DE102004008172B4

DE102004008172B4 - Verfahren zur Ermittlung des Gütegrads eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgas-Katalysators

Info

Publication number: DE102004008172B4
Application number: DE102004008172A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: DE102004008172A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Gütegrades eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgas-Katalysators,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Katalysator in Axialrichtung als Abgas-Durchströmrichtung gesehen in mehrere hintereinanderliegende Katalysator-Axialabschnitte unterteilt ist, denen jeweils ein Sauerstoffspeicherabschnitt eines Sauerstoffspeichers des Katalysators zugeordnet ist,
dass in Abhängigkeit von einer zeitlich gesehen nacheinander erfolgenden Aufheizung der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte auf Betriebstemperatur ein Sauerstoffdurchgang durch den Katalysator für jeden einzelnen der auf Betriebstemperatur erwärmten Katalysator-Axialabschnitte schwellwertabhängig erfasst wird, wobei der Schwellwert durch eine Kurve vorgegeben ist, die den Verlauf der Befüllung des Sauerstoffspeichers eines neuen Abgas-Katalysators während des Aufheizens des gesamten Katalysators auf Betriebstemperatur kennzeichnet, und wobei zur in Axialrichtung gesehen örtlichen Feststellung einer Sauerstoffspeicherschädigung
a) eine für den jeweils betrachteten Katalysator-Axialabschnitt durch Vergleich mit dem vorgegebenen Schwellwert festgestellte Einspeicherung von Sauerstoff in dem zugeordneten Sauerstoffspeicherabschnitt keine Schädigung des betreffenden Sauerstoffspeicherabschnittes und damit des betreffenden Ka talysator-Axialabschnittes darstellt, oder
b) eine für den jeweils betrachteten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Gütegrads eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgas-Katalysators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist allgemein bekannt, dass Abgas-Katalysatoren, die einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet sind, im Laufe der Zeit einer Alterung unterliegen, die nach Überschreiten bestimmter vorgebbarer Schwellwerte den Austausch bzw. die Regeneration des Katalysators erfordert. Von besonderer Bedeutung ist dabei eine Schädigung des Sauerstoffspeichers eines Katalysators, da mit Hilfe des Sauerstoffspeichers erst eine vernünftige Regelung des Luft-Kraftstoffverhältnisses um Lambda = 1 ermöglicht wird. Es herrscht also ein Bedürfnis, im Rahmen einer On-Board-Diagnose eine möglichst genaue Aussage über eine evtl. Sauerstoffspeicherschädigung eines Katalysators treffen zu können.
Aus der Druckschrift DE 101 64 164 A1 ist ein Luftkraftstoffregelungssystem und -verfahren für einen Verbrennungsmotor bekannt. Dazu ist ein Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei die Änderung der Sauerstoffspeichermenge in einem bestimmten dieser Abschnitte berechnet wird und eine Schätzung der Sauerstoffspeichermenge in dem betreffenden Abschnitt erfolgt. Auf der Grundlage der geschätzten Sauerstoffspeichermenge wird das Luftkraftstoffverhältnis geregelt.
In der Druckschrift EP 1 164 268 A2 ist eine Anordnung zur Überwachung eines regenerierbaren NOx-Speichers in einem Abgasstrang, insbesondere eines Diesel- oder Magermotors durch welchen NOx-haltiges Abgas strömt beschrieben. Im Abgasstrang wird eine Temperaturmessung durchgeführt. Aus der Temperaturmessung wird direkt vor, während und/oder nach einer Regenerationsphase des NOx-Speichers, auf die Betriebsfähigkeit, auf den Betriebszustand und/oder auf die Speicherkapazität des NOx-Speichers geschlossen.
Die Druckschrift DE 103 03 911 A1 beschreibt ein Verfahren zur ortsabhängigen Überwachung des Anspringverhaltens eines Abgaskatalysatorsystems. Dazu wird ein dem Anspringbereich des Abgaskatalysatorsystems mit dem Abgas zugeführter Wärmemengeneintrag als Kriterium für das sukzessive Einsetzen des Konvertierens bzw. des Anspringens in stromab hintereinander liegenden Teilvolumina des Anspringbereichs herangezogen und wird die Funktionsfähigkeit mindestens eines der stromab nacheinander ausreichend aufgeheizten Teilvolumina zum jeweiligen Zeitpunkt des Anspringens einzeln überprüft und beurteilt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung eines Gütegrads eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgas-Katalysators zur Verfügung zu stellen, mit dem eine möglichst genaue örtliche Feststellung einer Schädigung des Sauerstoffspeichers eines Abgas-Katalysators in Axialrichtung gesehen möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 ist der Katalysator in Axialrichtung als Abgas-Durchströmrichtung gesehen in mehrere hintereinanderliegende Katalysator-Axialabschnitte unterteilt, denen jeweils ein Sauerstoffspeicherabschnitt eines Sauerstoffspeichers des Katalysators zugeordnet ist, und wird in Abhängigkeit von einer zeitlich gesehen nacheinander erfolgenden Aufheizung der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte auf Betriebstemperatur ein Sauerstoffdurchgang durch den Katalysator für jeden einzelnen der auf Betriebstemperatur erwärmten Katalysator-Axialabschnitt schwellwertabhängig erfasst, wobei der Schwellwert durch eine Kurve vorgegeben ist, die den Verlauf der Befüllung des Sauerstoffspeichers eines neuen Abgas-Katalysators während des Aufheizens des gesamten Katalysators auf Betriebstemperatur kennzeichnet, und wobei zur in Axialrichtung gesehen örtlichen Feststellung einer Sauerstoffspeicherschädigung entweder eine für den jeweils betrachteten Katalysator-Axialabschnitt durch Vergleich mit dem vorgegebenen Schwellwert festgestellte Einspeicherung von Sauerstoff in den zugeordneten Sauerstoffspeicherabschnitt keine Schädigung des betreffenden Sauerstoffspeicherabschnittes und damit des betreffenden Katalysator-Axialabschnittes darstellt, oder eine für den jeweils betrachteten Katalysator-Axialabschnitt durch Vergleich mit dem vorgegebenen Schwellwert festgestellte fehlende oder mangelhafte Einspeicherung von Sauerstoff in den zugeordneten Sauerstoffspeicherabschnitt eine Schädigung des betreffenden Sauerstoffspeicherabschnittes und damit des betreffenden Katalysator-Axialabschnittes darstellt.
Mit einer derartigen Verfahrensführung kann somit eine genaue Aussage über die lokale Schädigung eines Sauerstoffspeichers des Katalysators getroffen werden, was insbesondere im Rahmen einer On-Board-Diagnose erwünscht ist. So kann z. B. bei einer erfassten lokalen Beschädigung des Sauerstoffspeicherabschnitts des stromaufwärts ersten Katalysator-Axialabschnitts im Rahmen der On-Board-Diagnose festgestellt werden, dass der Katalysator ggf. den Anforderung für eine HC- bzw. CO-Konvertierung im Kaltstart nicht mehr genügt und daher ggf. ausgetauscht werden muss. Entsprechend kann bei einer erfassten lokalen Beschädigung des Sauerstoffspeichers des stromabwärts letzten Katalysator-Axialabschnittes im Rahmen der On-Board-Diagnose festgestellt werden, dass der Katalysator gegebenenfalls den Anforderungen für eine NO_x-Konvertierung nicht mehr genügt. Somit ist es möglich, eine Diagnose bezüglich der HC- und NO_x-Emissionen differenziert durchzuführen.
Grundsätzlich können wenigstens zwei Katalysator-Axialabschnitte vorgesehen sein. Je mehr Katalysator-Axialabschnitte jedoch vorgesehen sind, desto genauer kann die Lokalisierung einer eventuellen Sauerstoffspeicherschädigung des Sauerstoffspeichers eines Abgas-Katalysators erfolgen. Bevorzugt weisen hierbei die einzelnen Katalysator-Axialabschnitte jeweils eine in etwa gleiche Länge auf. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, bestimmte Katalysator-Längsbereiche feiner zu unterteilen als andere, so z. B. den Abgaseintrittsbereich eines Katalysators feiner zu unterteilen als einen Katalysator-Längsmittenabschnittsbereich. Letzteres kann z. B. insbesondere im Hinblick auf eine Kaltstartüberwachung von Vorteil sein.
Entsprechend Anspruch 2 stellt die den vorgegebenen Schwellwert bildende Kurve die lineare Proportionalität des Intergrals des Wärmeeintrags in den neuen Abgas-Katalysator zur Summe der in diesen neuen Abgas-Katalysator eingespeicherten Sauerstoffmenge dar.
Nach Anspruch 3 ist der zeitliche Verlauf des Aufheizens des Katalysators und damit auch der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte in einem Kennfeld einer Steuereinrichtung als Katalysator-Wärmeeindringtiefenmodell abgelegt. Mit einem derartigen Model kann dann im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahrensführung auf einfache Weise in Abhängigkeit von der jeweils vom Fahrer vorgegebenen Wärmeeintragsmenge über den Abgasstrom ein genauer Wert über die momentane örtliche und zeitliche Temperaturverteilung im Katalysator zu Verfügung gestellt werden, so dass in Verbindung mit dem gemessenen Sauerstoffdurchgang und der daraus abgeleiteten Befüllung des Sauerstoffspeichers eine funktionssichere erfindungsgemäße Verfahrensführung möglich ist.
Bevorzugt wird der Sauerstoffgehalt in dem den Katalysator verlassenden Abgasstrom mittels einer Lambdasonde erfasst, wie dies Gegenstand des Anspruchs 4 ist.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass mittels einer ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Auswerteeinrichtung, in Abhängigkeit von der Anzahl und/oder dem Ort der geschädigten Sauerstoffspeicherabschnitte und damit der geschädigte Katalysator-Axialabschnitte ein Katalysatoraustausch im Rahmen einer On-Board-Diagnose ermittelt wird. So kann z. B. eine lediglich in einem mittleren Katalysator-Axialabschnitt ermittelte Sauerstoffspeicherschädigung weniger kritisch bewertet werden als eine eingangsseitige Sauerstoffspeicherbeschädigung.
Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Katalysator in wenigstens fünf Katalysator-Axialabschnitte unterteilt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 den zeitlichen Verlauf der Befüllung des Sauerstoffspeichers über den gesamten Wärmeeintrag in den Katalysator für unterschiedliche Schädigungszustände eines Sauerstoffspeichers des Katalysators,
2a bis d die zeitliche Änderung des Sauerstoffspeichers über der zeitlichen Änderung des Wärmeeintrags in den Katalysator für die in der 1 dargestellten unterschiedlichen Schädigungsfälle, und
3 beispielhaft ein zeitabhängiges Katalysator-Wärmeeindringtiefenmodell, wie es in einem Kennfeld einer Steuereinrichtung abgelegt ist.
In 1 ist schematisch und beispielhaft die zeitliche Befüllung eines Sauerstoffspeichers eines Abgas-Katalysators über den gesamten Wärmeeintrag in den Katalysator hinein dargestellt. Mit 1/5, 2/5, 3/5, 4/5 und 5/5 sind hier die einzelnen Katalysator-Axialabschnitte, in die der Katalysator in Axialrichtung als Abgas-Durchströmrichtung gesehen unterteilt ist, dargestellt.
Wie dies dem Diagramm der 1 zu entnehmen ist, kennzeichnet Kurve 1 den Verlauf der Befüllung des Sauerstoffspeichers eines neuen Abgas-Katalysators während des Aufheizens des gesamten Katalysators auf Betriebstemperatur. Die Kurve 1 zeigt, dass das Integral des Wärmeeintrags proportional, im hier gezeigten Beispielfall sogar linear-proportional zur Summe der in den Sauerstoffspeicher eingespeicherten Sauerstoffmenge ist, d. h. dass keiner der Sauerstoffspeicherabschnitte in den einzelnen Katalysator-Axialabschnitten eine Schädigung aufweist.
Kurve 2 verläuft bis zum letzten Katalysator-Axialabschnitt identisch mit Kurve 1, knickt dann aber in eine Gerade ab, d. h., dass im letzten Katalysator-Axialabschnitt keine Änderung des Sauerstoffspeichers bzw. keine Einspeicherung von Sauerstoff mehr in den Sauerstoffspeicher erfolgt, so dass dann in einem solchen Fall mit einer Auswerteeinrichtung ermittelt wird, dass der Sauerstoffspeicherabschnitt in diesem letzten Katalysator-Axialabschnitt beschädigt ist.
Kurve 3 zeigt den Fall, dass der Sauerstoffspeicherabschnitt des ersten Katalysator-Axialabschnittes beschädigt ist und Kurve 4 zeigt den Fall, dass die Sauerstoffspeicherabschnitte des dritten und vierten Katalysator-Axialabschnittes beschädigt sind, da dort jeweils keine Einspeicherung von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher mehr erfolgt bzw. keine Änderung des Sauerstoffspeichers mehr erfasst werden kann.
Wie 1 zeigt, kann somit mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung auf einfache und funktionssichere Weise eine genaue örtliche Aussage darüber getroffen werden, welcher Bereich des Katalysators eine Schädigung des Sauerstoffspeichers aufweist.
In den 2a bis 2d ist die zeitliche Änderung des Sauerstoffspeichers über der zeitlichen Änderung des Wärmeeintrags dargestellt, wobei die den Kurven 1 bis 4 der 1 zugeordneten Fälle in den Diagrammen der 2a bis 2d mit 1', 2', 3' und 4' bezeichnet sind. Dem Diagramm der 2a bis 2d ist daher zu entnehmen, dass in den Schädigungsbereichen jeweils keine Änderung des Sauerstoffspeichers erfolgt, d. h., dass dort keine weitere Einspeicherung des Sauerstoffes in den Sauerstoffspeicher erfolgt und somit eine Schädigung der entsprechenden Sauerstoffspeicherabschnitte vorliegt.
In der 3 ist schematisch und beispielhaft ein in einem Kennfeld einer Steuereinrichtung abgelegtes zeitabhängiges Katalysator-Wärmeeindringtiefenmodell gezeigt, aus dem heraus der zeitliche Verlauf t₁, t₂, t₃, t₄ und t₅ der Aufheizung der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte auf Betriebstemperatur und damit eine axiale Wärmeeindringtiefe in den Katalysator entnommen werden kann. Ein derartiges Wärmeeindringtiefenmodell kann z. B. empirisch ermittelt werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Gütegrades eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgas-Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in Axialrichtung als Abgas-Durchströmrichtung gesehen in mehrere hintereinanderliegende Katalysator-Axialabschnitte unterteilt ist, denen jeweils ein Sauerstoffspeicherabschnitt eines Sauerstoffspeichers des Katalysators zugeordnet ist, dass in Abhängigkeit von einer zeitlich gesehen nacheinander erfolgenden Aufheizung der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte auf Betriebstemperatur ein Sauerstoffdurchgang durch den Katalysator für jeden einzelnen der auf Betriebstemperatur erwärmten Katalysator-Axialabschnitte schwellwertabhängig erfasst wird, wobei der Schwellwert durch eine Kurve vorgegeben ist, die den Verlauf der Befüllung des Sauerstoffspeichers eines neuen Abgas-Katalysators während des Aufheizens des gesamten Katalysators auf Betriebstemperatur kennzeichnet, und wobei zur in Axialrichtung gesehen örtlichen Feststellung einer Sauerstoffspeicherschädigung a) eine für den jeweils betrachteten Katalysator-Axialabschnitt durch Vergleich mit dem vorgegebenen Schwellwert festgestellte Einspeicherung von Sauerstoff in dem zugeordneten Sauerstoffspeicherabschnitt keine Schädigung des betreffenden Sauerstoffspeicherabschnittes und damit des betreffenden Ka talysator-Axialabschnittes darstellt, oder b) eine für den jeweils betrachteten Katalysator-Axialabschnitt durch Vergleich mit dem vorgegebenen Schwellwert festgestellte fehlende oder mangelhafte Einspeicherung von Sauerstoff in den zugeordneten Sauerstoffspeicherabschnitt eine Schädigung des betreffenden Sauerstoffspeicherabschnittes und damit des betreffenden Katalysator-Axialabschnittes darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den vorgegebenen Schwellwert bildende Kurve die lineare Proportionalität des Integrals des Wärmeeintrags in den neuen Abgas-Katalysator zur Summe der in diesen neuen Abgas-Katalysator eingespeicherten Sauerstoffmenge darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Aufheizens des Katalysators und damit auch der einzelnen Katalysator-Axialabschnitte in einem Kennfeld einer Steuereinrichtung als Katalysator-Wärmeeindringtiefenmodell abgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt in dem den Katalysator verlassenden Abgasstrom mittels einer Lambdasonde erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Auswerteinrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl und/oder dem Ort der geschädigten Sauerstoffspeicherabschnitte und damit der geschädigten Katalysator-Axialabschnitte ein Katalysatoraustausch im Rahmen einer On-Board-Diagnose ermittelt wird.