DE102004050629B4

DE102004050629B4 - Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators

Info

Publication number: DE102004050629B4
Application number: DE102004050629A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2024-10-19
Also published as: DE102004050629A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators einer Brennkraftmaschine unter Verwendung der Signalwerte eines Sauerstoffbeladungssensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ) und des zeitlichen Gradienten (ΔS/Δt) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators einer Brennkraftmaschine unter Verwendung der Signalwerte eines Sauerstoffbeladungssensors.
Die Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators stellt ein Kriterium für die Diagnose des Katalysators dar. Beim Stand der Technik erfolgt die Diagnose in der Regel mittels einer stromauf und einer stromab des Katalysators angeordneten Lambdasonde, wobei aus der Differenz der Messsignale dieser beiden Lambdasonden die Sauerstoffspeicherkapazität bestimmt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift DE 24 44 334 A1 beschrieben.
Aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 198 05 928 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Füllgrads oder der Güte eines mittels eines Speichermediums Gase speichernden Katalysators bekannt, wobei die absolute Änderung mindestens einer physikalischen Eigenschaft des mit dem Speichervorgang sich verändernden Speichermediums gemessen wird und anhand dieser Ergebnisse der Füllgrad oder die Güte bestimmt wird. Damit kann also prinzipiell bereits die Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators bestimmt werden, welche ein Kriterium für die Diagnose darstellt.
Und in der Druckschrift DE 199 54 549 A1 ist ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxidabsorber und einem zugeordnetem Stickoxid-Beladungssensor beschrieben, wobei der Stickoxidabsorber abwechselnd in Absorptionsphasen und Regenerationsphasen betrieben wird. Dabei wird es als ein Regenerationsendkriterium gewertet wird, wenn die Stickoxid-Beladung unter einen vorgegebenen Beladungsschwellwert gefallen ist, wenn der Gradient der ge messenen Beladung unter einen vorgegebenen Gradientenbetragsschwellwert gefallen ist oder wenn die Abnahme der Stockoxid-Beladung einen vorgegebenen Beladungsabnahmeschwellwert überschritten hat.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators bereitzustellen, welches gegenüber dem Stand der Technik eine besonders aussagekräftige Bestimmung der Sauerststoffspeicherkapazität des Oxidationskatalysators und damit eine genauere Diagnose ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe, indem die Sauerstoffspeicherkapazität anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses und des zeitlichen Gradienten der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors bestimmt wird. Denn die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators ist im Laufe seiner Standzeit einer stetigen Abnahme unterworfen, und mit der Sauerstoffspeicherkapazität nimmt auch die von dem Katalysator pro Zeit aufnehmbare oder abgebbare Menge an Sauerstoff ab, welche letztlich für die Qualität der Abgaskonvertierung entscheidend ist. Also lässt ein großer Gradient der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors auf eine geringe Sauerstoffspeicherkapazität schließen, während ein geringer Gradient der Signalwerte des Sauerstoffspeicherbeladungssensors auf eine große Sauerstoffspeicherkapazität schließen lässt.
Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem über eine gewisse Zeitdauer anhaltenden Schubbetrieb der Brennkraftmaschine das Erreichen der maximalen Sauerstoffbeladung des Oxidationskatalysators angenommen und wird ein entsprechender oberer Grenzwert der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors erfasst. Dieser obere Grenzwert der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors erlaubt grundsätzlich bereits eine erste Aussage über die verbliebene Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators.
Besonders vorteilhaft wird dann, wenn die Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors die Hälfte des oberen Grenzwertes oder einen anderen Referenzwert annehmen, ein stationärer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1,0 eingestellt. Denn durch die Hälfte des oberen Grenzwertes der Signalwerte wird das Vorliegen einer hälftigen Beladung des Sauerstoffspeichers des Katalysators impliziert, so dass ausgehend von diesem Betriebspunkt sowohl eine günstige Beladung als auch eine günstige Entladung des Sauerstoffspeichers erfolgen kann. Aber auch ein anderer Referenzwert der Signalwerte der in einem Bereich des Sauerstoffbeladungsgrades des Katalysators von 30 bis 70 % liegen sollte, wäre hierfür hinreichend geeignet.
Bevorzugt wird während des stationären Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1,0 die Last, die Drehzahl sowie die Kraftstoffzufuhr konstant gehalten und wird überprüft, ob die Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors konstant bleiben bzw. ob der Gradient der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors gleich Null ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch ohne Kontrolle über eine Lambdasonde allein anhand der konstanten Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine eine genau definierte Abgaszusammensetzung vorliegt.
Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren ausgehend von dem stationären Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1,0 eine Variation der Last, der Drehzahl und/oder der Kraftstoffzufuhr vorgenommen, um das Luft/Kraftstoffverhältnis von bisher 1,0 um einen vorbestimmten Betrag anzuheben oder abzusenken und um den Gradienten der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors zu erfassen. Dabei ist es günstig wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis nur in Abhängigkeit von einer Variation der Kraftstoffzufuhr bzw. Kraftstoffeinspritzung verändert wird, denn durch die sehr präzise Dosierbarkeit der Kraftstoffzufuhr kann auch das Luft/Kraftstoffverhältnis sehr präzise angehoben oder abgesenkt werden.
Aus dem alterungsabhängigen Gradienten der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors kann über ein Kennfeld die alterungsbedingte Sauerstoffspeicherkapazität des Oxidationskatalysators bestimmt werden. Ein solches Kennfeld berücksichtigt insbesondere den während des stationären Betriebs der Brennkraftmaschine bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1,0 vorliegenden Grenzwert bzw. Referenzwert der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors und ist auf den speziellen Typ des Oxidationskatalysators abgestimmt.
Zweckmäßig wird die verfahrensgemäß erhaltene Sauerstoffspeicherkapazität des Oxidationskatalysators mit einem vorgegebenen typspezifischen Sollwert verglichen, um zu beurteilen, ob der Oxidationskatalysator noch aus reichend funktionsfähig ist oder ob der Oxidationskatalysator nicht mehr ausreichend funktionsfähig ist und ersetzt werden muss.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende Zeichnungsfigur näher erläutert. Die Fig. zeigt ein vereinfachtes Flußdiagramm des Verfahrens.
Das Flußdiagramm des Verfahrens sieht gemäß seinem ersten Verfahrensschritt I vor, dass nach einem ausreichend langen Schubbetrieb der Brennkraftmaschine die vollständige bzw. maximale Sauerstoffbeladung OS_Max des Oxidationskatalysators angenommen wird. Dieser maximalen Sauerstoffbeladung OS_Max wird ein entsprechender oberer Grenzwert S_G der Signalwerte S des Sauerstoffbeladungssensors zugeordnet, so dass bereits eine relative Aussage über die verbliebene Sauerstoffspeicherkapazität OSC vorliegt. Denn unterschreitet der obere Grenzwert S_G zum Beispiel einen vorgegebenen Mindestwert S_Min, so kann unmittelbar auf einen Defekt des Katalysators geschlossen werden.
Die Hälfte des oberen Grenzwertes S_G wird beim nächsten Schritt II einem Sauerstoffbeladungsgrad des Oxidationskatalysators von 50 % zugeordnet. Somit wird dann, wenn der Signalwert S des Sauerstoffbeladungssensors die Hälfte des oberen Grenzwertes S_G annimmt zunächst ein stationärer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ von 1,0 eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass der halbvolle Sauerstoffspeicher dann sowohl das Befüllen mit Sauerstoff wie auch das Entleeren von Sauerstoff gleichermaßen gut erlaubt.
Grundsätzlich wäre dabei auch ein anderer Referenzwert S_R des Sauerstoffbeladungssensors geeignet, der sinnvollerweise aber innerhalb eines Bereiches von 30 bis 70 % des Sauerstoffbeladungsgrades des Oxidationskatalysators liegen sollten.
Unter Bezug auf den hälftigen Grenzwert S_G der Signalwerte S oder den anderen Referenzwert S_R der Signalwerte S des Sauerstoffbeladungssensors wird beim stationären Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ von 1,0 die Last, die Drehzahl und die Kraftstoffzufuhr konstant gehalten, und wird in einem anschließenden Schritt III überprüft, ob der hälftige Grenzwert S_G oder der Referenzwert S_R des Sauerstoffbeladungssensors konstant bleibt. Denn nur dann wenn dieser Wert konstant bleibt, ist gewährleistet, dass die Brennkraftmaschine auch wirklich mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ von 1,0 betrieben wird.
Ausgehend von dem stationären Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ von 1,0 wird in einem weiteren Verfahrensschritt IV eine Variation der Last, der Drehzahl und/oder der Kraftstoffzufuhr vorgenommen, um das Luft/Kraftstoffverhältnis λ von bisher 1,0 um einen vorbestimmten Betrag von beispielsweise Δλ = 0,4 anzuheben oder abzusenken und den dazugehörigen Gradienten ΔS/Δt der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors zu erfassen.
Dies erfolgt beispielsweise, indem eine lediglich mit geringer Ungenauigkeit behaftete Variation der Kraftstoffzufuhr bzw. Kraftstoffeinspritzung erfolgt und nicht etwa eine mit größeren Ungenauigkeiten behaftete Variation der Betriebsgrößen Last und Drehzahl stattfindet.
Der Variation der Kraftstoffzufuhr ist eine bekannte Anhebung oder Absenkung des Luft/Kraftstoffverhältnisses λ zugeordnet, so dass die nun vorliegenden Signalwerte S des Sauerstoffbeladungssensors im Verfahrensschritt IV der Anhebung oder der Absenkung des Luft-Kraftstoffverhältnisses λ um Δλ folgen, wobei ihr Gradient ΔS/Δt eine stetige Funktion der Sauerstoffspeicherkapazität OSC des Oxidationskatalysators ist und bei einer großen Sauerstoffspeicherkapazität OSC klein ausfällt bzw. bei einer geringen Sauerstoffspeicherkapazität OSC groß ausfällt.
Der jeweils ermittelte Gradient ΔS/Δt der Signalwerte des Sauerstoffbeladungssensors wird im folgenden Schritt V über ein Kennfeld einer bestimm ten alterungsbedingten Sauerstoffspeicherkapazität OSC zugeordnet, wobei dieses Kennfeld insbesondere den Grenzwert S_G oder Referenzwert S_R der Sauerstoffbeladung sowie den Typ des Katalysators berücksichtigt.
Schließlich wird die so erhaltene Sauerstoffspeicherkapazität OSC gemäß dem letzten Verfahrensschritt VI mit einem vorgegebenen Sollwert OSC_R verglichen. Ist die Sauerstoffspeicherkapazität OSC größer als dieser Sollwert OSC_R, so ist der Oxidationskatalysator noch hinreichend funktionsfähig und ist die Sauerstoffspeicherkapazität OSC kleiner als dieser Sollwert OSC_R, so ist der Oxidationskatalysator der Brennkraftmaschine nicht mehr ausreichend funktionsfähig und muss ausgetauscht werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Oxidationskatalysators einer Brennkraftmaschine unter Verwendung der Signalwerte eines Sauerstoffbeladungssensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ) und des zeitlichen Gradienten (ΔS/Δt) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt I nach einem über eine gewisse Zeitdauer anhaltenden Schubbetrieb der Brennkraftmaschine das Erreichen der maximalen Sauerstoffbeladung (OS_Max) des Oxidationskatalysators angenommen wird und ein entsprechender oberer Grenzwert (S_G) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem optionalen Schritt der obere Grenzwert (S_G) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors zur Plausibilitätskontrolle mit einem vorgegebenen Mindestwert (S_Min) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nächsten Schritt II dann, wenn die Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors die Hälfte des oberen Grenzwertes (S_G) oder einen Referenzwert (S_R) annehmen, ein stationärer Betrieb der Brenn kraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) von 1,0 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem anschließenden Schritt III während des stationären Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) von 1,0 die Last, die Drehzahl sowie die Kraftstoffzufuhr konstant gehalten werden und überprüft wird, ob die Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors konstant bleiben bzw. ob der Gradient (ΔS/Δt) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors Null ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt IV ausgehend von dem stationären Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) von 1,0 eine genau definierte Variation der Last, der Drehzahl und/oder der Kraftstoffzufuhr vorgenommen wird, um das Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) von bisher 1,0 um einen vorbestimmten Betrag (Δλ) anzuheben oder abzusenken und um den Gradienten (ΔS/Δt) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem folgenden Schritt V aus dem alterungsabhängigen Gradienten (ΔS/Δt) der Signalwerte (S) des Sauerstoffbeladungssensors über ein Kennfeld die alterungsbedingte Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) des Oxidationskatalysators bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem letzten Schritt VI die erhaltene Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Oxidationskatalysators mit einem vorgegebenen Sollwert (OSC_R) verglichen wird.