DE10103772A1

DE10103772A1 - Verfahren zum Betreiben eines Dreiweg-Katalysators, welcher eine Sauerstoff speichernde Komponente enthält

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Publication number: DE10103772A1
Application number: DE10103772A
Authority: DE
Inventors: Martin Votsmeier; Lothar Musmann; Dieter Lindner; Joerg-Michael Richter; Egbert Lox; Thomas Kreuzer
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2001-01-27
Filing date: 2001-01-27
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-01-28
Also published as: JP2002285889A; US20020121083A1; DE50111269D1; EP1227231A3; US6655129B2; JP4160757B2; DE10103772C2; EP1227231A2; EP1227231B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dreiweg-Katalysators, der eine Sauerstoff speichernde Komponente enthält, die einen minimalen und einen maximalen Füllgrad für Sauerstoff aufweist, und der im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei das dem Motor zugeführte Luft/Kraftstoffgemisch so geregelt wird, daß der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente des Katalysators in einem mittleren Sollbereich zwischen minimalem und maximalem Füllgrad gehalten wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches in einer Prüfphase das Answandern des Füllgrades aus dem Sollbereich dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausgehend vom momentanen Ausgangswert durch kurzzeitiges Abmagern oder Anfetten des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches um einen Betrag erhöht oder erniedrigt und sogleich wieder auf den Ausgangswert durch eine kurzzeitige, gegenläufige Änderung des Luft/Kraftstoffgemisches zurückgeführt (Mager/Fett-Pulsfolge oder Fett/Mager-Pulsfolge) wird und daß im Falle eines Durchbruchs von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator während der Prüfphase das Luft/Kraftstoffgemisch zur Korrektur des Füllgrades angefettet oder abgemagert wird, wobei der Betrag, um den der Füllgrad während der Prüfphase erhöht oder erniedrigt wird, so bemessen ist, daß kein Durchbruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator erfolgt, wenn der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dreiweg-Katalysators, der eine Sauerstoff speichernde Komponente enthält, die einen minimalen und einen maxi malen Füllgrad für Sauerstoff aufweist, und der im Abgastrakt eines Verbrennungsmo tors angeordnet ist, wobei das dem Motor zugeführte Luft/Kraftstoffgemisch so geregelt wird, daß der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente des Katalysators in einem mittleren Sollbereich zwischen minimalem und maximalem Füllgrad gehalten wird.

Zur Reinigung der Abgase von stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren wird ein sogenannter Dreiweg-Katalysator verwendet, der gleichzeitig Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) aus dem Abgas entfernt. Zur Beschrei bung der Zusammensetzung des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches wird häufig die Luftzahl Lambda (λ) verwendet. Dabei handelt es sich um das auf stöchiometrische Bedingungen normierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Das Luft/Kraft stoff-Verhältnis beschreibt, wieviel Kilogramm Luft pro Kilogramm Kraftstoff dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für eine stöchio metrische Verbrennung liegt für übliche Motorkraftstoffe bei 14,7. Die Luftzahl Lambda beträgt in diesem Punkt 1. Luft/Kraftstoff-Verhältnisse unter 14,7, bezie hungsweise Luftzahlen unter 1, werden als fett und Luft/Kraftstoff-Verhältnisse über 14,7 oder Luftzahlen über 1 werden als mager bezeichnet.

Treten im Verbrennungsmotor keine Speichereffekte für bestimmte Komponenten des Abgases auf, so entspricht die Luftzahl des Abgases der Luftzahl des dem Motor zuge führten Luft/Kraftstoff-Gemisches. Um einen hohen Umsetzungsgrad aller drei Schad stoffe zu erreichen, muß die Luftzahl Lambda in einem sehr engen Bereich um λ = 1 (stöchiometrische Bedingung) eingestellt werden. Das Intervall um λ = 1, in dem alle drei Schadstoffe zu wenigstens 80% umgesetzt werden, wird häufig als Lambda-Fenster bezeichnet. Zur Einhaltung des Lambda-Fensters wird die Luftzahl mit Hilfe des Si gnals einer Sauerstoffsonde (Lambdasonde) geregelt. Konventionell wird zu diesem Zweck eine Zwei-Punkt Lambdasonde eingesetzt. Durch die unvermeidliche Trägheit des Regelsystems kommt es bei dieser Zwei-Punkt-Regelung zu einer Modulation der Luftzahl mit einer Frequenz von etwa 1 Hz. Heute kann die Modulation der Luftzahl durch die Verwendung einer linearen Lambdasonde weitgehend vermieden werden.

Um eine Verschlechterung des Katalysatorwirkungsgrades durch die Modulation der Luftzahl oder durch kurzfristige Auswanderungen der Luftzahl zu verhindern, enthalten moderne Dreiweg-Katalysatoren Sauerstoff speichernde Komponenten (Oxygen storage components, OSC) die bei magerem Abgas (λ < 1) Sauerstoff abspeichern und bei fet tem Abgas (λ < 1) Sauerstoff abgeben und so die Stöchiometrie des Abgases auf λ = 1 einstellen. Als Sauerstoff speichernde Komponente in einem Katalysator eignen sich alle Verbindungen, die eine Änderung ihres Oxidationszustandes zulassen. Am häufig sten wird Ceroxid eingesetzt, welches sowohl als Ce₂O₃ als auch als CeO₂ vorliegen kann.

Im folgenden wird mit der Speicherkapazität der Sauerstoff speichernden Komponente die Masse Sauerstoff verstanden, die von der Sauerstoff speichernden Komponente pro Gramm aufgenommen werden kann. Dementsprechend bezeichnet der Füllgrad das Verhältnis der tatsächlich abgespeicherten Masse Sauerstoff zur Speicherkapazität. Die Speicherkapazität kann nach verschiedenen, dem Fachmann bekannten Verfahren, expe rimentell bestimmt werden.

Ziel der Regelung der Luftzahl ist es, eine vollständige Füllung oder eine vollständige Leerung des Sauerstoffspeichers zu vermeiden. Im Falle einer vollständigen Füllung des Katalysators kommt es zu einem Durchbruch von magerem Abgas und damit zur Emis sion von Stickoxiden. Im Falle einer vollständigen Entleerung kommt es zu Fett- Durchbrüchen, also zur Emission von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen. Ge mäß der US 4,024,706 kann bei Dreiweg-Katalysatoren mit Sauerstoff speichernden Komponenten das Lambda-Fenster durch geeignete Modulation des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses vergrößert werden. Bevorzugt werden die Modulationsamplitude des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kleiner als 1 und die Modulationsfrequenz größer als 1 Hz gewählt. Ist die Modulationsfrequenz zu gering, so besteht die Gefahr, daß während der mageren Halbwelle der Modulation die Speicherkapazität des Sauerstoffspeichers über schritten wird und mageres Abgas durch den Katalysator durchbricht.

Die Regelung der Luftzahl mit einer einzelnen Lambdasonde vor dem Katalysator er laubt nicht, die Stöchiometrie des Abgases mit genügend hoher Präzision einzustellen um langfristig eine vollständige Entleerung oder Füllung des Sauerstoffspeichers zu vermeiden. Aus diesem Grund werden neuere Kraftfahrzeuge mit einer zweiten Lambdasonde hinter dem Katalysator ausgerüstet, die den Durchbruch von fettem, beziehungsweise magerem, Abgas registriert und entsprechend gegenregelt. Dies wird als Führungsregelung bezeichnet. Die Führungsregelung erkennt eine vollständige Füllung oder Entleerung des Sauerstoffspeichers aber erst, wenn schon ein Durchbruch von fet tem oder magerem Abgas stattgefunden hat. Bedingt durch die Reaktionszeit des Re gelmechanismus ist so eine signifikanten Schadstofffreisetzung unvermeidbar.

Gemäß der DE 196 06 652 A1 (US 5,901,552) wird das einem Verbrennungsmotor zu geführte Luft/Kraftstoff-Verhältnis derart geregelt, daß der Füllgrad des Sauerstoffspei chers eines Dreiweg-Katalysators sich stets zwischen einer oberen und einer unteren Grenze befindet. Zur Durchführung dieser Regelung werden die Sauerstoffkomponen ten im Abgas vor und hinter dem Katalysator gemessen und die Meßwerte mit Hilfe eines mathematischen Modells ausgewertet. Auf diese Weise kann der Katalysator je derzeit unerwartet auftretende Mager- oder Fett-Abweichungen des Abgases auffangen und so Emissionsdurchbrüche vermeiden. Nachteilig ist hierbei, daß es über eine länge re Betriebsdauer zu einer wachsenden Abweichung zwischen dem tatsächlichen Füll grad und dem theoretisch ermittelten Füllgrad geben kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Regelung des Füllgrades des Sauerstoffspeichers in einem vorgegebenen Sollbereich auf der Basis von Messun gen der Luftzahl des Abgases vor und hinter dem Katalysator.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten des Verfahrens werden durch die Unteransprüche be schrieben.

Das Verfahren gemäß Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches in einer Prüfphase das Auswandern des Füllgrades aus dem Sollbereich dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausgehend vom momentanen Ausgangswert durch kurzzeitiges Abmagern oder Anfetten des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches um einen Betrag erhöht oder erniedrigt und sogleich wieder auf den Ausgangswert durch eine kurzzeitige, gegenläufige Änderung des Luft/Kraftstoffgemisches zurückgeführt (Mager/Fett-Pulsfolge oder Fett/Mager- Pulsfolge) wird und daß im Falle eines Durchbruchs von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator während der Prüfphase das Luft/Kraftstoffgemisch zur Korrektur des Füllgrades angefettet oder abgemagert wird, wobei der Betrag, um den der Füllgrad während der Prüfphase erhöht oder erniedrigt wird, so bemessen ist, daß kein Durch bruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator erfolgt, wenn der Füll grad der Sauerstoff speichernden Komponente innerhalb des Sollbereiches liegt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1: Verhalten des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente des Ka talysators über der Zeit

Fig. 2: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer Mager/Fett- Pulsfolge und einer Fett/Mager-Pulsfolge und Regelung der Luftzahl zwi schen den Prüfphasen auf einen konstanten Wert

Fig. 3: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer verdoppelten Ma ger/Fett- und einer verdoppelten Fett/Mager-Pulsfolge und Regelung der Luftzahl zwischen den Prüfphasen auf einen konstanten Wert

Fig. 4: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer Mager/Fett/Mager- Pulsfolge, wobei der Fettpuls die doppelte Dauer eines Magerpulses aufweist

Fig. 5: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer Mager/Fett/Mager- Pulsfolge mit gleicher Dauer aller drei Pulse

Fig. 6: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer verdoppelten Ma ger/Fett- und einer verdoppelten Fett/Mager-Pulsfolge und sinusförmiger Modulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zwischen den Prüfphasen

Fig. 7: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit einer Mager/Fett/Mager- Pulsfolge und sinusförmiger Modulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zwischen den Prüfphasen

Fig. 8: Überprüfen einer möglichen Auswanderung des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente aus dem Sollbereich mit nadelförmigen Pulsfolgen und Sinusmodulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zwischen den Prüf phasen Zur Durchführung des Verfahrens wird die Zusammensetzung des dem Verbrennungs motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches bevorzugt mit Hilfe eines Sauerstoffsen sors geregelt, der vor dem Katalysator im Abgastrakt angeordnet ist. Der mögliche Durchbruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator kann mit einem zweiten Sauerstoffsensor ermittelt werden, der hinter dem Katalysator im Abgastrakt angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt das häufig beobachtete Verhalten des Füllgrades der Sauerstoff speichern den Komponente eines Dreiweg-Katalysators in Abhängigkeit von der Zeit. Minimaler und maximaler Füllgrad sind durch durchgezogene, horizontale Linien gekennzeichnet. Der Sollbereich für den Füllgrad wird in Fig. 1 durch gestrichelte Linien begrenzt.

Der Füllgrad des Sauerstoffspeichers folgt im wesentlichen der Modulation des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches. Aufgrund einer Alterung des vor dem Katalysator angeordneten Sauerstoffsensors oder auch aufgrund der Alte rung des Katalysators selber wandert der Füllgrad aus dem vorgesehenen Sollbereich aus und erreicht schließlich den maximalen oder minimalen Füllgrad. Eine weitere Er höhung oder Erniedrigung des Füllgrades geht nur noch langsam voran und kann für die praktischen Erfordernisse vernachlässigt werden. In Fig. 1 ist dieses Verhalten in idealisierter Form durch eine Kappung der Modulation des Füllgrades an der Grenzlinie für den maximalen Füllgrad dargestellt. In diesem Bereich kann der Katalysator den überschüssigen Sauerstoff nicht mehr Abspeichern und es kommt zu einem Durchbruch des mageren Abgases durch den Katalysator.

Der Füllgrad des Sauerstoffspeichers kann durch die Stöchiometrie des Abgases einge stellt werden. Wichtig für die optimale Funktion des Dreiweg-Katalysators ist es nun, möglichst rechtzeitig eine Auswandern des Füllgrades aus seinem Sollbereich zu erken nen, um durch Ändern der Abgaszusammensetzung den Füllgrad wieder in den Sollbe reich zurückholen zu können.

Zur Überprüfung des momentanen Füllgrades wird der Füllgrad kurzzeitig durch einen Magerpuls oder einen Fettpuls erhöht oder erniedrigt. Unter den Begriffen "Magerpuls" oder "Fettpuls" wird im Rahmen dieser Erfindung das kurzzeitige Erhöhen oder Ernied rigen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bezeichnet. Dies geschieht mit Hilfe der Motor steuerung, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig abmagert oder anfettet. Wichtig ist dabei für das erfindungsgemäße Verfahren, daß der Betrag der Abmagerung oder Anfettung gleich wieder durch eine entsprechend gegenläufige Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kompensiert wird, so daß nach Abschluß der Prüfphase der Füllgrad wieder auf den Ausgangswert zu Beginn der Prüfphase zurückgeführt wird. Auf einen Magerpuls muß also ein Fettpuls folgen und umgekehrt.

Die konkrete Pulsform ist für das Verfahren von untergeordneter Bedeutung. Zum bes seren Verständnis der Erfindung wird in den Fig. 2 bis 5 allerdings von idealisierten, rechteckförmigen Pulsen ausgegangen.

Fig. 2 verdeutlicht den Ablauf der Katalysatorüberprüfung. Diagramm 2a) zeigt den Verlauf der Luftzahl des Abgases vor dem Eintritt in den Dreiweg-Katalysator, während Diagramm 2b) den zugeordneten Verlauf des Füllgrades der Sauerstoff speichernden Komponente des Katalysators wiedergibt.

Zur Überprüfung der relativen Lage des momentanen Füllgrades zum maximalen Füll grad wird die Luftzahl zunächst für kurze Zeit angehoben und sofort anschließend um den selben Betrag abgesenkt (Mager/Fett-Pulsfolge). In Diagramm 2a) sind der Mager puls und der entsprechende Gegenpuls (Fettpuls) in idealisierter Form als Rechteckpul se dargestellt. Kurve 1 in Diagramm 2b) zeigt den entsprechenden Verlauf des Füllgra des für den Fall, daß der momentane Füllgrad sich in der Mitte des Sollbereiches befin det. In diesem Fall ist der Verlauf des momentanen Füllgrades gleich dem Integral des Verlaufs der Luftzahl, das heißt der Füllgrad nimmt während des Magerpulses linear zu und wird durch den entsprechenden Gegenpuls wieder auf den Ausgangswert zurückge führt. Da der Füllgrad hierbei noch nicht den maximalen Füllgrad erreicht, bleibt die Luftzahl des Abgases hinter dem Katalysator unverändert bei einem Wert von 1. Diese Verhältnisse ändern sich erst, wenn der momentane Füllgrad auf Grund einer Fehlfunk tion zum Beispiel nach oben aus dem Sollbereich ausgewandert ist. Diese Situation wird durch Kurve 2 dargestellt. Der Magerpuls führt jetzt dazu, daß zumindest während eines kurzen Zeitintervalls der Füllgrad seinen maximalen Wert annimmt. Während dieses kurzen Zeitintervalls kann der Katalysator keinen weiteren Sauerstoff abspeichern und es kommt zu einem Durchbruch des mageren Abgases durch den Katalysator. Zur Überprüfung der relativen Lage des momentanen Füllgrades zum minimalen Füllgrad wird in entsprechend umgekehrter Weise vorgegangen, das heißt die relative Lage zum minimalen Füllgrad wird mit einer invertierten Pulsfolge, das heißt mit einer Fett/Mager-Pulsfolge, überprüft.

Wird bei der Mager/Fett-Pulsfolge hinter dem Katalysator ein Durchbruch von mage rem Abgas durch den Katalysator festgestellt, so wird von der Motorsteuerung eine Korrektur des Füllgrades durch kurzzeitiges Anfetten des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches vorgenommen (Korrektursprung). In entsprechender Weise wird beim Durchbruch von fettem Abgas durch den Katalysator während einer Fett/Mager-Pulsfolge vorgegangen. Zusätzlich zu dieser kurzfristigen Korrektur des Füllgrades kann der in den Prüfphasen festgestellte Korrekturbedarf zu einer Anpassung der Parameter für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (Lambda-Regelung) verwendet werden, um so das Auswandern des Füllgrades aus dem Sollbereich zu ver langsamen.

Die Fläche unter den Pulsen, das heißt ihr zeitliches Integral relativ zur Luftzahl 1,0, bestimmt den Betrag, um den der Füllgrad während der Prüfung erhöht oder erniedrigt wird. Im Falle eines Magerpulses ist diese Fläche zum Beispiel ein Maß für das über den Katalysator während der Prüfung geführte Sauerstoffvolumen. Im folgenden wird deshalb auch vom Volumen der Prüfpulse gesprochen. Dieses Volumen sollte so ge wählt werden, daß die dadurch bewirkte Änderung des Füllgrades gerade noch nicht an den maximalen oder minimalen Füllgrad heranführt, wenn der momentane Ausgangs wert des Füllgrades innerhalb des Sollbereiches für den Füllgrad liegt.

Wie schon oben ausgeführt wurde, ist die konkrete Pulsform für das vorgeschlagene Verfahren von untergeordneter Bedeutung. Dies gilt auch für die Art und Weise wie das notwendige Volumen der Pulse zur Verfügung gestellt wird, das heißt für die Fläche, die sie mit der Linie für die Luftzahl 1 einschließen. Das notwendige Volumen kann also sowohl durch sehr kurze aber hohe Pulse als auch durch lange und niedrige Pulse gebildet werden. Die untere Grenze für die zeitliche Länge der Pulse ist durch die An fettung oder Abmagerung des Luft/Kraftstoffgemisches für nur einen Zylinder des Ver brennungsmotors gegeben. Die maximal zulässige Höhe der Pulse hängt von der Bauart des Motors ab.

Die Überprüfung des Füllgrades gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren verursacht einen Kraftstoffmehrverbrauch. Dieser Kraftstoffmehrverbrauch ist ursächlich gekop pelt an die Speicherkapazität der Sauerstoff speichernden Komponenten und die Breite des Sollbereiches, das heißt an das für die Prüfung benötigte Volumen der Pulse. Der Kraftstoffmehrverbrauch ist deshalb in erster Näherung unabhängig von der verwende ten Pulsform und der gewählten Dauer der Pulse.

Die Prüfung muß in bestimmten Abständen wiederholt werden. Zur Minimierung des durch die Prüfung bedingten Kraftstoffmehrverbrauchs ist es daher wichtig, die Häufig keit oder Frequenz der Prüfphasen möglichst niedrig zu wählen. Die Häufigkeit kann durch die Motorsteuerung den momentanen Betriebszuständen laufend angepaßt wer den. So sind zum Beispiel in Fahrsituationen mit plötzlichen Beschleunigungen die Prüfungen häufiger vorzunehmen als währen einer konstanten Fahrt. Die Festlegung der optimalen Frequenz kann zum Beispiel durch ein Kennfeld, ein neuronales Netzwerk oder eine Fuzzy-Logik erfolgen. Darüber hinaus kann der während einer Prüfphase festgestellte Korrekturbedarf auch noch dazu benutzt werden, die Regelparameter für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (Lambda-Regelung) an die Regelabwei chung so anzupassen, daß die Geschwindigkeit, mit der der Füllgrad aus dem Sollbe reich auswandert, verringert wird. Der Abstand zwischen zwei Prüfphasen kann dann mit Hilfe einer intelligenten Motorsteuerung entsprechend verlängert werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das vorgeschlagene Verfahren mit dem in der DE 196 06 652 A1 beschriebenen Verfahren zu kombinieren. Die in den Prüfphasen festgestellten Abweichungen zwischen dem Istzustand des Füllgrades und dem mathe matischen Modell können dann verwendet werden um den in der Berechnung verwen deten Füllgrad auf den tatsächlichen Füllgrad zurückzusetzen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass durch Akkumulation kleiner Fehler bei der Integration der Mo dellgleichungen eine zu große Abweichung zwischen dem berechneten und dem realen Füllgrad entsteht. Zusätzlich können die in den Prüfphasen festgestellten Abweichun gen zwischen Istzustand und mathematischem Modell zur Feinkorrektur der Parameter des mathematischen Modells genutzt werden. Auf diese Weise wird eine weitere Ver ringerung der Häufigkeit der Prüfphasen erreicht.

Wie schon erläutert, kann die mögliche Auswanderung des Füllgrades aus dem Sollbe reich nach oben durch eine Mager/Fett-Pulsfolge und die Auswanderung nach unten durch eine Fett/Mager-Pulsfolge überprüft werden. Um beide Überprüfungen während des Motorbetriebs vorzunehmen ist es daher sinnvoll, die Pulsfolge in aufeinanderfol genden Prüfphasen jeweils zu invertieren, so daß auf eine Prüfung mit einer Mager/Fett- Pulsfolge eine Prüfung mit einer Fett/Mager-Pulsfolge folgt. Solche alternierenden Prüfphasen sind in Fig. 2, Diagramm a), dargestellt.

Fig. 3 zeigt zwei alternierende Prüfphasen und die zugeordnete Variation des Füllgra des für den Fall, daß die gewählte Pulsfolge innerhalb einer Prüfphase verdoppelt wird, um die Erkennbarkeit des Auswanderns des Füllgrades aus dem Sollbereich zu verbes sern. Auch eine mehrfache Wiederholung der gewählten Pulsfolge innerhalb einer Prüf phase ist möglich. Allerdings erhöht sich hierbei der Kraftstoffmehrverbrauch entspre chend, so daß die Zahl der Wiederholungen auf maximal 5 beschränkt werden sollte.

Besonders vorteilhaft gestaltet sich das Verfahren, wenn jeweils zwei aufeinanderfol gende, alternierende Prüfphasen zu einer einzigen Prüfphase zusammengezogen werden, so daß sowohl das Auswandern des Füllgrades aus dem Sollbereich nach oben als auch nach unten innerhalb einer Prüfphase überprüft wird. Hierbei sind zwei verschie dene Pulsfolgen möglich, die jedoch ein gleichwertiges Ergebnis liefern, nämlich zum einen eine Mager/Fett/Mager-Pulsfolge und zum anderen eine Fett/Mager/Fett-Pulsfol ge. Pulsdauer und Pulshöhe des jeweils mittleren Pulses müssen dabei so bemessen werden, daß der Füllgrad nach Abschluß der Prüfphase wieder auf seinen Ausgangswert vor Beginn der Prüfung zurückgeführt wird, das heißt das Volumen des mittleren Pulses muß so groß sein wie das der beiden äußeren Pulse zusammen. Dies kann entweder durch eine Verdoppelung der Dauer (siehe Fig. 4) oder durch eine Verdoppelung der Amplitude des mittleren Pulses (siehe Fig. 5) geschehen. Wie die Erläuterungen zur Bedeutung der Pulsform für das Verfahren gezeigt haben, sind auch beliebige Zwi schenformen des mittleren Pulses möglich, solange die Bedingung der Zurückführung des Füllgrades auf seinen Ausgangswert nach Beendigung der Prüfphase erfüllt wird.

Das vorgeschlagene Verfahren kann sowohl in Kombination mit einer Regelung des auf stöchiometrische Bedingungen normierten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Lambda auf einen konstanten Wert um λ = 1 als auch in Kombination mit einer Modulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingesetzt werden. Im ersten Fall wird die Luftzahl Lambda zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfphasen auf den konstanten Wert ge regelt, während im zweiten Fall das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen zwei aufeinan derfolgenden Prüfphasen mit einer Frequenz zwischen 0,1 und 5 Hz und einer Amplitu de zwischen ±0,1 und ±2,0 moduliert wird. Die in den Prüfphasen angewendeten Puls folgen werden dabei zweckmäßigerweise in ihrer Pulsdauer an die Periodendauer der Modulation angepaßt und phasenrichtig überlagert. Diese Vorgehensweise ist beispiel haft in den Fig. 6 und 7 dargestellt.

Fig. 8 zeigt eine weitere Variante des beanspruchten Verfahrens. Das dem Motor zu geführte Luft/Kraftstoff-Gemisch wird wieder wie in den Verfahren nach den Fig. 6 und 7 zwischen den Prüfphasen sinusförmig moduliert. Die Prüfphasen entsprechen denen von Fig. 2 mit dem Unterschied, daß die relativ breiten und niedrigen Prüfpulse durch nadelförmige Pulse, das heißt durch sehr schmale aber hohe Pulse ersetzt wurden. Auch für die nadelförmigen Prüfpulse gilt natürlich die Bedingung, daß ihr Volumen der Speicherkapazität des Katalysators angepaßt sein muß. Die zeitliche Dauer der in den Prüfphasen angewendeten Nadelpulse beträgt bevorzugt zwischen 1 und 50% der Periodendauer der Modulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Zweckmäßigerweise werden die Prüfphasen dann eingeleitet, wenn der Füllgrad infolge der Sinusmodulation seinen maximalen oder minimalen Wert erreicht hat. Dies ist in den Wendepunkten der Modulationskurven der Fall. Die Prüfphase mit der Mager/Fett-Pulsfolge wird also zum Beispiel dem Luft/Kraftstoffverhältnis dann überlagert, wenn das Luft/Kraftstoff- Verhältnis durch einen Wendepunkt mit negativer Steigung geht und der Füllgrad somit seinen maximalen Wert erreicht hat. Entsprechend umgekehrt wird mit der Fett/Mager- Pulsfolge verfahren.

Mit zunehmender Alterung des Katalysators vermindert sich seine Speicherkapazität. Somit verringert sich der Abstand zwischen dem minimalen und maximalen Füllgrad und den entsprechenden Grenzen des Sollbereiches. Mit zunehmender Alterung des Katalysators muß daher das Volumen der Prüfpulse vermindert werden. Die notwendige Anpassung kann automatisch vorgenommen werden. Hierzu wird von der Motorsteue rung registriert, wie häufig direkt aufeinanderfolgend Durchbrüche von magerem und fettem Abgas auftreten. Werden solche Doppeldurchbrüche zu häufig registriert, ist dies ein Zeichen für eine verminderte Speicherkapazität des Katalysators und das Volumen der Prüfpulse muß verringert werden. Mit zunehmender Schädigung der Sauerstoffspei cherkapazität des Katalysators kann auch die Breite des Sollbereiches verringert wer den.

In gleicher Weise wie das Volumen der Prüfpulse muß auch die Amplitude des Kor rektursprungs nach einem festgestellten Durchbruch von fettem oder magerem Abgas angepaßt werden. Durch den Korrektursprung sollte der momentane Füllgrad in die Mitte des Sollbereiches zurückgeholt werden.

Die automatische Anpassung des Volumens der Prüfpulse eignet sich zur Entscheidung darüber, wann der Katalysator wegen schwerwiegender Schädigung seiner Speicherka pazität ausgewechselt werden muß. Zu diesem Zweck wird ein Mindestvolumen für die Prüfpulse festgelegt. Das Volumen der Prüfpulse wird mit zunehmender Schädigung des Katalysators bis auf das Mindestvolumen reduziert. Ist das Mindestvolumen der Prüfpulse erreicht, so kann ein Signal zum Auswechseln des Katalysators gesetzt wer den.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Dreiweg-Katalysators, der eine Sauerstoff spei chernde Komponente enthält, die einen minimalen und einen maximalen Füllgrad für Sauerstoff aufweist, und der im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors ange ordnet ist, wobei das dem Motor zugeführte Luft/Kraftstoffgemisch so geregelt wird, daß der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente des Katalysators in einem mittleren Sollbereich zwischen minimalem und maximalem Füllgrad ge halten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches in einer Prüfphase das Auswan dern des Füllgrades aus dem Sollbereich dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausgehend vom momentanen Ausgangswert durch kurzzeitiges Abmagern oder Anfetten des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches um einen Betrag erhöht oder erniedrigt und sogleich wieder auf den Ausgangswert durch eine kurzzeitige, gegenläufige Änderung des Luft/Kraftstoffgemisches zurückgeführt (Mager/Fett-Pulsfolge oder Fett/Mager-Pulsfolge) wird und daß im Falle eines Durchbruchs von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator während der Prüfphase das Luft/Kraftstoffgemisch zur Korrektur des Füllgrades angefettet oder abgemagert wird, wobei der Betrag, um den der Füllgrad während der Prüf phase erhöht oder erniedrigt wird, so bemessen ist, daß kein Durchbruch von ma gerem oder fettem Abgas durch den Katalysator erfolgt, wenn der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente innerhalb des Sollbereiches liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraft stoffgemisches mit Hilfe eines Sauerstoffsensors geregelt wird, der vor dem Ka talysator im Abgastrakt angeordnet ist und daß der mögliche Durchbruch von ma gerem oder fettem Abgas durch den Katalysator mit einem zweiten Sauerstoffsen sor ermittelt wird, der hinter dem Katalysator im Abgastrakt angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfphase während des Motorbetriebs mehrfach wiederholt wird, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Prüfphasen an die jeweiligen Betriebsbedin gungen des Motors und an die festgestellte Regelabweichung angepaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfolge in aufeinanderfolgenden Prüfphasen jeweils invertiert wird, so daß auf eine Prüfung mit einer Mager/Fett-Pulsfolge eine Prüfung mit einer Fett/Mager-Pulsfolge folgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Prüfphasen zu einer einzigen Prüfphase zu sammengezogen werden, so daß die Prüfung mit einer Mager/Fett/Mager-Pulsfol ge oder mit einer Fett/Mager/Fett-Pulsfolge erfolgt, wobei Pulsdauer und Pulshö he des jeweils mittleren Pulses so bemessen werden, daß der Füllgrad nach Ab schluß der Prüfphase wieder seinen Ausgangswert vor Beginn der Prüfung an nimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Prüfphasen festgestellte Korrekturbedarf für den Füllgrad zu einer Anpassung der Parameter für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (Lambda-Regelung) mit Hilfe des vor dem Katalysator angeordneten Sauer stoffsensors verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das auf stöchiometrische Bedingungen normierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis Lambda zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfphasen auf einen konstanten Wert um λ = 1 geregelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prüfpha sen mit einer Frequenz zwischen 0,1 und 5 Hz und einer Amplitude des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zwischen ±0,1 und ±2,0 moduliert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Prüfphasen angewendeten Pulsfolgen der Modulation des Luft/Kraftstoffverhältnisses phasenrichtig überlagert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Dauer der in den Prüfphasen angewendeten Pulsfolgen zwischen 1 und 50% der Periodendauer der Modulation des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses beträgt und die Prüfphasen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis in seinen Wendepunk ten überlagert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Pulse, definiert als ihr zeitliches Integral relativ zur Luftzahl 1, während der Lebensdauer des Katalysators zur Anpassung an die sinkende Speicherkapazität des Katalysators vermindert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Unterschreiten eines Mindestvolumens der Pulse ein Signal zum Aus tausch des Katalysators gesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Pulsfolge innerhalb der Prüfphase mehrfach wiederholt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches in einer ersten Prüfphase das Auswandern des Füllgrades aus dem Sollbereich nach oben dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausgehend vom momentanen Ausgangswert durch kurz zeitiges Abmagern des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches um ei nen ersten Betrag erhöht und sogleich wieder auf den Ausgangswert durch kurz zeitiges Anfetten des Luft/Kraftstoffgemisches zurückgeführt (Mager/Fett- Pulsfolge) wird, und in einer zweiten Prüfphase das Auswandern des Füllgrades aus dem Sollbereich nach unten dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausge hend vom momentanen Ausgangswert durch kurzzeitiges Anfetten des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches um einen zweiten Betrag erniedrigt und so gleich wieder auf den Ausgangswert durch kurzzeitiges Abmagern des Luft/Kraft stoffgemisches zurückgeführt (Fett/Mager-Pulsfolge) wird und daß im Falle eines Durchbruchs von magerem Abgas durch den Katalysator während der Mager/Fett- Pulsfolge das Luft/Kraftstoffgemisch zur Korrektur des Füllgrades angefettet und im Falle eines Durchbruchs von fettem Abgas durch den Katalysator während der Fett/Mager-Pulsfolge das Luft/Kraftstoffgemisch abgemagert wird, wobei die Be träge, um die der Füllgrad während der Prüfphasen erhöht oder erniedrigt wird so bemessen sind, daß kein Durchbruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator erfolgt, wenn der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente innerhalb des Sollbereiches liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches das Ausbrechen des Füllgrades aus dem Sollbereich nach oben oder unten während einer Prüfphase dadurch überprüft wird, daß der Füllgrad ausgehend vom momentanen Ausgangswert durch kurzzeitige Abmagerung des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff gemisches um einen ersten Betrag erhöht, danach durch kurzzeitiges Anfetten des Luft/Kraftstoffgemisches um einen zweiten Betrag gegenüber dem Ausgangswert erniedrigt und anschließend wieder auf den Ausgangswert durch kurzzeitiges Abmagern des Luft/Kraftstoffgemisches zurückgeführt wird (Mager/Fett/Mager- Pulsfolge) und daß im Falle eines Durchbruchs von magerem Abgas durch den Katalysator das Luft/Kraftstoffgemisch zur Korrektur des Füllgrades angefettet und im Falle eines Durchbruchs von fettem Abgas durch den Katalysator das Luft/Kraftstoffgemisch abgemagert wird, wobei die Beträge, um die der Füllgrad während der Prüfphase erhöht oder erniedrigt wird, so bemessen sind, daß kein Durchbruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator erfolgt, wenn der Füllgrad der Sauerstoff speichernden Komponente innerhalb des Sollbereiches liegt.