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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
dynamischen Speicherfähigkeit
des Sauerstoffspeichers eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine.
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Für die Qualität der Konvertierung
der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffe, nämlich insbesondere
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) stellt
die Speicherfähigkeit
des Abgaskatalysators für Sauerstoff
eine charakteristische Größe dar.
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Die
stationäre
Speicherfähigkeit
des Sauerstoffspeichers eines Abgaskatalysators wird bestimmt, indem
der Sauerstoffspeicher zyklisch befüllt und entleert wird. Aus
der Zeitverzögerung
zwischen dem Signal einer ersten stromauf des Katalysators angeordneten
Lambdasonde und dem Signal einer zweiten stromab des Katalysators
angeordneten Lambdasonde sowie dem Abgasmassenstrom kann die von
dem Sauerstoffspeicher maximal aufgenommene bzw. abgegebene Sauerstoffmenge
errechnet werden. Bei der Bestimmung der stationären Speicherfähigkeit
des Sauerstoffspeichers wird jedoch nicht berücksichtigt, dass die dynamische
Speicherfähigkeit
je nach der Geschwindigkeit des Eintrags und/oder Austrags von Sauerstoff
in den Sauerstoffspeicher stark variiert. Denn bei einer zu hohen
Geschwindigkeit kann der stationäre
Sauerstoffspeicher nur zum Teil genutzt werden, so dass die Bestimmung
der stationären
Speicherfähigkeit
für die
Konvertierung keine allgemeingültige
Aussage zulässt.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Speicherfähigkeit
des Sauerstoffspeichers eines Abgaskatalysators bereitzustellen,
um eine wesentlich höhere
Aussagekraft bezüglich
der Konvertierung beim instationären
Betrieb und der Alterung des Abgaskatalysators zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß einer
ersten Alternative gelöst,
indem die dynamische Speicherfähigkeit
anhand der aus dem zeitlichen Verlauf des Spannungssignals einer
dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde ermittelten maximalen
Geschwindigkeit für
den Eintrag oder Austrag von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher
des Abgaskatalysators bestimmt wird. Denn sinkt die maximale Geschwindigkeit
des Eintrags- oder Austrags von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher
so sinkt auch die dynamische Speicherfähigkeit des Abgaskatalysators entsprechend.
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Zweckmäßig wird
die Ermittlung der maximalen Geschwindigkeit für den Eintrag und/oder Austrag
von Sauerstoff mittels einer Vermessung und Bewertung des durch
eine bei einem Schaltvorgang oder einem Schubbetrieb, das heißt bei einem
Magerbetrieb bzw. einer bei einem Volllastbetrieb, das heißt bei einem
Fettbetrieb hervorgerufene Störung, durch
einen darauffolgenden regulierenden Eintrag bzw. Austrag von Sauerstoff
also Mager- bzw. Fettbetrieb und durch einen anschließenden stöchiometrischen
Betrieb der Brennkraftmaschine ausgelösten zeitlichen Verlauf des
Spannungssignals der Lambdasonde durchgeführt. Denn auf diese Weise wird der
Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators durch die "Störung" komplett aufgefüllt bzw.
entleert, unmittelbar danach durch einen regulierenden Eintrag oder
Austrag von Sauerstoff wieder auf den Sollwert einer ca. 50 % Befüllung des
Sauerstoffspeichers zurückgeführt und
in diesem Zustand gehalten. Dabei ist der Verlauf des Spannungssignals
der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde von der jeweiligen
Geschwindigkeit für
den regulierenden Eintrag oder Austrag von Sauerstoff und der dynamischen
Speicherfähigkeit
für Sauerstoff
abhängig.
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So
wird im ersten Fall, wobei sich das Spannungssignal der Lambdasonde
nach der "Störung" schnell an den stromauf
des Abgaskatalysators vorherrschenden stöchiometrischen Lambdawert =
1,0 annähert
und dabei nicht überschwingt,
bei der Regulierung des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff auf
eine optimale das heißt
maximale Geschwindigkeit und auf eine korrekte Menge für den Eintrag und/oder
Austrag von Sauerstoff geschlossen.
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Im
zweiten Fall, wobei sich das Spannungssignal sehr langsam bzw. nur
asymptotisch an den stromauf des Abgaskatalysators vorherrschenden stöchiometrischen
Lambdawert = 1,0 annähert,
wird bei der Regulierung des Eintrags oder Austrags auf eine zu
geringe Geschwindigkeit und eine korrekte oder sogar zu kleine Menge
für den
Eintrag und/oder Austrag von Sauerstoff geschlossen.
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Und
im dritten Fall, wobei sich das Spannungssignal sehr schnell an
den stromauf des Abgaskatalysators vorherrschenden stöchiometrischen Lambdawert
= 1,0 annähert
und dann auch überschwingt
bzw. überschwingt
und anschließend
wieder unterschwingt, d.h. über
den Sollwert einer 50 % Befüllung
des Sauerstoffspeichers hinausgeht, wird auf eine zu große Geschwindigkeit
und auf eine korrekte oder zu kleine Menge für den Eintrag und/oder Austrag
von Sauerstoff geschlossen.
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Zudem
kann die maximale Geschwindigkeit des Eintrags und/oder Austrags
von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators auch
auf andere Art und Weise ermittelt werden.
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Die
Ermittlung kann durch den Eintrag und/oder Austrag von Sauerstoff
mit variierenden Geschwindigkeiten, anschließendem stöchiometrischen Betrieb der
Brennkraftmaschine und einer Überwachung
des sich an den Eintrag bzw. Austrag anschließenden konstanten Verlaufs
des Spannungssignals der Lambdasonde durchgeführt werden. Denn dann wenn
sich im Anschluss an den Eintrag oder Austrag von Sauerstoff in
den Sauerstoffspeicher auch stromab des Abgaskatalysators möglichst
schnell und ohne Überschwingen über den Sollwert
einer 50 % Befüllung
des Sauerstoffspeichers ein ebenfalls stöchiometrischer Lambdawert einstellt,
kann die bei der Variation gewählte
Geschwindigkeit des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff als maximale
Geschwindigkeit angenommen werden.
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Für die Variation
der Geschwindigkeit wird die den Abgaskatalysator beaufschlagende
Abgasmasse und/oder der Schadstoffanteil in der Abgasmasse definiert
verändert.
Denn mit einem Anstieg der Abgasmasse und/oder des Schadstoffanteils nimmt
auch die Geschwindigkeit des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff
in den Sauerstoffspeicher bzw. die bei der Konvertierung der Schadstoffe
Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxide erforderliche Umsetzungsgeschwindigkeit
zu.
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Außerdem kann
die Ermittlung durch eine Variation der Zwangsmodulation des der
Brennkraftmaschine zugeführten
Luft/Kraftstoffgemischs und eine Überwachung des sich an die
Zwangsmodulation anschließenden
stark ansteigenden oder stark abfallenden Verlaufs des Spannungssignals
der Lambdasonde erfolgen. Für
die Variation der Zwangsmodulation wird zum Beispiel die Abgasmasse
angehoben, so dass der Abgaskatalysator dann auch mit einer entsprechend
erhöhten
Geschwindigkeit des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff beaufschlagt wird.
Zeigt das Spannungssignal der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten
Lambdasonde bei der Variation der Zwangsmodulation einen Mager-
oder Fettdurchbruch, so ist die gewählte Geschwindigkeit des Eintrags
bzw. Austrags von Sauerstoff zu hoch bzw. die maximale Geschwindigkeit
liegt darunter.
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Die
Aufgabe wird gemäß einer
zweiten Alternative gelöst,
indem die dynamische Speicherfähigkeit
anhand der aus dem – auf
den zwangsmodulierten Befüllungsgrad
des Sauerstoffspeichers bezogenen – Verlauf des Spannungssignals
für den
Eintrag von Sauerstoff und dem Verlauf des Spannungssignals für den Austrag
von Sauerstoff einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde
ermittelten Hysterese bestimmt wird. Denn in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
des Eintrags und des Austrags von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher beschreibt
das Spannungssignal eine Hysterese, welche sich mit zunehmender
Geschwindigkeit des Eintrags und Austrags vergrößert.
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Die
dynamische Speicherfähigkeit
als eine Funktion der Breite des für eine günstige Abgaskonvertierung nutzbaren
Flächenbereichs
der Hysterese bestimmt werden. Denn bei einer kleinen Hysterese ist
der für
den Eintrag und Austrag von Sauerstoff nutzbare Sauerstoffspeicher
des Abgaskatalysators groß und
bei einer großen
Hysterese ist der für
den Eintrag und Austrag von Sauerstoff nutzbare Sauerstoffspeicher
entsprechend klein.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungsfiguren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem in ihrem
Abgasstrang angeordneten Abgaskatalysator und einer Lambdasonde;
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2a und 2b Darstellungen
der dynamischen Speicherfähigkeit
des Sauerstoffspeichers eines neuen und eines alten Abgaskatalysators über der
Geschwindigkeit des Eintrags bzw. Austrags von Sauerstoff in den
Sauerstoffspeicher und über
der Abgasmasse;
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3 ein
Diagramm des Lambdawertes vor dem Abgaskatalysator und dem Verlauf
des Spannungssignals der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde über der
Zeit; und
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4 ein
Diagramm des Verlaufs des Spannungssignals der dem Abgaskatalysator
nachgeschalteten Lambdasonde über
dem Befüllungsgrad des
Sauerstoffspeichers.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 1 mit einem in ihrem Abgasstrang 2 angeordneten
Abgaskatalysator 3 und einer dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten
Lambdasonde 4 gezeigt.
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Zusätzlich zu
der dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 4,
welche als Führungssonde
dient, ist optional auch eine dem Abgaskatalysator 3 vorgeschaltete
Lambdasonde 5 vorgesehen, welche als Regelsonde dient.
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Der
Abgaskatalysator 3 weist einen Sauerstoffspeicher 6 auf,
welcher in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit Sauerstoff (O2) befällt
ist. Dabei besitzt der Sauerstoffspeicher 6 eine stationäre Speicherfähigkeit
OSCsta sowie eine dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn.
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Die
stationäre
Speicherfähigkeit
OSCsta des Sauerstoffspeichers 6 wird
im stationären
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 bestimmt und gibt nur
eingeschränkt
Aufschluss über
die absolute bzw. die dynamische Konvertierung und über die
Alterung des Abgaskatalysators 3. Für eine hinreichend gute Abschätzung der
dynamischen Konvertierung und der Alterung ist daher auch die Kenntnis
der dynamischen Speicherfähigkeit
OSCdyn des Sauerstoffspeichers 6 erforderlich.
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Die
dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn des Sauerstoffspeichers 6 kann
nur im instationären Betrieb
der Brennkraftmaschine 1 bestimmt werden.
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Aus 2a und 2b geht
hervor, dass die dynamische Speicherfähigkeit OSCdyn,
also die Fähigkeit
Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher 6 einzutra gen oder
auszutragen sowohl von der Abgasmasse m, von der Geschwindigkeit
Vein/Vaus des Eintrags
und/oder Austrags von Sauerstoff und der Alterung beeinflusst wird.
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Denn
bei einer großen
Abgasmasse m ist es für
den Sauerstoffspeicher 6 schwieriger den für eine optimale
Konvertierung des Abgases erforderlichen Eintrag oder Austrag von
Sauerstoff zu leisten als bei einer kleinen Abgasmasse m.
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Ebenso
ist es für
den Sauerstoffspeicher 6 schwieriger eine hohe Geschwindigkeit
Vein/Vaus des Eintrags
oder Austrags von Sauerstoff zu ermöglichen als eine geringe Geschwindigkeit
Vein/Vaus des Eintrags
oder Austrags von Sauerstoff.
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Um
die Abhängigkeit
der dynamischen Speicherfähigkeit
OSCdyn von der Alterung zu veranschaulichen,
zeigt 2a die dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn für
einen neuen Abgaskatalysator 3 und 2b die
dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn für
einen alten Abgaskatalysator 3. Der Vergleich dieser beiden 2a und 2b macht
deutlich, dass sich die dynamische Speicherfähigkeit OSCdyn mit
der Alterung drastisch reduziert.
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In 3 ist
der Verlauf des Lambdasignals λ vor
dem Abgaskatalysator 3, wie es von der dem Abgaskatalysator 3 vorgeschalteten
Lambdasonde 5 gemessen wird und der Verlauf des Spannungssignals
Uλnach der
dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 4 über der
Zeit T gezeigt. Im dargestellten Beispiel liegt das Lambdasignal λ zunächst bei
1,0 wird dann zum Zeitpunkt T1 durch eine Störung, wie zum Beispiel einen
Schubbetrieb gegen unendlich ansteigen und fällt dann zum Zeitpunkt T2 auf einen
fetten Wert von ca. 0,8 und wird zum Zeitpunkt T3 schließlich wieder
auf 1,0 angehoben. Somit wird der Sauerstoffspeicher 6 durch
den Schubbetrieb vollständig
mit Sauerstoff befüllt,
durch ein Ausräumen
des Sauerstoffs auf einen Sollwert von ca. 50 % der Befüllung reguliert
und schließlich
konstant gehalten.
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Das
Ausräumen
des Sauerstoffs könnte auch
durch andere Lambdawerte, zum Beispiel 0,9 statt 0,8 und über unterschiedlich
lange Zeitdauern, zum Beispiel von T2 bis T4 statt von T2 bis T3
erfolgen, wobei die ausgeräumte
Menge an Sauerstoff dann der Größe der in 3 schraffierten
Fläche
B statt A entspricht. Die jeweils für das Ausräumen gewählten Parameter Lambdawert
und Zeitdauer beeinflussen die Geschwindigkeit Vaus des
Austrags von Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher 6 entsprechend.
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Erfolgt
das Ausräumen
des Sauerstoffspeichers 6 gemäß der Linie 1 dabei
schnell und ohne ein Überschwingen
des Spannungssignals Uλnach über die einer 50 % Befüllung des
Sauerstoffspeichers 6 entsprechenden Spannung Uλnach von
ca. 0,61 Volt, so entspricht die Geschwindigkeit Vaus des
Austrags von Sauerstoff der für
den Abgaskatalysator 3 maximal möglichen Geschwindigkeit Vmax und ist auch die ausgeräumte Menge
an Sauerstoff korrekt bemessen.
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Folgt
das Spannungssignal Uλnach der dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten
Lambdasonde 4 hingegen der Linie II, das heißt nähert es
sich nur langsam und asymptotisch dem Lambdasignal λ der anderen
Lambdasonde 5, so ist die Geschwindigkeit Vaus des
Austrags von Sauerstoff kleiner als die maximale Geschwindigkeit
Vmax und ist die ausgeräumte Menge an Sauerstoff korrekt
bemessen.
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Ein
Verlauf des Spannungssignals Uλnach gemäß der Linien
III und IV zeigt, dass die Geschwindigkeit Vaus des
Austrags von Sauerstoff zu groß ist also
größer als
die maximale Geschwindigkeit Vmax ist, wobei
bei Linie III die ausgeräumte
Menge an Sauerstoff korrekt bemessen ist, während bei Linie IV die ausgeräumte Menge
an Sauerstoff zu klein bemessen ist.
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Anhand
des zeitlichen Verlaufs des Spannungssignals Uλnach der
Lambdasonde 4 kann also die maximale Geschwindigkeit Vmax des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff
bzw. die dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn des Abgaskatalysators 3 bestimmt
werden.
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Die
dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn des Abgaskatalysators 3 kann
gemäß der zweiten
Alternative auch mittels des Verlaufs des Spannungssignals Uλnach/ein) für den Eintrag
von Sauerstoff und des Verlaufs des Spannungssignals Uλnach/aus) für den Austrag
von Sauerstoff über
dem Befüllungsgrad
des Sauerstoffspeichers 6 bestimmt werden.
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Dazu
wird gemäß 4 mit
einer konstanten ersten Geschwindigkeit Vein/Vaus bzw. mit einer konstanten zweiten Geschwindigkeit
Vein'/Vaus' zwangsweise
Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher 6 des Abgaskatalysators 3 eingetragen
und wieder ausgetragen bzw. ausgetragen und wieder eingetragen.
In Abhängigkeit
von der Größe der Geschwindigkeit
Vein/Vaus bzw. Vein'/Vaus' zeigt
sich bei der Darstellung der Spannungssignale Uλnach(ein) und
Uλnach/aus) über dem Befüllungsgrad
des Sauerstoffspeichers 6 eine Hysterese H bzw. H'. Dabei gilt, dass
bei einer großen Geschwindigkeit
Vein/Vaus die Hysterese
N groß ist, bei
einer klein Geschwindigkeit Vein'/Vaus' die Hysterese
H' klein ist und
bei einer sehr langsamen Geschwindigkeit Vein''/Vaus'' schließlich keine Hysterese mehr
auftritt. Eine große
Hysterese H bedeutet eine geringe nutzbare dynamische Speicherfähigkeit OSCdyn und eine kleine Hysterese H bedeutet
eine große
dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn. Dies zeigt sich anhand der für eine günstige Abgaskonvertierung,
d.h. für
ein Spannungssignal Uλnach(ein) bzw. Uλnach(aus) der
Lambdasonde zwischen ca. 0,6 und 0,7 Millivolt liegenden Flächenbereiches
C bzw. D der Hysterese H bzw. H',
wobei die dynamische Speicherfähigkeit
OSCdyn des Abgaskatalysators 3 als eine
Funktion der auf den Befüllungsgrad
des Sauerstoffspeichers 6 bezogenen Breite des Flächenbereichs
C bzw. D bestimmt werden kann. Denn die Höhe dieses Flächenbereiches
C bzw. D ist durch den zulässigen
Bereich des Spannungssignals von 0,6 bis 0,7 Millivolt vorgegeben,
so dass nur die Breite dieses Flächenbereiches
C bzw. D den dynamisch nutzbaren Anteil des Sauerstoffspeichers 6 angibt.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Abgaskatalysator
- 4
- Lambdasonde
nach 3
- 5
- optionale
Lambdasonde vor 3
- 6
- Sauerstoffspeicher
- OSCsta
- stationäre Speicherfähigkeit
- OSCdyn
- dynamische
Speicherfähigkeit
- m
- Abgasmasse
- Vein/Vaus
- Geschwindigkeit
des Eintrags oder Austrags von Sauerstoff
- Vmax
- aktuelle
maximale Geschwindigkeit des Eintrags bzw. Aus
-
- trags
von Sauerstoff
- Vneu
- im
Neuzustand des Katalysators maximale Geschwindigkeit
-
- des
Eintrag bzw. Austrags von Sauerstoff
- λ
- Lambdasignal
von 5
- Uλnach
- Spannungssignal
von 4