DE10039952A1 - Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage - Google Patents
Verfahren zur Überprüfung einer AbgasrückführanlageInfo
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Abstract
Verfahren zur Überprüfung von Abgas mit einer Abgasrückführrate vom Auspufftrakt zum Ansaugtrakt rückführenden Abgasrückführanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem eine bestimmte Veränderung der Abgasrückführrate (DELTA AGR) eingestellt, die NOx-Konzentration (NOx1, NOx2) im Abgas gemessen und bei Ausbleiben einer bestimmten von der Veränderung der Abgasrückführrate abhängigen Konzentrationsdifferenz ein Defekt der Abgasrückführanlage festgestellt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer
Abgasrückführanlage einer Brennkraftmaschine.
Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen wei
ter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen
zum Einsatz, die außer mit stöchiometrischem Gemisch auch mit
magerer Verbrennung betrieben werden können. Bei Otto-
Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung wird der Luftü
berschuß so groß gewählt, wie es die Lastanforderung an die
Brennkraftmaschine gestattet; bei geringer Lastanforderung
kann in einem Schichtlade-Betrieb das Kraftstoff/Luft-
Gemisch, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Lamb
da-Werte von 3 und mehr aufweisen.
Zur Erfüllung geforderter Abgasemissionsgrenzwerte sind bei
solchen Brennkraftmaschinen spezielle Maßnahmen erforderlich,
da ansonsten die emittierten NOx-Massen zu groß wären. Dies
gilt ebenso für Diesel-Brennkraftmaschinen. Neben dem Einsatz
von NOx-Speicherkatalysatoren, die aufgrund ihrer Beschich
tungen in der Lage sind, NOx-Verbindungen aus dem Abgas, die
bei magerer Verbrennung entstehen, in einer Speicherphase zu
absorbieren und in einer Regenerationsphase unter Zugabe ei
nes Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umzuwan
deln, sind auch sogenannte Abgasrückführanlagen bekannt. In
solchen Abgasrückführanlagen wird ein Teil des Abgasstroms
dem in die Zylinder strömenden Frischgasstrom beigemischt. Da
Abgas für die Verbrennung ein Inertgas ist, sinkt dadurch die
NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine. Die Regelung des
rückgeführten Abgasstromes, der sogenannten Abgasrückführra
te, erfolgt meist über ein in die Rückführleitung geschalte
tes Abgasrückführventil.
Es handelt sich bei einer solchen Abgasrückführanlage um ein
emissionsrelevantes Bauteil. Solche Bauteile sind aufgrund
geltender bzw. zukünftiger Vorschriften im Betrieb einer
Brennkraftmaschine einer Überprüfung zu unterziehen, da ein
Versagen oder fehlerhafter Betrieb der Abgasrückführanlage
das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine drastisch
verschlechtern und zu einer Überschreitung vorgegebener
Grenzwerte führen könnte.
Ein vom Ausfall besonders bedrohtes bzw. bei Ausfall beson
ders zu Emissionserhöhungen führendes Bauteil einer Abgas
rückführanlage ist das Abgasrückführventil, über das die Ab
gasrückführrate eingestellt wird. Bislang setzt man zur Diag
nose dieses Abgasrückführventils einen im Saugrohr angeordne
ten Drucksensor ein, der den Saugrohrdruck erfaßt. Zugleich
wird die angesaugte Luftmasse über einen Luftmassenmesser er
mittelt. Aus der angesaugten Luftmasse kann man den bei einer
bestimmten Stellung des Abgasrückführventils zu erwartenden
Saugrohrdruck stromab einer Drosselklappe einer Brennkraftma
schine berechnen. Ergibt sich eine Abweichung zwischen gemes
senem und berechnetem Saugrohrdruck, wird ein fehlerhaftes
Abgasrückführventil diagnostiziert. Dieses Prinzip ist bei
spielsweise in der DE 44 06 281 A1 beschrieben.
Aus der DE 42 16 044 A1 ist es bekannt, die Funktion einer
Abgasrückführanlage anhand der Laufruhe der Brennkraftmaschi
ne zu erkennen, da die Häufigkeiten von Aussetzer bzw. die
Laufunruhe einer Brennkraftmaschine mit der Abgasrückführrate
steigt.
Weiter ist es aus der DE 36 24 441 A1 bekannt, im Leerlauf
einer Brennkraftmaschine die Abgasrückführrate zu verändern
und die Drehzahlschwankung der Brennkraftmaschine zu überwa
chen. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der EP 0 635 629 A1
offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Überprüfung einer Abgasrückführanlage anzugeben, bei dem kei
ne Druckmessung im Saugrohr erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß Veränderungen der Ab
gasrückführrate die NOx-Emissionen eines Verbrennungsmotors
stark beeinflussen können. Verändert man nun die Abgasrück
führrate um ein bestimmtes Maß, kann an einem Ausbleiben der
an und für sich zu erwartenden Änderung der NOx-Emission der
Brennkraftmaschine eine fehlerhafte Abgasrückführanlage er
kannt werden. Dieses Konzept ist für alle mit Abgasrückführ
anlagen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen geeignet.
Diese Überprüfung ist besonders dann einfach durchzuführen,
wenn die NOx-Emission der Brennkraftmaschine ansonsten kon
stant wäre, was insbesondere bei statischen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine der Fall ist, insbesondere wenn also
die zeitliche Änderung von Last und/oder Drehzahl der Brenn
kraftmaschine unter einer gewissen, geeigneten Grenze bleibt.
Um ein Ausbleiben einer zu erwartenden NOx-Konzentration im
Abgas der Brennkraftmaschine zu erkennen, sind verschiedene
Ansätze denkbar. Zum einen kann man eine Konzentrationsdiffe
renz aus der im Abgas gemessenen NOx-Konzentration vor und
nach Veränderung der Abgasrückführrate bilden. Diese Konzent
rationsdifferenz hängt natürlich von der vorgenommenen Verän
derung der Abgasrückführrate ab. Bleibt trotz Veränderung der
Abgasrückführrate eine zu erwartende Konzentrationsdifferenz
aus, ist die Abgasrückführanlage defekt. Die NOx-
Konzentration kann dabei an beliebiger Stelle im Abgastrakt
gemessen werden, insbesondere stromauf eines Katalysators.
Zur Ermittlung der Konzentrationsdifferenz kann man eine die
ser NOx-Konzentrationsmessungen auch durch eine Modellbestim
mung der NOx-Rohemissionen ersetzen, wobei dazu bekannte Mo
delle verwendet werden können, die aus Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine die für diesen Betriebszustand emittierte
NOx-Konzentration schätzen. Mit einem solchen Modellwert für
die NOx-Konzentration kann man die Konzentrationsdifferenz
zusammen mit der Messung der NOx-Konzentration nach der Ver
änderung bilden und dafür entweder den Modellwert für die
NOx-Konzentration vor der Veränderung der Abgasrückführrate
oder den Modellwert für den Betriebszustand nach der Verände
rung der Abgasrückführrate heranziehen. Zweckmäßig ist es da
bei jedoch, daß im übrigen weitgehend konstante Betriebsbe
dingungerr der Brennkraftmaschine vorliegen, da dann der Feh
ler bei der Modellermittlung der NOx-Konzentration möglichst
gering ist.
Verfügt die Brennkraftmaschine über einen NOx-
Speicherkatalysator, kann man zur Diagnose auch einen NOx-
Konzentrationsmeßaufnehmer verwenden, wie er üblicherweise
zur Steuerung eines NOx-Speicherkatalysators dieses Katalysa
tors vorgesehen ist. Ähnliches gilt für Brennkraftmaschinen
mit einem 3-Wege-Katalysator im Abgastrakt. Eine bekannte An
ordnung ist z. B. ein stromab des Katalysators liegender Me
ßaufnehmer. Da ein solcher NOx-Speicherkatalysator aber in
der Regel die NOx-Verbindungen im Abgas absorbiert, muß bei
dieser Anordnung zur Durchführung der Überprüfung dafür ge
sorgt werden, daß diese Absorption zeitweise nicht stattfin
det. Dies kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin
dung dadurch erreicht werden, daß der Katalysator vor der
Überprüfung bis zu seiner maximalen Speicherfähigkeit gesät
tigt wird. Das Erreichen des Sättigungszustandes kann man mit
dem stromabwärts angeordneten NOx-Konzentrationsmeßaufnehmer
erfassen, z. B. durch Vergleich einer modellierten NOx-
Konzentration mit einer gemessenen NOx-Konzentration oder
durch geeignete Interpretation des während eines Speichervor
gangs anfallenden Gradienten der NOx-Konzentration stromab
des NOx-Speicherkatalysators.
Ist der NOx-Katalysator gesättigt, schlagen Änderungen der
NOx-Konzentration stromauf des Katalysators zum Katalysator
ausgang durch, so daß dann eine Überprüfung möglich ist.
Die Sättigung kann besonders schnell erreicht werden, wenn
für eine hohe NOx-Rohemission stromauf des NOx-
Speicherkatalysators gesorgt wird, beispielsweise indem die
Abgasrückführrate unter einem bestimmten Schwellwert oder be
sonders bevorzugte nahe Null gestellt wird.
Grundsätzlich erhält man eine besonders gute Diagnose, wenn
die Abgasrückführrate von einem Maximalwert auf einen Mini
malwert gestellt wird. Um dies in der. Variante mit der be
schleunigten Sättigung eines NOx-Speicherkatalysators zu er
reichen, muß, wenn festgestellt wird, daß der NOx-
Speicherkatalysator in der Sättigung ist, zuerst die Abgas
rückführrate von dem unter den Minimalwert liegenden Wert er
höht werden, damit sie anschließend wieder verringert werden
kann, um die Konzentrationsdifferenz zu bilden.
Wie die zur Überprüfung eingestellte Veränderung der Abgas
rückführrate zeitlich durchgeführt wird, ist prinzipiell un
erheblich. Stellt man eine rampenartige Änderung der Abgas
rückführrate ein, verläuft die Diagnose mit besonders gerin
gen Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine, da
die mit der Änderung der Abgasrückführrate unvermeidlich ein
hergehende Änderung der Laufruhe der Brennkraftmaschine lang
sam verläuft. Möchte man die Diagnose möglichst sicher ges
talten, bietet es sich an, die Abgasrückführrate sprungartig
zu erhöhen. Dieses Vorgehen hat weiter den Vorteil, daß die
Überprüfung nur eine sehr kurze Zeitdauer in Anspruch nimmt,
mithin nur eine sehr geringe Erhöhung der emittierten NOx-
Masse durch die Überprüfung anfällt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi
ne mit einer Abgasrückführanlage,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überprüfung
einer Abgasrückführanlage und
Fig. 3 ein weiteres Ablaufdiagramm für ein abgewandeltes
Überprüfungsverfahren.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine Otto-
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dargestellt, wobei
nur diejenigen Komponenten eingezeichnet sind, die für das
Verständnis der Erfindung notwendig sind; insbesondere sind
der Kraftstoffkreislauf sowie eine Abgasnachbehandlungsanlage
nicht dargestellt.
Die Brennkraftmaschine der Fig. 1 weist einen Ansaugtrakt 1
mit einem Luftsammler 2 auf, der über ein Saugrohr 3 in einen
Zylinder 6 der Brennkraftmaschine mündet. Der besseren Über
sichtlichkeit halber ist nur ein Zylinder 6 eingezeichnet;
auf die Zahl der Zylinder kommt es jedoch nicht an.
In den Zylinder 6 wird über ein von einem Steuergerät 10 ge
steuertes Einspritzventil 20 Kraftstoff eingespritzt. Im
Luftsammler 2 befindet sich eine Drosselklappe 5, die von ei
nem Drosselklappensteller 12 betätigt wird, der ebenfalls vom
Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiter ist ein Luftmassen
messer 4 stromauf der Drosselklappe 5 im Ansaugtrakt 1 vorge
sehen. Stromab der Drosselklappe 5 mündet in den Ansaugtrakt
1 eine Abgasrückführleitung 8, die andererseits an den Abgas
trakt 7 der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, in dem die
Verbrennungsgase aus dem Zylinder 6 strömen. In der Abgas
rückführleitung 8 befindet sich ein Abgasrückführventil 9,
das von einem Stellglied 14 betätigt wird, welches vom Steu
ergerät 10 angesteuert wird. Dabei ist eine Lagerückmeldung
vorgesehen, über die das Steuergerät 10 den am Abgasrückführ
ventil 9 eingestellten Öffnungsgrad erfaßt.
Weiter ist noch ein Kurbelwellensensor 13 vorgesehen, der die
Drehzahl der Kurbelwelle 15 abfühlt.
Im Abgastrakt 7 befindet sich schließlich noch ein NOx-Sensor
16, der die NOx-Konzentration im Abgas mißt, das durch den
Abgastrakt strömt. Etwaige im Abgastrakt vorgesehene Kataly
satoren, NOx-Speicher- oder 3-Wege-Katalysatoren, sind der
besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.
Das Steuergerät 10 weist mehrere Programm-Module 11, 17, 19
und 18 auf, auf die noch eingegangen werden wird.
Zur Überprüfung des Abgasrückführventils 9 wird nun folgen
des, als Flußdiagramm in Fig. 2 dargestellte Verfahren
durchgeführt. Dabei bezeichnen die Bezugszeichen, denen der
Buchstabe "S" vorangestellt ist, Schritte des Verfahrens.
Zuerst wird in einem Schritt S1 eine erste NOx-Konzentration
NOx1 gemessen. Dies erfolgt mit Hilfe des Meßmoduls 11 des
Steuergerätes 10, das den NOx-Sensor 16 ausliest. Anschlie
ßend wird in einem Schritt S2 am Abgasrückführventil 9 eine
im Speichermodul 17 voreingestellte Änderung der Abgasrück
führrate eingestellt; dies wird vom AGR-Modul 18 des Steuer
gerätes 10 vorgenommen. Die Änderung ist dabei so gewählt,
daß die Abgasrückführrate einen vorbestimmten Sprung von ho
her Abgasrückführrate auf kleine Abgasrückführrate, bei
spielsweise von einem hohen Sollwert auf 0%, durchführt.
Nach dieser Änderung der Abgasrückführrate wird wiederum über
den NOx-Sensor 16 die NOx-Konzentration im Abgas der Brenn
kraftmaschine gemessen und als Wert NOx2 im Speichermodul 17
des Steuergeräts 10 gespeichert. Auch dies erfolgt wieder
über das Meßmodul 11 (Schritt S3). Dann wird in Schritt S4
überprüft, ob die Differenz zwischen NOx1 und NOx2 einen eben
falls im Speichermodul 17 gespeicherten Schwellwert SW1
überschreitet. Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird
in einem Schritt S5 ein Fehler der Abgasrückführanlage (ins
besondere des Abgasrückführventils 9) festgestellt. Ansonsten
(J-Verzweigung) wird in Schritt S6 eine ordnungsgemäße Rück
führanlage diagnostiziert.
Anstelle der Differenzbildung der gemessenen NOx-
Konzentration in NOx1 und NOx2 in Schritt S4 kann als Wert
NOx1 auch ein in einem Modell ermittelte NOx-Konzentration
Verwendet werden. Diese Modellermittlung erfolgt im NOx-
Modellmodul 19 des Steuergerätes 10. Das NOx-Modellmodul 19
berechnet auf bekannte Weise die Rohemission an NOx im Abgas
der Brennkraftmaschine. Damit diese Modellberechnung mög
lichst genau ausfällt, wird das Überprüfungsverfahren nur
durchgeführt, wenn der Kurbelwellensensor 13 anzeigt, daß die
Drehzahl der Kurbelwelle 15 und dabei der Brennkraftmaschine
innerhalb eines gewissen Fensters bleibt, vorzugsweise kon
stant ist. Die Genauigkeit wird weiter gesteigert, wenn
zugleich auch die Last, d. h. die vom Luftmassenmesser 4 ange
zeigte, in die Brennkraftmaschine strömende Luftmasse in be
stimmten Grenzen konstant ist.
Die Differenzbildung in Schritt S4 erfolgt dann zwischen der
modellierten NOx-Konzentration und der gemessenen NOx-
Konzentration NOx2 nach der Veränderung der Abgasrückführrate
in Schritt S2. Der Schritt S1 kann in dieser Abwandlung ent
fallen, da nicht mehr die gemessene NOx-Konzentration NOx1,
sondern ein modellierter Wert in Schritt S4 Eingang findet.
Natürlich können die gespeicherten Werte (SW1, . . .) auch be
triebsparameterabhängig gewählt werden. Das Speichermodul 17
enthält dann geeignete Kennfelder.
Bei einer Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator
stromauf des NOx-Sensors 16 werden vor Durchführung des Ver
fahrens die in Fig. 3 als Flußdiagramm dargestellten Schrit
te durchgeführt. Zuerst wird in einem Schritt S7 die Abgas
rückführrate auf einen unter einem Schwellwert liegenden
Wert, in diesem Fall auf Null, gestellt. Dann wird in Schritt
S8 mittels des NOx-Sensors 16 die NOx-Konzentration gemessen
und als Wert NOx3 im Speichermodul 17 abgelegt. In Schritt S9
wird dann überprüft, ob der Wert NOx3 einen Schwellwert über
schreitet.
Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird in Schritt S8
zurückgesprungen. Erst wenn die Abfrage in Schritt S9 zu ei
nem positiven Ergebnis (J-Verzweigung) führt, ist der NOx-
Speicherkatalysator in der Sättigung und ihm zugeführte NOx-
Mengen schlagen zu seinem Ausgang durch. Dann wird in Schritt
S10 die Abgasrückführrate auf einen hohen Wert, beipielsweise
100% gesetzt, und es folgen die Verfahrensschritte der Fig.
2.
Claims (9)
1. Verfahren zur Überprüfung einer Abgas mit einer Abgasrück
führrate vom Auspufftrakt zum Ansaugtrakt rückführenden Ab
gasrückführanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem eine be
stimmte Veränderung der Abgasrückführrate eingestellt, die
NOx-Konzentration im Abgas gemessen und bei Ausbleiben einer
bestimmten von der Veränderung der Abgasrückführrate abhängi
gen Konzentrationsdifferenz ein Defekt der Abgasrückführanla
ge festgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konzentrationsdifferenz aus der vor
und nach der Veränderung der Abgasrückführrate im Abgas ge
messenen NOx-Konzentration ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konzentrationsdifferenz aus der
nach der Veränderung der Abgasrückführrate im Abgas gemessene
NOx-Konzentration und einer mit einem Modell aus Betriebspa
rametern der Brennkraftmaschine für den vor oder nach der
Veränderung der Abgasrückführrate vorliegenden Betriebszu
stand der Brennkraftmaschine erhaltenen NOx-Konzentration er
mittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-
Konzentration stromab eines NOx-Speicherkatalysators gemessen
wird und vor der Einstellung der bestimmten Veränderung der
Abgasrückführrate der NOx-Speicherkatalysator bis zu seiner
maximalen Speicherfähigkeit gesättigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sättigung an einer vor
bestimmten NOx-Konzentration stromab des Katalysators erkannt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zum schnellen Erreichen der
Sättigung die Abgasrückführrate unter einem bestimmten Mini
malwert, vorzugsweise nahe Null, gestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die be
stimmte Veränderung der Abgasrückführrate eine rampen- oder
stufenförmige Verringerung ist.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die zum schnellen Erreichen
der Sättigung unter einen bestimmten Minimalwert Abgasrück
führrate wieder erhöht und anschließend in der bestimmten
Veränderung verringert wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Überprüfung nur erfolgt, wenn Betriebs
parameter der Brennkraftmaschine, insbesondere Last und/oder
Drehzahl, innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen
und/oder begrenzte Dynamik aufweisen.
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