DE10017931A1 - Verfahren zur Diagnose einer Abgasreinigungsanlage einer lambdageregelten Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Zur Diagnose einer Abgasreinigungsanlage einer Lambda-geregelten Brennkraftmaschine (1) wird der Katalysator (6) einer gewissen Sauerstoffbelastung ausgesetzt, die größer ist als die normale Betriebsbelastung. Dieses wird dadurch erreicht, indem die von der Schwingung des Sondensignals der Vorkat-Lambdasonde (5) eingeschlossene Fläche entsprechend eines Sollwertes vergrößert wird. Durch Auswertung der Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde (7) kann die Abgasreinigungsanlage überprüft werden. Ergibt diese Diagnose eine Fehlfunktion der Abgasreinigungsanlage ohne daß die Fläche der Schwingung des Sondensignals der Vorkat-Lambdasonde (5) auf oder über einen Sollwert vergrößert werden müßte, ist die Vorkat-Lambdasonde (5) defekt, ansonsten kann auf ein Katalysatorenversagen geschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Ab­ gasreinigungsanlage im Abgastrakt einer lambdageregelten Brennkraftmaschine mit einem 3-Wege-Katalysator, einer dem Katalysator vorgeschalteten binären Vorkat-Lambdasonde und einer dem Katalysator nachgeschalteten Nachkat-Lambdasonde.

Bei einer Abgasreinigungsanlage mit zwei Lambdasonden wird eine Vorkat-Lambdasonde stromauf des Katalysators als Meßson­ de verwendet. Eine Nachkat-Lambdasonde stromab des Katalysa­ tors dient als Monitorsonde dazu, eine Veränderung der stati­ schen oder dynamischen Eigenschaften der Vorkat-Lambdasonde, die zu einer Emissionserhöhung führen würde, zu überwachen und auszugleichen. Üblicherweise haben beide Lambdasonden Zweipunktverhalten, und ihr abgegebenes Spannungssignal ist abhängig von dem im Abgas enthaltenen Sauerstoffanteil. Der Sauerstoffanteil im Abgas wiederum hängt vom Gemisch ab, das der Brennkraftmaschine zugeführt wurde. Bei magerem Gemisch (Lambda < 1) beträgt die Ausgangsspannung einer binären Lamb­ dasonde üblicherweise unter 100 mV, ändert sich im Bereich Lambda = 1 fast sprunghaft und erreicht bei fettem Gemisch (Lambda < 1) über 0,7 V; dies wird als Zweipunktverhalten be­ zeichnet.

Die dynamischen und statischen Eigenschaften der Vorkat- Lambdasonde werden durch Sondenalterung und Vergiftung verän­ dert. Dadurch wird die Regellage der Lambdaregelung verscho­ ben. Zum Beispiel kann eine Phosphorvergiftung zu einer un­ symmetrischen Veränderung der Sondenansprechzeit und somit zu einer Magerverschiebung der Sondenregelung aus dem optimalen Lambdabereiches für die katalytische Umwandlung heraus füh­ ren. Dadurch kann z. B. die NO_x-Emission über eine erlaubte Grenze steigen. Die Nachkat-Lambdasonde wird als Mo­ nitorsonde zur Überwachung der katalytischen Umwandlung ein­ gesetzt und für die Feinregulierung des Gemisches verwendet, um den für die Konvertierung günstigsten Lambdawert immer einhalten zu können. Dabei nützt man aus, daß das Zweipunkt­ verhalten der Nachkat-Lambdasonde durch die auch dämpfend wirkende Konvertierungsfähigkeit des Katalysators in einem stark begrenzten Lambda-Bereich annähernd in ein lineares Verhalten übergeht. Dieses üblicherweise als Trimm- oder Füh­ rungsregelung bezeichnete Verfahren ist beispielsweise aus der DE 35 00 594 C2 bekannt.

Im Stand der Technik sind vielfältige Verfahren zur Diagnose oder Überprüfung eines Katalysators bekannt, beispielsweise aus DE 41 28 823 A1, die das Sauerstoffspeichervermögen eines 3-Wege-Katalysators bestimmt, indem die Zeitdauer erfaßt wird, die zum Leeren oder Füllen des Katalysators mit Sauer­ stoff nötig wird, und aus dieser Zeitdauer die Sauerstoffmen­ ge berechnet wird. Für dieses Verfahren ist vor dem Katalysa­ tor eine Lambda-Sonde mit Breitbandverhalten, d. h. deren Sig­ nal sich proportional zum Lambdawert ändert, unabdingbar.

Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß bei einer defekten Vorkat-Lambdasonde oftmals ein defekter Kata­ lysator diagnostiziert wird, obwohl noch keine unzulässigen Emissionen ausgestoßen werden. Eine Unterscheidung zwischen Katalysatordefekt und Vorkat-Lambdasondenversagen ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Darüber hinaus führt die große Sauerstoff-Be-/Entladung, die nach dem Stand der Tech­ nik zur Diagnose nötig ist, oftmals auch zu einer unerwünsch­ ten Schadstoffemission, da der Katalysator dann nicht mehr in seinem optimalen Bereich betrieben wird.

Schließlich sind Breitband-Lambdasonden relativ teuer. Ver­ fahren die auf günstigeren, binären Lambdasonden, d. h. Lamb­ dasonden mit Zweipunktverhalten, aufsetzen, sind bislang hin­ sichtlich ihrer Diagnosefähigkeit jedoch nicht vergleichbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose einer Abgasreinigungsanlage einer lambdageregelten Brennkraftmaschine anzugeben, das nicht zwingend den Einsatz einer binären Lambdasonde benötigt und eine Unterscheidung zwischen einem Defekt der Vorkat-Lambdasonde und einem Kata­ lysatorversagen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.

Zur Diagnose der Abgasreinigungsanlage wird die Sauerstoff­ speicherfähigkeit des Katalysators herangezogen, die ein Maß für dessen Konvertierungsverhalten ist. Dabei wird der Kata­ lysator einer Belastung unterzogen, die durch Oszillation des Kraftstoff-Luftverhältnisses um den stöchiometrischen Punkt herum hervorgerufen wird und die größer als die bei normaler binärer Lambdaregelung auftretende Betriebsbelastung ist. Al­ lerdings wird eine gewisse maximale Katalysatorbelastung nicht überschritten. Die Belastung wird durch Beeinflussung der Schwingung des Kraftstoff-Luftverhältnisses und damit des Signals der Vorkat-Lambdasonde vorgegeben. Zur Diagnose wird das Schwingungsverhalten des Signals der Nachkat-Lambdasonde ausgewertet. Je nach Sauerstoffspeicherkapazität des Kataly­ sators wird die wechselnde Belastung mehr oder weniger gut im Katalysator adsorbiert. Die Schwingung des Signals der Nach­ kat-Lambdasonde ist also abhängig von der Sauerstoffspeicher­ kapazität des Katalysators unterschiedlich groß. Durch Mes­ sungen an einem Katalysator, der gerade nicht mehr die vorge­ gebene Sauerstoffspeicherfähigkeit, mithin die Sollkonvertie­ rungsfähigkeiten hat, kann man einen Sollbereich für das Schwingungsverhalten des Signals der Nachkat-Lambdasonde bestimmen. Ein solcher Katalysator wird üblicherweise als Grenz-Katalysator bezeichnet.

Ist die Schwingung stärker, d. h. sind Amplitude oder einge­ schlossene Fläche größer, ist der diagnostizierte Katalysator schlechter als der Grenz-Katalysator.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Bela­ dung des Katalysators dadurch eingestellt, daß die Oszillati­ on des Kraftstoff-Luftverhältnisses so gesteuert wird, daß die Schwingung des Signals der Vorkat-Lambdasonde eine gewis­ se Mindestfläche einschließt. Die dabei in einer Halbperiode der Schwingung in den Katalysator eingetragene Sauerstoffmas­ se mO2 kann man nach folgender Gleichung berechnen:

mO2 = 21% (Lambda-1)/Lambda MAF T1/2,

wobei MAF der angesaugte Frischgasmassenstrom ist. mO2 ist die Sauerstoffmasse, die dem Katalysator während der Halbpe­ riode der Lambdaregelung zugeführt wird, in der das Gemisch mager ist. Durch Variation der Halbperiodendauer T1/2 kann man also die Katalysatorbeladung, d. h. die in den Katalysator eingetragene Sauerstoffmenge einstellen. Durch entsprechende Variation der anderen (fetten) Halbperiodendauer kann man die Katalysatorbelastung variieren und dennoch das Gemisch im Mittel stöchiometrisch halten. Die Begriffe "Beladung" und "Belastung" werden deshalb austauschbar verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer binären Lamdaregelung die P-Sprung-Verzögerungszeit eingestellt, wodurch sich T1/2 ändert. Um sicherzustellen, daß die Brennkraftmaschine dennoch in Mittel mit stöchio­ metrischen Gemisch versorgt wird, muß man die P-Sprung- Verzögerungszeit sowohl für den Sprung von mager nach fett als auch für den Sprung von fett nach mager gleichsinnig va­ riieren. Die derart vorgegebene Katalysatorbelastung kann man dabei an den zu überprüfenden Emissionsgrenzwerten orientie­ ren.

Die Vorgabe der Beladung hat den Vorteil, daß sie wesentlich unempfindlicher gegenüber Last-Drehzahl-Variationen ist, als bekannte Verfahren. Insbesondere bei geringen Lasten oder Drehzahlen ist immer noch eine gute Diagnose des Katalysators möglich.

Die Trimmregelung wirkt ebenfalls auf die P-Sprung- Verzögerungszeit, jedoch nur auf die Verzögerungszeit für ei­ nen Sprung, entweder von mager nach fett oder von fett nach mager. Durch diese ungleichsinnige oder einseitige Verände­ rung der P-Sprung-Verzögerungszeit, gleicht die Trimmregelung altersbedingte Veränderungen der Vorkat-Lambdasonde aus. Sol­ che Veränderungen führen in der Regel zu einer Verschiebung des Lambda = 1 Arbeitspunktes der Sonde.

Stellt man fest, daß sich eine oder beide Halbperiodendauern nicht wie gewünscht vergrößern lassen, da die zulässige P- Sprung-Verzögerungszeit entweder für den mager nach fett Sprung oder für den fett nach mager Sprung überschritten wür­ de, und die Diagnose durch die Überwachung des Signals der Nachkat-Lambdasonde wegen einer unzulässigen Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde dennoch eine fehlerhafte Ab­ gasreinigungsanlage anzeigt, so ist die Vorkat-Lambdasonde defekt. In einem solchen Fall hat die Trimmregelung bis zum maximal zulässigen Maß einen Fehler der Vorkat-Lambdasonde ausgeglichen. Die unzulässige Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde bei der Diagnose der Abgasreinigungsanla­ ge ist dann deshalb aller Wahrscheinlichkeit nach auf eine defekte Vorkat-Lambdasonde zurückzuführen.

Die Auswertung des Signals der Nachkat-Lambdasonde erfolgt vorzugsweise dadurch, daß die von der Schwingung dieses Sig­ nals eingeschlossene Fläche bestimmt wird. Maßgeblich für das Sollverhalten der Schwingung ist die von der Oszillation des Kraftstoff-Luftverhältnisses und mithin von der Schwingung des Signals der Vorkat-Lambdasonde vorgegebene Periode. Des­ halb kann die Fläche, die von der Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde eingeschlossen wird, besonders einfach dadurch ermittelt werden, indem über eine Periode der Schwin­ gung des Signals der Vorkat-Lambdasonde der Betrag der Abwei­ chung vom Mittelwert des Signals der Nachkat-Lambdasonde auf­ integriert oder -summiert wird. Durch diese periodensynchrone Integration entfällt die Periodenbestimmung am Signal der Nachkat-Lambdasonde.

Aus diesem die Fläche beschreibenden Integral bzw. Summe kann man einen die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators kennzeichnenden Wert gewinnen. Es ist möglich diesen Wert mit Betriebsparameter wie Drehzahl und Last noch weiter zu einer Emissionszahl zu wichten, so daß die Diagnose abhängig von der Überschreitung eines Emissionsgrenzwertes gemacht werden kann.

Weiter wird man vorzugsweise die Diagnose dann aussetzen, wenn die Lambdaregelung eine gewisse Regelabweichung zeigt. In einem solchen Fall würde beispielsweise eine Belastung durch Variation der P-Sprung-Verzögerungszeit eine unzulässi­ ge Emissionserhöhung bewirken.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines schematisierten Verfahrens­ ablaufes,

Fig. 3 Zeitreihen der Signale der Vorkat-Lambdasonde und der Nachkat-Lambdasonde und

Fig. 4 die Auftragung eines Diagnosewertes über der gespei­ cherten Sauerstoffmenge für zwei verschiedene Kataly­ satoren.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Kraftstoff­ zufuhrsystem 2 und einem Steuergerät 3 dargestellt. Das Kraftstoffzufuhrsystem 2 wird über nicht näher bezeichnete Leitungen vom Steuergerät 3 angesteuert und sorgt für die Kraftstoffzuteilung der Brennkraftmaschine 1. In deren Abgas­ trakt 4 befindet sich ein lambdageregelter Katalysator 6. Zum Durchführen der Lamdaregelung ist stromauf des Katalysators 6 eine Vorkat-Lambdasonde 5 und stromab des Katalysators eine Nachkat-Lambdasonde 7 zum Messen des Lambdawertes vorgesehen. Beide Lambdasonden haben Zweipunktverhalten und liefern ihre Meßwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Steu­ ergerät 3. Es werden dem Steuergerät 3 noch die Werte weite­ rer Sensoren, insbesondere der Drehzahl, der Last, der Kata­ lysatortemperatur usw. zugeführt. Mit Hilfe dieser Werte steuert das Steuergerät 3 den Betrieb der Brennkraftmaschine 1.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erfolgt die Steuerung der katalytischen Abgasbehandlung im Abgastrakt 4 mit Hilfe des Katalysators 6 wie folgt: Die Kraftstoffzufuhr im Kraftstoff­ zufuhrsystem 2 wird so gesteuert, daß das Signal der Vorkat- Lambdasonde 5 eine Schwingung um Lambda = 1 ausführt. Bei ei­ ner normalen, voll funktionsfähigen Lambdasonde entspricht ein Spannungspegel von 450 mV dem Wert Lambda = 1. Das Signal der Vorkat-Lambdasonde 5 schwingt um diesen Wert, so daß der Katalysator 6 im Mittel Abgas mit dem Wert Lambda = 1 zuge­ führt bekommt.

Die Nachkat-Lambdasonde 7 mißt den Lambdawert im behandelten Abgas stromab des Katalysators 6. Ihr Meßwert wird vom Steu­ ergerät 3 dazu verwendet, eine Trimmregelung zu bewerkstelli­ gen. D. h. der Meßwert der Nachkat-Lambdasonde 7 wird dazu verwendet, den Mittelwert der Schwingung der Vorkat- Lambdasonde 5 feinzujustieren. Durch diese Trimmregelung mit Hilfe der Nachkat-Lambdasonde 7 kann eine Langzeitdrift der Vorkat-Lambdasonde 5 ausgeglichen werden. Verschiebt sich der dem Wert Lambda = 1 entsprechende Signalpegel der Vorkat- Lambdasonde 5, führt das nicht zu einer Verschlechterung der Abgasbehandlung im Katalysator 6, da die Trimmregelung mit Hilfe der Nachkat-Lambdasonde 7 diese Verschiebung mißt und das Steuergerät 3 dazu veranlaßt, sie auszugleichen. Dies ge­ schieht dadurch, daß die P-Sprung-Verzögerungszeit der Lamb­ daregelung einseitig verändert wird. Das Signal Vorkat- Lambdasonde zeigt somit eine asymmetrische Schwingung, deren magere Halbperiode sich in ihrer Dauer von der fetten Halbpe­ riode unterscheidet. Da damit aber nur ein geändertes An­ sprechverhalten der Vorkat-Lambdasonde 5 ausgeglichen wird, ist die Oszillation des Kraftstoff-Luftverhältnisses, mit dem die Brennkraftmaschine 1 über das Kraftstoffzuführsystem 2 versorgt wird, dennoch um Lambda = 1 herum angeordnet.

Zur Diagnose der Abgasreinigungsanlage wird das in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Verfahren verwendet. Dabei be­ zeichnen die mit S beginnenden Bezugszeichen die jeweiligen Schritte der Verfahrens.

Im Schritt S1 wird zuerst die Fläche bestimmt, die die Schwingung des Sondensignals der Nachkat-Lambdasonde in der abgelaufenen Periode einschloß. Dies erfolgt auf Basis der Lambdaregelparameter, also betriebspunktabhängig. Dann wird ein Vergrößerungswert für die P-Sprung-Verzögerungszeit be­ rechnet, mit dem die Fläche für die nächste Periode einen be­ stimmten, für die Diagnose der Abgasreinigungsanlage erfor­ derlichen Sollwert erreicht. Nun wird die P-Sprung- Verzögerungszeit der Lambda-Regelung um den Vergrößerungswert verändert, so daß die Schwingung des Signals der Vorkat- Lambdasonde die Sollwert-Fläche einschließt. Die Veränderung der P-Sprung-Verzögerungszeit bewirkt damit eine Veränderung der Halbperiodendauer T1/2, die sich nach folgender Gleichung auf die dem Katalysator zugeführte Sauerstoffmasse mO2 aus­ wirkt:

mO2 = 21% (Lambda-1)/Lambda MAF T1/2,

wobei MAF der angesaugte Frischgasmassenstrom ist. Die einzu­ stellende Sauerstoffmasse mO2 ist also über obige Gleichung direkt mit der Halbperiodendauer und damit der P-Sprung- Verzögerungszeit, die an der Lambdaregelung gestellt wird, verknüpft.

Die P-Sprung-Verzögerungszeit wird für den mager nach fett und für den fett nach mager Sprung gleichsinnig geändert, so daß sowohl die Periodendauer T1/2, in der die Brennkraftma­ schine mit magerem Gemisch versorgt wird, als auch die Perio­ dendauer T1/2, in der die Brennkraftmaschine mit fettem Ge­ misch versorgt wird, verlängert wird. Zur Wahl der Verände­ rung der P-Sprung-Verzögerungszeit wird also von der einzu­ stellenden Sollwert-Fläche betriebspunktabhängig ausgegangen, die mit der Sauerstoffmasse mO2 verknüpft ist, so daß eine Ü­ berprüfung auf einen bestimmten Emissionsgrenzwert hin er­ folgt. Auf diesen Sachverhalt, nach welchen Gesichtspunkten die Sauerstoffmasse mO2 zu wählen ist, wird später noch ein­ gegangen.

In Schritt S2 wird geprüft, ob die Änderung der P-Sprung- Verzögerungszeit mit einer Verlängerung verbunden ist. Ist dies nicht der Fall ("-"-Verzweigung), wird in Schritt S3 ei­ ne Vorkat-Lambdasondenmarkierung gesetzt. Ansonsten wird di­ rekt ("+"-Verzweigung) mit Schritt S4 fortgefahren. Führt die Änderung der P-Sprung-Verzögerungszeit zu einer Verkürzung gegenüber dem bei der aktuellen Regelung vorliegenden Wert, so heißt das, daß die Vorkat-Lambdasonde defekt sein muß, da der Trimmregler durch Eingriff in die Lambda-Regelung die P- Sprung-Verzögerungszeit bereits auf einen maximal zulässigen Wert vergrößert hat, der so groß ist, daß sich die Sollwert- Fläche nicht mehr darstellen läßt.

In Schritt S4 wird die Fläche bestimmt, die die Schwingung des Sondensignals der Nachkat-Lambdasonde einschließt. Die Art der Bestimmung wird nachstehend noch näher erläutert wer­ den.

In Schritt S5 wird abgefragt, ob diese Fläche unter einem Grenzwert bleibt. Ist dies der Fall, wird in Schritt S6 die Abgasreinigungsanlage als funktionsfähig diagnostiziert. Ist dies nicht der Fall ("-"-Verzweigung) wird mit Schritt S7 fortgefahren. Die Abgasreinigungsanlage ist in diesem Fall fehlerhaft.

Um den Fehler der Abgasreinigungsanlage noch genauer qualifi­ zieren zu können, wird in Schritt S7 abgefragt, ob die Vor­ kat-Lambdasondenmarkierung gesetzt wurde. Ist dies der Fall ("+"-Verzweigung) wird in Schritt S7 nur die Vorkat- Lambdasonde als defekt diagnostiziert. Ist dies nicht der Fall ("-"-Verzweigung) wird in Schritt S9 nur ein Katalysa­ torversagen diagnostiziert.

Das Diagnoseverfahren setzt in Schritt S1 den Katalysator 6 einer bestimmten Belastung aus, die größer ist als die norma­ le Betriebsbelastung. Dies wird aus den Zeitreihen der Fig. 3 besonders gut verständlich.

In Fig. 3 ist in der oberen Zeitreihe die Sondenspannung Uv der Vorkat-Lambdasonde 5 aufgetragen. Das Sondensignal Lv vollführt eine periodische Schwingung um einen Mittelwert. Das Signal Lv entspricht in diesem Fall einer voll funktions­ fähigen Vorkat-Lambdasonde 5, da die Schwingung vollständig symmetrisch ist. Ein Eingriff der Trimmregelung war bislang nicht erforderlich, die gestrichelte Linie entspricht genau dem stöchiometrischen Gemisch. Die vom Sondensignal Lv einge­ schlossene Fläche Fv1 stellt die wechselnde Sauerstoffbela­ dung des Katalysators 6 dar. Über der gestrichelten Linie liegende Flächenanteile entsprechen einem Sauerstoffaustrag bei der Versorgung mit fettem Gemisch, unter der gestrichel­ ten Linie liegende Flächenanteile stellen ein Sauerstoffein­ trag bei magerem Gemisch dar. Die Schwingung des Sondensig­ nals Lv erfolgt mit einer gewissen Periode P1, wobei im dar­ gestellten Fall die Schwingung symmetrisch ist. Läge eine ge­ alterte Vorkat-Lambdasonde 5 vor, wären die zwei Flächenan­ teile der Fläche Fv1 nicht gleich groß, da durch Eingriff der Trimmregelung eine der beiden Halbperioden länger, die andere kürzer wäre. Im dargestellten Fall ist jedoch T1/2 genau die Hälfte von P1.

In der unteren Zeitreihe ist die Sondenspannung Uh der Nach­ kat-Lambdasonde 7 aufgetragen. Das Sondensignal Lh vollführt ebenfalls eine Schwingung um den stöchiometrischem Gemisch entsprechenden Wert. Diese Schwingung ist aufgrund der sauer­ stoffspeichernden und katalytischen Wirkung des Katalysators 6 sehr viel kleiner, d. h. die Schwingung schließt eine sehr viel geringere Fläche ein. In der Fig. 3 ist zur besseren Ü­ bersichtlichkeit die Schwingung vergrößert dargestellt. Das Sondensignal Lh schwingt in weitgehend fester Phasenbeziehung zum Sondensignal Lv, da ja letztlich die Oszillation des Kraftstoff-Luftverhältnisses ausschlaggebend für beide Schwingungen ist. Jedoch ist das Sondensignal Lh gegenüber dem Sondensignal Lv zeitlich verschoben, da von der Lage der Vorkat-Lambdasonde 5 zum Ort der Nachkat-Lambdasonde 7 eine gewisse Laufzeit für das im Abgastrakt 4 strömende Gas erfor­ derlich ist.

Wird in Schritt S1 die Fläche Fv1, die das Signal Lv ein­ schließt, vergrößert, indem die P-Sprung-Verzögerungszeit vergrößert wird, schwingt das Sondensignal Lv mit einer län­ geren Periode P2. Die dabei von dem Sondensignal Lv einge­ schlossene Fläche Fv2 stellt nach der oben angeführten Glei­ chung eine vergrößerte Beladung bzw. Belastung des Katalysa­ tors 6 dar. Der Unterschied zwischen den Flächen Fv1 und Fv2 ist zur Diagnose des Katalysators 6 auf die Einhaltung be­ stimmter Emissionsgrenzwerte hin nötig. Wie die Fläche Fv2 zu wählen ist, wird später noch erläutert werden. In Fig. 3 ist die Veränderung der Fläche Fv1 zur Fläche Fv2 zum Zeitpunkt t1 vorgenommen.

Mit einer gewissen Zeitverzögerung zeigt auch das Sondensig­ nal Lh der Nachkat-Lambdasonde 7 die längere Periode P2 wie das Sondensignal Lv sowie einen größeren Schwingungshub. Zur Vereinfachung ist in Fig. 3 die Zeitverzögerung durch eine Unterbrechung der Zeitachse angedeutet. Natürlich hängt diese Zeitverzögerung von der Gaslaufzeit zwischen der Vorkat- Lambdasonde 5 und der Nachkat-Lambdasonde 7 ab, welche wie­ derum drehzahlabhängig ist. Es wird deshalb eine gewisse Zeitdauer gewartet, bis das Sondensignal Lh der Nachkat- Lambdasonde 7 ausgewertet wird, nachdem die Fläche Fv2 am Sondensignal Lv der Vorkat-Lambdasonde 5 eingestellt wurde. Diese Zeitdauer ist drehzahlabhängig und berücksichtigt die erwähnte Gaslaufzeit. Dann wird periodensynchron zur Schwin­ gung des Sondensignals Lv die Fläche Fh bestimmt, die die Schwingung des Sondensignals Lh der Nachkat-Lambdasonde 7 einschließt.

Diese Fläche Fh kann man dadurch bestimmen, indem das Sonden­ signal Lh einer starken Tiefpaßfilterung oder zeitlichen Mit­ telung unterworfen wird, um den Mittelwert des Sondensignals Lh zu ermitteln, der in Fig. 3 als gestrichelte Linie darge­ stellt ist. Nun wird zu jedem Zeitpunkt ab dem Zeitpunkt t2, zu dem ein Nulldurchgang des Sondensignals Lv festgestellt wurde, die Betragsdifferenz zwischen dem Mittelwert und der aktuellen Sondenspannung Uh bestimmt und aufintegriert. Diese Integration, die auch durch eine Summation ersetzt werden kann, geschieht bis zum Zeitpunkt t3, zu dem der übernächste Nulldurchgang des Sondensignals Lv der Vorkat-Lambdasonde 5 nach dem Zeitpunkt t2 ermittelt wurde. Dann ist eine Periode P2 abgeschlossen. Das Sondensignal Lh der Nachkat-Lambdasonde 7 wird also periodensynchron zum Sondensignal Lv der Vorkat- Lambdasonde 5 ausgewertet.

Die so bestimmte Fläche Fh wird dann dem Schwellwertvergleich des Schrittes S5 der Fig. 2 unterzogen. Aus der Fläche Fh kann man eine Sauerstoffmenge als Diagnosewert D berechnen.

Die Fläche Fv2 entspricht einer Sauerstoffmenge mO2. In Fig. 4 ist dargestellt, wie der Diagnosewert D, der mit der Fläche Fh verknüpft ist, mit der Sauerstoffmenge mO2 zusammenhängt, die durch Vergrößern der Fläche Fv1 zur Fläche Fv2 vorgegeben ist. Fig. 4 zeigt den Diagnosewert D als Funktion der Sauer­ stoffmenge. Dabei stellt Kurve 9 einen neuwertigen Katalysa­ tor 6, Kurve 8 einen Grenz-Katalysator dar, der maximal zu­ lässig verschlechtert ist. Jede weitere Verschlechterung die­ ses Grenzkatalysators würde zu einer Überschreitung zulässi­ ger Emissionsgrenzwerte führen.

Die Kurven 8 und 9 der Fig. 4 schließen eine bekannte Hyste­ rese ein. Der Diagnosewert nähert sich dabei an ein Maximum Dmax an, das dann erreicht wird, wenn die maximale Sauer­ stoffspeichermenge mO2max erreicht wird. Diese maximale Sau­ erstoffmenge mO2max ist die Menge, die der Katalysator 6 bes­ tenfalls, d. h. im neuwertigen Zustand, aufnehmen kann. Wird darüberhinaus Sauerstoff eingebracht, schlägt dieser voll­ ständig am Ausgang des Katalysators 6 durch. Eine Beladung ü­ ber diesen Wert mO2max hinaus ist deshalb in keinem Falle sinnvoll. Somit ist eine natürliche Obergrenze für die durch Variation der Fläche Fv1 einzustellende Sauerstoffmenge mO2 gegeben. Eine Untergrenze ergibt sich in der im normalen Be­ trieb auftretenden Beladung, die durch mO2 min in Fig. 4 be­ zeichnet ist.

Die zur Diagnose einzustellende Sauerstoffmenge mO2 und mit­ hin die einzustellende Sollwert-Fläche für Fv2 ergibt sich aus mehreren Kriterien. Zum einen sollte der Diagnoseabstand zwischen dem neuwertigen Katalysator 6, wie er durch Kurve 9 repräsentiert ist, und dem Grenz-Katalysator, der sich in Kurve 8 widerspiegelt, maximal sein. Dies ist der Bereich der Hysteresekurve, in dem für eine gegebene Sauerstoffmenge mO2 der maximale Unterschied am Diagnosewert D vorliegt. Zum an­ deren sollte die einzustellende Sauerstoffmenge mO2 möglichst nahe am normalen Betriebswert, z. B. an mO2 min liegen. Dann ist nämlich sichergestellt, daß zusätzliche Emissionen durch die Diagnose weitestgehend vermieden sind. Da die Kurven 8 und 9 in Fig. 4 natürlich idealisiert gezeichnet sind, und sich realiter eine gewisse Streuung einstellen wird, wird man also unter einer Abwägung des Diagnoseabstandes für den Diagnosewert D und der größtmöglichen Nähe zur Sauerstoffmenge mO2 min, die im normalen Betrieb vorliegt, abwägen. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß der Abstand auf der Skala des Diagnosewertes D direkt verknüpft ist mit dem durch die Diag­ nose diagnostizierbaren Emissionsgrenzwert, der von der Ab­ gasreinigungsanlage eingehalten wird. Je größer der Abstand auf der Skala des Diagnosewertes D, desto kleinere Emissions­ grenzwertverschlechterungen der Abgasreinigungsanlage sind diagnostizierbar. Das Verfahren erlaubt es also die Sauer­ stoffmenge mO2, mit der der Katalysator zur Diagnose belastet wird, am Diagnosewert D, also an der einzuhaltenden Qualität der Abgasreinigunganlage, auszurichten. Die Belastung des Ka­ talysators, die immer zu einer Mehremission führt, wird also so gering wie möglich gehalten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Diagnose einer Abgasreinigungsanlage im Ab­ gastrakt einer lambdageregelten Brennkraftmaschine mit einem 3-Wege-Katalysator, einer dem Katalysator vorgeschalteten bi­ nären Vorkat-Lambdasonde und einer dem Katalysator nachge­ schalteten Nachkat-Lambdasonde, bei welchem Verfahren
die Brennkraftmaschine in der Lambdaregelung so betrieben wird, daß das Signal der Vorkat-Lambdasonde eine bestimmte, periodische Schwingung um Lambda = 1 herum ausführt, wobei daß das Signal der Nachkat-Lambdasonde ebenfalls eine Schwin­ gung ausführt,
zur Diagnose die Schwingung des Signals der Vorkat- Lambdasonde durch Beeinflussung der Lambdaregelung auf eine bestimmte, periodisch mit der Schwingung wechselnde Beladung des Katalysators eingestellt wird, die über der normalen Be­ triebsbeladung liegt, und,
ein Defekt der Abgasreinigungsanlage diagnostiziert wird, wenn das Schwingungsverhalten des Signals der Nachkat- Lambdasonde außerhalb eines Sollbereiches liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die von der Schwingung des Signals der Vorkat-Lambdasonde eingeschlossene Fläche bestimmt wird,
die Lambdaregelung so beeinflußt wird, daß diese Fläche ei­ nen Sollwert einnimmt oder überschreitet,
die von der Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde eingeschlossene Fläche bestimmt wird und
ein Defekt der Abgasreinigungslage diagnostiziert wird, wenn diese Fläche oder die Summe einen Schwellwert über­ schreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Schwingung des Signals der Vorkat-Lambdasonde eingeschlossene Fläche beeinfluß wird, indem ein Proportionalanteil der Lamb­ da-Regelung verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die P- Sprung-Verzögerungszeit für einen Sprung von fett nach mager und für einen Sprung von mager nach fett gleich verändert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn eine Beeinflussung des Proportionalanteils über eine gewisse Gren­ ze hinaus nötig ist, um die Fläche zu beeinflussen, ein De­ fekt der Vorkat-Lambdasonde diagnostiziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 mit 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Defekt der Abgasreinigungsanlage ein Katalysatorversagen diagnosti­ ziert wird, wenn die Beeinflussung des Proportionalanteils zur Beeinflussung der Fläche unter einer gewissen Grenze bleibt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der von der Schwingung des Signals der Nachkat-Lambdasonde einge­ schlossenen Fläche ein die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators kennzeichnender Wert gewonnen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnose ausgesetzt wird, wenn die Lambda-Regelung eine gewisse Re­ gelabweichung überschreitet.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Schwingung eines Signals ein­ geschlossene Fläche bestimmt wird, indem der Betrag der Ab­ weichung vom Mittelwert der Schwingung über eine Periode der Schwingung der Vorkat-Lambdasonde integriert oder summiert wird