänglich. Diese Überprü­ fung erfolgt zur Zeit in der Form, daß die Abgasemission der Fahrzeuge mittels vorgeschriebener Meßverfahren (CVS- Technik) innerhalb eines vorgeschriebenen Fahrzyklus (FTP) ermittelt werden. Diese Verfahren sind jedoch auf Grund der vorgeschriebenen Vorkonditionierung der Fahrzeuge, der auf­ wendigen Fahrsimulation und der hohen Genauigkeitsanforde­ rungen an die Abgasmeßtechnik außerordentlich zeit- und kostenintensiv.

Auf Grund der starken Überbewertung von Kaltstart und Warm­ laufphase, also jener Bereiche, die außerhalb der Betriebs­ bereitschaft des Katalysators liegen und damit von den moto­ rischen Parametern bestimmt werden, lassen sich anhand des Summenergebnisses des Abgastests nur unzulängliche Rückschlüsse auf den Alterungszustand des Katalysators und seine Funktions­ bereitschaft ziehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion zu finden, das billig und so einfach ist, daß es praktisch in jeder Werkstatt durch­ geführt werden kann und trotzdem genaue Rückschlüsse auf den Alterungszustand und die Funktion des Katalysators zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch be­ schriebene Verfahren gelöst.

Grundlage des Verfahrens bildet somit die Sauerstoff­ speicherfähigkeit des Katalysators und die darauf be­ ruhenden unterschiedlichen Regelfrequenzen einer λ- Sonden-Regelung mit vor oder hinter dem Katalysator ange­ ordneten Sauerstoffmeßfühler.

Bei der λ-Sonden-Regelung wird ein Regelsignal erzeugt, sobald das Kraftstoff-Luft-Verhältnis aus dem fetten in den mageren Bereich kommt und umgekehrt. Betrachtet man nun eine vor dem Katalysator im Abgasstrang angeordnete λ-Sonde, so wird die Frequenz, mit der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis um λ = 1 schwankt, die sogenannte Regelfrequenz, grundsätz­ lich durch die Totzeit des jeweiligen Regelkreises gebildet. Die Totzeiten wiederum können über die Regel-Parameter noch variiert werden, wodurch Stabilisierungen der Regelung und Veränderungen der Regelfrequenz möglich werden. Die Gesamt­ totzeit des Regelkreises setzt sich aus den jeweils zu durch­ laufenden Einzelabschnitten des Regelkreises zusammen. Diese sind im einzelnen: Die Ansprechzeit der λ-Sonde, die Ar­ beitszeit der Regelelektronik, die Zeit der Kraftstoffzumessung, die Gemischaufbereitungszeit, die Zeit des motorischen Arbeits­ spiels und die Laufzeit des Abgases bis zur Sonde. Ferner wird die Frequenz selbstverständlich noch durch die Art der Rege­ lung selbst beeinflußt. Die höchste Frequenz, d. h. die schnell­ ste Regelung wird durch die Rechteckregelung (ausschließlich p-Anteile) erreicht. Diese Regelung ist zwar sehr schnell, aber instabil. Die einfache Dreiecksregelung (ausschließlich i-Anteile) ist zwar stabil, aber sehr langsam. In der Praxis verwendet man daher eine Kombination aus beiden Regelungsarten, die Trapez-Regelung (i- und p-Anteile). Diese Regelungs­ art ist ähnlich schnell wie die reine p-Regelung, hat jedoch den Vorteil der besseren Stabilität.

Auf Grund dieser Faktoren, die konstruktionsbedingt fest­ liegen, ergibt sich bei konstanten Betriebsbedingungen des Motors für eine λ-Regelung mit vor dem Katalysator an­ geordneter λ-Sonde eine bestimmte relativ hohe Regelfre­ quenz, die leicht ermittelt werden kann.

Ordnet man nun die λ-Sonde hinter dem Katalysator an und führt die Regelung mit den von dieser Sonde abgegebenen Signalen durch, so stellt man fest, daß die Regelunterfre­ quenz nur noch einen Bruchteil der Frequenz erreicht, die mit einer vor dem Katalysator angeordneten Sonde erreicht wird. Zurückzuführen ist dieses Verhalten auf die Sauerstoffspei­ cherfähigkeit des Katalysators. Da die Regelungsvorgänge, motorisch gesehen, sehr dicht um das stöchiometrische Kraft­ stoff-Luft-Verhältnis λ = 1 verlaufen, verbleibt für den Katalysator auch in der Magerphase nur ein geringer Sauer­ stoffüberschuß. Da der Katalysator auf Grund seiner großen Oberfläche in der Lage ist, selbst große Mengen Sauerstoff zwischenzuspeichern ergeben sich für die λ-Sonde hinter dem Katalysator erhebliche Totzeiten, bis das gesamte Kataly­ satorvolumen mit Sauerstoff aufgefüllt ist und überflüssiger Sauerstoff von der Sonde erkannt werden kann.

Da die Wirkung des Katalysators unmittelbar an die Sauer­ stoffspeicherfähigkeit gebunden ist, ist auch die Frequenz der Regelung mittels einer Sonde hinter dem Katalysator von der Wirkung des Katalysators abhängig.

Mit zunehmender Betriebsdauer nehmen die Umsetzungsraten der Katalysatoren in Abhängigkeit von ihren Betriebs- Parametern mehr oder weniger schnell ab. Im gleichen Maße verliert der Katalysator die Fähigkeit, Sauerstoff zwischen­ zuspeichern. Eine gealterte Katalysatoranlage führt auf Grund der reduzierten Sauerstoffspeicherfähigkeit des Kataly­ sators bei einer Regelung mittels λ-Sonde hinter dem Katalysator zu Regelfrequenzen, die ein Vielfaches dessen betragen, was an einer neuen Katalysatoranlage gemessen werden kann.

Da produktionsbedingt im Regelkreis Frequenzstreuungen auftreten können, die unter anderem auch durch unterschied­ liche, zum Teil auch alterungsbedingte Ansprechzeiten der vor dem Katalysator liegenden Sonde und durch Streuungen in den Bauelementen der Regelelektronik auftreten können, wird nicht einfach die Frequenz der Regelung an einer hin­ ter dem Katalysator angeordneten Sonde gemessen, sondern es wird zur Ausschaltung dieser Ungenauigkeiten der Quotient der Regelfrequenz einer Regelung vor und nach dem Kataly­ sator ermittelt. Da, bedingt durch unterschiedliche Bau­ größen des Katalysators, unterschiedliche Entfernungen der vor und hinter dem Katalysator angebrachten Sonden zum Katalysator unterschiedliche Regelfrequenzen auftreten, ist der Quotient als solcher bei beliebigen Anlagen noch nicht sonderlich aussagekräftig. Eine genaue Aussage über den Zu­ stand des Katalysators kann man nur treffen, wenn die Werte bekannt sind, die in der gegebenen Anordnung von einem Kataly­ sator mit bekanntem Zustand erreicht werden. Diese Werte sind für einen Fahrzeugtyp einmal zu ermitteln und dienen dann als Vergleichsbasis in dem gefundenen Verfahren. Die Prüfdrehzahl, bei der die Vergleichswerte bei einem Katalysator bekannten Zustands und bei dem zu prüfenden Katalysator ermittelt werden, muß so hoch liegen, daß die Betriebstemperatur des Kataly­ sators sicher erreicht wird. Während des Prüfvorganges muß die jeweilige Motordrehzahl konstant gehalten werden. Aufwendige Fahrzyklen und Abgasmessungen sind bei der ge­ fundenen Prüfmethode nicht mehr erforderlich. Da die Re­ gelfrequenzen insbesondere der nachgeschalteten Sonde in starkem Maße von den jeweiligen Regel-Parametern abhängig sind, ist ein Frequenzvergleich, wie gesagt, nur an einem Fahrzeugtyp unter Beibehaltung der speziellen Regel-Para­ meter zulässig.

Die Messung der Regelfrequenzen bei der vor bzw. hinter dem Katalysator angeordneten λ-Sonde kann so erfolgen, daß zunächst die Regelfrequenz mit der im allgemeinen serien­ mäßig vor dem Katalysator eingebauten λ-Sonde ermittelt wird. Dann wird diese Regelsonde von der Regelelektronik getrennt und die Regelelektronik mit der hinter dem Kataly­ sator angeordneten λ-Sonde verbunden und die sich ein­ stellende Regelfrequenz ermittelt. Man bildet anschließend den Quotienten aus den beiden Regelfrequenzen und vergleicht diesen Wert mit den bekannten Werten, die an Katalysatoren bekannten Zustands einmalig ermittelt wurden. Die hinter dem Katalysator angebrachte λ-Sonde kann dort stets vorhanden sein, es ist jedoch günstiger, sie lediglich zum Zweck Prüfung in eine vorbereitete Öffnung des Auspuffrohres einzusetzen und nach der Prüfung wieder zu entfernen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Prüfung ist natürlich, daß die serienmäßige, vor dem Katalysator im Auspuff angeordnete λ-Sonde sowie die zugehörige Regelelektronik ordnungsgemäß funktioniert, was anhand der sich einstellenden Regelfrequenz bei der Messung vor dem Katalysator unschwer erkannt werden kann.

Weiterhin ist es auch möglich, bei Abgasreinigungsan­ lagen, die mehrere hintereinander geschaltete Kataly­ sator-Monolithe enthalten, jeden einzelnen Monolith auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen, indem die Regelfrequenz vor der Katalysatoranlage und hinter jedem einzelnen Monolithen gemessen wird und die sich aus den Messungen ergebenden Quotienten mit entsprechenden Vergleichswerten verglichen werden.

Da die Vergleichswerte für jeden Fahrzeugtyp bzw. jede Katalysatoranlage bei einem mit λ-Sondenregelung aus­ gerüsteten Motor nur einmal ermittelt werden müssen, er­ gibt sich insgesamt gesehen ein außerordentlich einfaches und preiswertes Verfahren zur Ermittlung des Katalysator­ zustandes, das ohne Schwierigkeiten praktisch in jeder Werk­ statt mit nur geringem technischen Aufwand routinemäßig durchgeführt werden kann und dennoch eine außerordentlich genaue Aussage über den Katalysatorzustand ermöglicht.

Claims (2)

1. Verfahren zur Überprüfung der Katalysator-Funktion bei einen mit λ-Sonden-Regelung ausgerüsteten Kraft­ fahrzeug-Otto-Motor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
   bei konstanten Betriebsbedingungen wird

   • a) die Regelfrequenz der Regelung mit einer vor dem Katalysator angeordneten λ-Sonde ermittelt,
   • b) die Regelfrequenz der Regelung mit einer hinter dem Katalysator angeordneten λ-Sonde ermittelt,
2. sodann wird

   • c) der Quotient beider Regelfrequenzen gebildet und
   • d) der Quotient mit einem vorgegebenen Sollwert-Bereich verglichen.