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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
und einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Eine
Möglichkeit
zur Katalysator-Diagnose beruht auf der Ermittlung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit
des Katalysators. Die Verminderung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit
wird als Maß für den Rückgang der
Konvertierungsfähigkeit
des Katalysators bewertet. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit
eines Katalysators kann dadurch ermittelt werden, dass die Luftzahl
Lambda im Abgas stromaufwärts
vor dem Katalysator einer zyklischen Änderung und den Wert 1,0 herum
unterworfen und das stromabwärts
nach dem Katalysator gemessene Lambdasignal mit dem stromaufwärts vorgegebenen
Lambdawerten verglichen wird. Bei einer hohen Sauerstoff-Speicherfähigkeit
kann der im Katalysator gespeicherte Sauerstoff bei vorgegebenen
Lambdawerten kleiner 1 die oxidierbaren Abgas-Bestandteile weitgehend oxidieren und
bei vorgegebenen Lambdawerten größer 1 das Sauerstoff-Überangebot
weitgehend einlagern. Die messbaren Lambdaschwankungen stromabwärts nach
dem Katalysator sind vergleichsweise gering, wenn der Katalysator
eine hohe Sauerstoff-Speicherfähigkeit
aufweist und demzufolge in Ordnung ist.
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Eine
technische Umsetzung des beschriebenen Verfahrens ist beispielsweise
in der
DE 41 12 478
A1 beschrieben, die eine Anordnung eines Sprung-Lambdasensors
stromaufwärts
vor dem Katalysator und eines Sprung-Lambdasensors stromabwärts nach
dem Katalysa tor vorsieht. Zunächst wird
untersucht, ob bei einer Lambda-Regelschwingung vor dem Katalysator
von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert nach dem Katalysator
einen entsprechenden Übergang
zeigt. Wenn dies der Fall ist, kann davon ausgegangen werden, dass
der Sauerstoffspeicher des Katalysators entweder vollständig gefüllt oder
geleert ist, sodass ein definierter Ausgangszustand vorliegt. Danach
wird der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom ermittelt.
Dann werden das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom
und einem Term mit dem Lambdawert vor dem Katalysator und das zeitliche Integral
des Produktes aus Gasmassenstrom und einem Term mit dem Lambdawert
nach dem Katalysator berechnet. Als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
wird entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen oder
der Quotient aus den beiden Integralen oder der Quotient aus der
Differenz und einem der beiden Integrale verwendet.
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Aus
der
DE 102 57 059
A1 sind ein gattungsgemäßes Verfahren
und eine gattungsgemäße Vorrichtung
bekannt geworden, die eine Diagnose von Katalysatoren vorsehen,
welche in mehreren (Anzahl N) Abgassträngen einer Brennkraftmaschine
angeordnet sind. Stromabwärts
nach der Vereinigung der N-Abgasstränge ist ein Lambdasensor angeordnet, dessen
Signal mit den stromaufwärts
vor den Katalysatoren jeweils auftretenden Lambdawerten verglichen
wird. Die Diagnose beruht auch hier auf der Bewertung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit
der Katalysatoren. Als Lambdasensoren kommen beispielsweise Breitband-Lambdasensoren
zum Einsatz.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens anzugeben, die eine zuverlässige Katalysatordiagnose ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale jeweils gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
geht davon aus, dass im Abgasbereich der Brennkraftmaschine wenigstens
ein Katalysator und stromabwärts nach
dem Katalysator oder stromabwärts
nach einem Teilstück
des Katalysators ein Lambdasensor angeordnet sind. Durchgeführt wird
eine Katalysator-Diagnose, die auf der Bewertung zumindest eines Maßes für die Sauerstoff-Speicherfähigkeit
des Katalysators/in Katalysator beruht. Ausgegangen wird von einem
wenigstens näherungsweise
geleerten/gefüllten
Sauerstoffspeicher des Katalysators. Anschließend erfolgt eine Änderung
des Lambda-Sollwerts der Brennkraftmaschine auf eine Luftzahl Lambda
größer 1/kleiner
1. Erfindungsgemäß wird zunächst eine
erste Änderung
eines Lambdasignals festgestellt, das ein stromabwärts nach
dem Katalysator oder stromabwärts
nach einem Teilstück des
Katalysators angeordneter Lambdasensor bereitstellt, der als Breitband-Lambdasensor
ausgestaltet ist. Ermittelt wird ein Maß für den nach der ersten Änderung
des Lambdasignals eingetragenen/ausgetragenen Sauerstoff. Die Ermittlung
des eingetragenen/ausgetragenen Sauerstoffs wird beendet, wenn entweder
eine zweite Änderung
des Lambdasignals festgestellt wird oder wenn das Maß an Sauerstoff
einen Schwellenwert übersteigt.
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Durch
den Einsatz eines Breitband-Lambdasensors ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine
vergleichsweise hohe Genauigkeit bei der Ermittlung wenigstens eines
Maßes
für die
Sauerstoff-Speicherfähigkeit
des Katalysators, die als ein Maß für den Alterungszustand des
Katalysators herangezogen werden kann. Eine hohe Sauerstoff-Speicherfähigkeit
entspricht einem guten Katalysator.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann sowohl auf den in den Katalysator eingetragenen Sauerstoff
als auch aus auf den ausgetragenen Sauerstoff abgestellt werden.
Vergleichbar mit dem Austrag des Sauerstoffs ist der Eintrag eines
Reduktionsmittels, beispielsweise Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid,
das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einer Luftzahl
Lambda kleiner 1 entsteht. Da das Eintragen/Austragen des Sauerstoffs
in/aus dem Katalysator eine Gleichgewichtsreaktion ist, wird in
einem Übergangsbereich
nicht sämtlicher
zugeführter Sauerstoff
eingetragen/ausgetragen. Wegen der Kinetik des Eintragens/Austragens
und aufgrund von Diffusionsvorgängen
wird der Verlauf der Sauerstoff-Konzentration stromabwärts nach
dem Katalysator zeitlich verschliffen. Es entsteht der Übergangsbereich.
Ein Sauerstoffüberschuss/Sauerstoffmangel tritt
stromabwärts
nach dem Katalysator auf bevor die maximale Sauerstoff-Speicherfähigkeit
ausgeschöpft/sämtlicher
eingespeicherter Sauerstoff reduziert ist.
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Die
Ermittlung wenigstens eines Maßes
für den
eingetragenen/ausgetragenen Sauerstoff, die nach einer festgestellten
ersten Änderung
des Lambdasignals beginnt, wird entweder beendet, wenn eine zweite Änderung
des Lambdasignals festgestellt wird oder wenn das Maß an eingetragenem/ausgetragenem
Sauerstoff einen Schwellenwert überschreitet. Die Katalysator-Diagnose
kann demnach vorzeitig ohne das Abwarten der zweiten Änderung
beendet werden, wenn eine ausreichend gute Sauerstoff-Speicherfähigkeit
des Katalysators bereits feststeht. Wenn als zweites Kriterium die
zweite Änderung
des Lambdasignals zum Beenden der Ermittlung des Maßes für den eingetragenen/ausgetragenen
Sauerstoff zum Tragen kommt, kann ein vergleichsweise genaues Maß für die verbleibende
Sauerstoff-Speicherfähigkeit
bereitgestellt werden. Durch Vergleich mit einem vorgegebenen Speicherfähigkeits-Schwellenwert
kann dann entschieden werden, ob der Katalysator gegebenenfalls
ausgetauscht werden muss.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine kann die Katalysator-Diagnose
gezielt durchführen
durch eine entsprechende Beeinflussung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine
zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches, um die
Ausgangsbedingung und die anschließende Änderung der Luftzahl Lambda
vorzugeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann die Katalysator-Diagnose jedoch auch im Rahmen des normalen
Betriebs der Brennkraftmaschine durchführen, sofern sowohl die Ausgangsbedingung,
dass ein vollständig
geleerter/gefüllter
Sauerstoffspeicher des Katalysators im Rahmen des normalen Betriebs
vorliegt und dass weiterhin im Rahmen des normalen Betriebs eine Änderung
der Luftzahl Lambda auf einen Wert größer 1/kleiner 1 vorgenommen
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Änderung des Lambdasignals aus
dem Gradienten des Lambdasignals ermittelt wird. Der Gradient des Lambdasignals,
der vorzugsweise als Differenzenquotient angenähert wird, kann beispielsweise
in vorgegebenen zeitlichen Abständen
laufend ermittelt werden. Ein Erkennen der Änderung kann beispielsweise
darauf gestützt
werden, dass der Gradient einen vorgegebenen Gradienten-Schwellenwert überschreiten
muss. Vorzugsweise wird zusätzlich
eine Mindestzeit vorgesehen, während
welcher der Gradienten-Schwellenwert überschritten sein muss. Eine zusätzliche
oder alternative Erkennung der Änderung sieht
vor, dass der Gradient ein Maximum aufweisen muss. Weiterhin kann
zusätzlich
oder alternativ vorgesehen sein, dass die Änderung dann als erkannt gilt,
wenn der Gradient zunächst
ein Maximum aufweist und bei der anschließenden Abnahme einen Gradienten-Schwellenwert
unterschreitet.
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Eine
Ausgestaltung sieht eine Tiefpass-Filterung des Lambdasignals vor,
um Störsignale
und rasche Änderungen
des Lambdasignals aufgrund von dynamischen Vorgängen bei der Ermittlung der Änderung
auszublenden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoff aus einem Integral über der
Zeit ermittelt wird, das von einem Verbrennungslambda und von dem von
einer Lufterfassung, welche die der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft
erfasst, bereitgestellten Luftsignal abhängt. Durch die Berücksichtigung
der Verbrennungsluft und der Durchführung der Integration wird
die eingetragene/ausgetragene Sauerstoffmasse ermittelt. Eine weitergehende Ausgestaltung
sieht vor, dass das Luftsignal und gegebenenfalls das Verbrennungslambda
für eine
Verzögerungszeit
zwischengespeichert werden, die wenigstens näherungsweise der Gaslaufzeit
im Katalysator bis zum Erreichen des Breitband-Lambdasensors entspricht. Mit dieser
Maßnahme
wirkt sich ein instationärer
Betriebszustand der Brennkraftmaschine während der Katalysator-Diagnose
nur in geringem Maße
auf das Diagnoseergebnis aus.
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Eine
Ausgestaltung sieht eine Konditionierung des Katalysators vor der
Katalysator-Diagnose dadurch
vor, dass das für
die Brennkraftmaschine vorgegebene Verbrennungslambda auf einen
Wert größer 1/kleiner
1 festgelegt wird, sodass der Sauerstoffspeicher des Katalysators
wenigstens näherungsweise
vollständig
gefüllt/geleert
wird. Die Vorgabe des Verbrennungslambdas auf einen Wert größer 1 kann
entfallen, wenn die Katalysator-Diagnose nach einer Schubabschaltungsphase
der Brennkraftmaschine durchgeführt
wird, die zumindest solange andauert, bis der Sauerstoffspeicher
wenigstens näherungsweise
gefüllt
ist.
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Eine
Ausgestaltung sieht die Bewertung des eingetragenen/ausgetragenen
Sauerstoffs in Abhängigkeit
von der Katalysatortemperatur und/oder vom Abgas-Massenstrom vor.
Mit dieser Maßnahme
kann der Schwellenwert für
den Vergleich des Maßes
der Katalysator-Speicherfähigkeit
in Abhängigkeit
von Katalysator-Betriebsbedingungen festgelegt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens betrifft zunächst
ein Steuergerät,
das zur Durchführung
des Verfahrens hergerichtet ist.
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Das
Steuergerät
enthält
insbesondere eine Diagnosesteuerung, die den Lambda-Sollwert verändert, eine Änderungs-Ermittlung
zur Verarbeitung des vom Breitband-Lambdasensor bereitgestellten Lambdasignals
und einen Integrator zum Ermitteln eines Maßes für den eingetragenen/ausgetragenen Sauerstoff.
Das Steuergerät
enthält
vorzugsweise wenigstens einen elektrischen Speicher, in dem die Verfahrensschritte
als Computerprogramm abgelegt sind.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt
ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren
abläuft, 2a–2e zeigen
Konzentrationsverläufe
in Abhängigkeit
vom Ort und 3 zeigt einen Signalverlauf
eines stromabwärts
nach einem Katalysator auftretenden Lambdasignals in Abhängigkeit
von der Zeit.
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1 zeigt
der eine Brennkraftmaschine 10, in deren Ansaugbereich 11 eine
Lufterfassung 12 und in deren Abgasbereich 13 ein
Abgas-Temperatursensor 14, ein Katalysator 15 sowie
stromabwärts
nach dem Katalysator 15 ein Lambdasensor 16 angeordnet
sind. Der Katalysator 15 weist einen Katalysator-Eingang
Kat_Ein sowie einen Katalysator-Ausgang
Kat_Aus auf.
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Die
Lufterfassung 12 gibt an ein Steuergerät 20 ein Luftsignal
msL, die Brennkraftmaschine 10 eine Drehzahl n, der Abgas-Temperatursensor 14 ein Abgas-Temperatursignal
Tabg und der Lambdasensor 16 ein Lambdasignal lam_nK ab.
Das Steuergerät 20 gibt
an eine Kraftstoff-Zumessvorrichtung 21 ein Kraftstoffsignal
mK ab. Im Abgasbereich 13 tritt ein Abgas-Massenstrom msabg
auf.
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Das
Luftsignal msL wird weiterhin einer Schubabschaltungs-Steuerung 30,
einer Zeitverzögerung 31 und
einer Schwellenwert-Festlegung 32 zur Verfügung gestellt.
Die Schu babschaltungs-Steuerung 30 stellt einer Diagnosesteuerung 33 ein
Schubabschaltungs-Signal 34 zur
Verfügung.
Die Zeitverzögerung 31 gibt
an einen Integrator 35 ein verzögertes Luftsignal msL_d ab.
Die Schwellenwert-Festlegung 32 stellt einem Vergleichen 36 einen
ersten und zweiten Schwellenwert 37, 38 zur Verfügung. Die Drehzahl
n wird der Schubabschaltungs-Steuerung 30 und der Schwellenwert-Festlegung 32 zur
Verfügung
gestellt.
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Die
Diagnosesteuerung 33 gibt an die Schwellenwert-Festlegung 32 ein
erstes Diagnose-Steuersignal 39,
an eine Änderungs-Ermittlung 40 ein
zweites Diagnose-Steuersignal 41 und an eine Lambdavorgabe 42 ein
Diagnose-Lambda lam_D ab. Das Diagnose-Lambda lam_D wird weiterhin der Zeitverzögerung 31 zugeführt, die
ein verzögertes Lambdasignal
lam_d ausgibt und dem Integrator 35 zur Verfügung stellt.
Der Diagnosesteuerung 33 wird ein vom Vergleicher 36 bereitgestelltes
Diagnose-Stoppsignal 43 zugeführt.
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Der
Lambdavorgabe 42 wird neben dem Diagnose-Lambda lam_D ein
Nennbetriebs-Lambda lam_N
zugeführt.
Die Lambdavorgabe 42 gibt einen Lambdasollwert lam_S an
einen Lambdaregler 50 ab, der das Kraftstoffsignal mK bereitstellt.
Das vom Lambdasensor 16 bereitgestellte Lambdasignal lam_nK
wird neben dem Lambdaregler 50 einem Tiefpassfilter 51 zugeleitet.
Dem Lambdaregler 50 wird weiterhin ein Lambdasignal lam_vK
zur Verfügung
gestellt, das die Luftzahl Lambda im Abgas stromaufwärts vor
dem Katalysator 15 widerspiegelt.
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Das
vom Tiefpassfilter 51 bereitgestellte gefilterte Lambdasignal
lam_nKF gelangt zur Änderungs-Ermittlung 40.
Der Integrator 35 stellt das Integrationsergebnis 52 dem
Vergleicher 36 zur Verfügung,
der ein Fehlersignal F abgibt.
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Die 2a–2e zeigen
Signalverläufe
in Abhängigkeit
vom Ort x. Gezeigt sind die Sauerstoffkonzentration %O2 sowie eine
Reagenzmittel-Konzentration %Rea. 2a zeigt
die Situation an einem ersten Ort x1, nachdem ein Fett-Mager-Sprung
aufgetreten ist, nach welchem eine hohe Sauerstoff-Konzentration
%O2 und eine niedrige Reagenzmittel-Konzentration %Rea vorliegen. 2b zeigt die
Situation zu einem späteren
Zeitpunkt, bei dem die Konzentrationsänderungen an einem zweiten
Ort x2 vorliegen. 2c zeigt die Situation, bei
der sich die Konzentrationen %O2, %Rea stromabwärts nach dem Katalysator-Eingang
Kat_Ein ändern,
wobei ein erster Übergansbereich
x10 auftritt, in welchem sich die Sauerstoff-Konzentration %O2 nur
wenig ändert. 2d zeigt
die Situation zu einem späteren
Zeitpunkt, bei dem sich die Konzentrationen %O2, %Rea innerhalb
des Katalysators 15 ändern.
Es tritt ein zweiter Übergangsbereich
x20 auf, der gegenüber dem
ersten Übergangsbereich
x10 eine größere Ausdehnung
aufweist. 2e zeigt die Situation, bei
der sich die Konzentrationen %O2, %Rea weitgehend nach dem Katalysator-Ausgang
Kat_Aus ändern.
Es tritt ein dritter Übergangsbereich
x30 auf, der wiederum gegenüber
dem zweiten Übergangsbereich
x20 eine größere Ausdehnung
aufweist.
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3 zeigt
das Lambdasignal lam_nK in Abhängigkeit
von der Zeit t. Bis zu einem ersten Zeitpunkt t1 soll das Lambda
bei 0,97 liegen. Zwischen dem ersten und einem zweiten Zeitpunkt
t2 tritt eine erste Änderung 60 des
Lambdasignals lam_nK auf. Zu einem dritten Zeitpunkt t3 weist das
Lambdasignal lam_nK wenigstens näherungsweise
ein Plateau 61 auf, bei dem das Lambda wenigstens näherungsweise
bei 1 liegt. Zu einem vierten Zeitpunkt t4 beginnt eine zweite Änderung 62 des
Lambdasignals lam_nK, die zu einem fünften Zeitpunkt t5 beendet ist.
Nach dem fünften
Zeitpunkt t5 soll das Lambda bei 1,03 liegen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
arbeitet folgendermaßen:
Der
Lambdasensor 16 ist als Breitband-Lambdasensor ausgebildet,
der eine in einem weiten Bereich liegende Luftzahl Lambda erfassen
kann, die beispielsweise zwischen 0,7 und 4,0 liegt. Der Lambdasensor 16 ist
stromabwärts
nach dem wenigstens einen Katalysator 15 angeordnet. Bei
größeren Katalysatoren kann
der Lambdasensor 16 auch stromabwärts nach einem Teilvolumen
des Katalysators angeordnet sein. Das vom Lambdasensor 16 bereitgestellte Lambdasignal
lam_nK kann nicht nur zur Diagnose, sondern auch zur Regelung des
Verbrennungslambdas herangezogen werden. Das Lambdasignal lam_nK
wird deshalb nicht nur dem Tiefpassfilter 51, sondern auch
dem Lambdaregler 50 zur Verfügung gestellt, der das Kraftstoffsignal
mK in Abhängigkeit vom
Lambdasignal lam_nK beeinflussen kann. Gegebenenfalls kann ein stromaufwärts vor
dem Katalysator 15 von einem nicht näher gezeigten Lambdasensor
gemessenes Lambdasignal lam_vK berücksichtigt werden, das dem
Lambdaregler 50 zugeführt wird.
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Der
Lambdaregler 50 versucht, ein Verbrennungslambda einzuregeln,
das dem Lambda-Sollwert
lam_S entspricht, der von der Lambdavorgabe 42 vorgegeben
wird. Der Lamb da-Sollwert lam_S entspricht im normalen Betrieb der
Brennkraftmaschine 10 dem Nennbetriebs-Lambda lam_N. Anstelle
des Lambdareglers 50 kann eine Steuerung vorgesehen sein.
Weiterhin ist das Lambdasignal lam_vK, welches die Luftzahl Lambda
im Abgas stromaufwärts
vor dem Katalysator 15 widerspiegelt, nicht erforderlich.
Stattdessen kann das stromabwärts
nach dem Katalysator 15 erfasste Lambdasignal lam_nK herangezogen
werden.
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Die
Diagnosesteuerung 33 kann zur Durchführung der Katalysator-Diagnose
das Diagnose-Lambda lam_D vorschreiben, das die Lambdavorgabe 42 als
Lambda-Sollwert lam_S bereitstellen soll. Die Diagnose wird dadurch
vorbereitet, dass der Sauerstoffspeicher des Katalysators 15 entweder wenigstens
näherungsweise
vollständig
gefüllt
oder geleert wird. Bei dem in den 2a–2e gezeigten
Verhältnissen
wird von einem Fett-Mager-Sprung zu
Beginn der Diagnose ausgegangen, bei dem die Sauerstoff-Konzentration %O2
von einem niedrigen auf einen hohen Wert geändert wird. Durch die Veränderung
des Brennkraftmaschinen-Lambdas von einem fetten zu einem mageren
Wert ändert
sich entsprechend die Reagenzmittel-Konzentration %Rea von einem
hohen auf einen niedrigen Wert. Damit die Diagnose durchgeführt werden
kann, muss der Katalysator 15 deshalb vorab zunächst mit
einer niedrigen Sauerstoff-Konzentration %O2 solange beaufschlagt werden,
bis der Sauerstoffspeicher wenigstens näherungsweise geleert ist.
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Alternativ
kann von einem wenigstens näherungsweise
vollständig
gefüllten
Sauerstoffspeicher des Katalysators 15 ausgegangen werden,
bei dem der Katalysator 15 zunächst mit einer hohen Sauerstoff-Konzentration
%O2 zu beaufschlagen ist. Dieser Betriebszustand liegt bei einer
ausreichend langen Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine 10 bereits
vor.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, dass die Schubabschaltungs-Steuerung 30,
welche die Schubabschaltung der Brennkraftmaschine 10 beispielsweise
aus dem Luftsignal msL und der Drehzahl n ermittelt, der Diagnosesteuerung 33 mit
dem Schubabschaltungssignal 34 signalisiert, dass die Diagnose
gestartet werden kann. Das Schubabschaltungssignal 34 wird
bereitgestellt, wenn die Schubabschaltungsphase ausreichend lange
vorgelegen hat.
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Die Änderung
des Lambda-Sollwerts lam_S auf das Diagnose-Lambda lam_D tritt gemäß 2a stromaufwärts vor
dem Katalysator 15 als ein Sprung der Sauerstoff-Konzentration %O2
und als ein Sprung der Reagenzmittel-Konzentration %Rea an einem
ersten Ort x1 auf. Zu einem späteren
Zeitpunkt wandern die Konzentrationsänderungen an den zweiten Ort
x2, an welchem die Konzentrations-Übergänge noch vergleichsweise steil
verlaufen. Die ursprünglich
sprunghaften Konzentrationsänderungen
sind durch Diffusion und Turbulenzen im Abgasbereich 13 bereits
geringfügig
verschliffen.
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Das
magere Abgas mit hoher Sauerstoff-Konzentration %O2 verdrängt dabei
das fette Abgas mit hoher Reagenzmittel-Konzentration %Rea, das
nur eine sehr geringe Sauerstoff-Konzentration %O2 aufweist. Bei
der in 2c gezeigten Situation sind
die Konzentrationsänderungen
inzwischen an einem Ort stromabwärts
nach dem Katalysator-Eingang
Kat_Ein angekommen. Nachdem die hohe Sauerstoff-Konzentration %O2
den Katalysator 15 erreicht hat, wird der überschüssige Sauerstoff
in den Katalysator 15 eingelagert. Es entsteht der erste Übergangsbereich
x10, in welchem die Sauerstoff-Konzentration
%O2 die erste Änderung 60 aufweist.
Danach tritt ein, zumindest kurzes Plateau 61 auf, das
mit der zweiten Änderung 62 verlassen
wird.
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Die
Reagenzmittel-Konzentration %Rea fällt während der ersten Änderung 60 auf
niedrige Werte ab. Da der Katalysator 15 nicht den gesamten
zur Verfügung
stehenden Sauerstoff einlagern kann, bleibt im ersten Übergangsbereich
x10 eine höhere Sauerstoff-Konzentration %O2
erhalten als im fetten Abgas.
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2d zeigt
die Verhältnisse
bei den Konzentrationsänderungen
zu einem späteren
Zeitpunkt. Der zweite Übergangsbereich
x20 hat sich gegenüber
dem ersten Übergangsbereich
x10 verlängert.
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2e zeigt
die Verhältnisse
zu einem nochmals späteren
Zeitpunkt, bei welchem die Konzentrationsänderungen zumindest teilweise
bereits stromabwärts
nach dem Katalysator-Ausgang Kat_Aus oder nach einem Teilstück des Katalysators 15 auftreten.
Erst zu diesem Zeitpunkt können
die Konzentrationsänderungen
vom Lambdasensor 16 gemessen werden.
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Zunächst wird
das Lambdasignal lam_nK des Lambdasensors 16 ein fettes
Abgas-Lambda, das
beispielsweise auf 0,97 festgelegt ist, anzeigen. Der zeitliche
Verlauf ist in 3 gezeigt, wobei bis zum ersten
Zeitpunkt t1 der Sauerstoffmangel vorliegen soll. Die Änderung
der Sauerstoff-Konzentration %O2 soll zum ersten Zeitpunkt t1 mit
der ersten Änderung 60 beginnen.
Die Auswertung des Lambdasignals lam_nK erfolgt in der Änderungs-Ermittlung 40, nachdem
die Diagnosesteuerung 33 das zweite Diagnose-Steuersignal 41 an
die Änderungs-Ermittlung 40 abgegeben
hat.
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Vorzugsweise
ist das Tiefpassfilter 51 vorgesehen, welches das Lambdasignal
lam_nK einerseits von hochfrequenten Störsignalen und andererseits von
schnellen Änderungen
aufgrund dynamischer Vorgänge
befreit, die nichts mit der ersten Änderung 60 zu tun
haben, um Fehlmessungen zu vermeiden. Der Änderungs-Ermittlung 40 kann
dann anstelle des Lambdasignals lam_nK das gefilterte Lambdasignal lam_nKF
zur Verfügung
gestellt werden.
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Zum
Erkennen der ersten Änderung 60 kann die Änderungs-Erkennung 40 beispielsweise
den Gradienten des Lambdasignals lam_nK bzw. des gefilterten Lambdasignals
lam_nKF ermitteln. Der Gradient kann in rascher zeitlicher Folge
ständig
ermittelt werden. Er kann beispielsweise durch Differenzenquotienten
angenähert
werden. Gemäß einer
ersten Ausgestaltung kann der Gradient mit einem vorgegebenen Gradienten-Schwellenwert
verglichen werden. Beim Überschreiten
des Gradienten-Schwellenwertes wird das Integrator-Freigabesignal 53 bereitgestellt.
Gemäß einer
anderen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Gradient für eine vorgegebene
Zeitdauer den Gradienten-Schwellenwert überschreiten
muss, bevor das Integrator-Freigabesignal 53 bereitgestellt
wird. Gemäß einer
zusätzlichen
oder alternativen Ausgestaltung kann das Vorliegen eines Wendepunkts
des Lambdasignals lam_nK bzw. des gefilterten Lambdasignals lam_nKF
ermittelt und zur Bereitstellung des Integrator-Freigabesignals 53 herangezogen
werden. Weiterhin kann zusätzlich
oder alternativ vorgesehen sein, dass zunächst das Maximum des Gradienten
ermittelt wird und dass danach überprüft wird,
ob der Gradient einen Schwellenwert unterschreitet, bevor das Integrator-Freigabesignal 53 bereitgestellt
wird.
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Sobald
die erste Änderung 60 erkannt
ist, kann die Katalysator-Diagnose beginnen. Ermittelt wird der
in den Katalysator 15 eingetragene Sauerstoff. Hierbei
kann es sich um die Sauerstoffmasse oder die Sauerstoffmenge handeln.
Die Ermittlung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Integrator 35 den
Wert (1 – 1/Lambda)
mit dem Luftsignal msL und einer Konstanten, die dem prozentualen Sauerstoffgehalt
der Luft entspricht, multipliziert und zeitlich integriert. Für eine relative
Bewertung kann die Konstante gleich 1 gesetzt werden. Zur Berücksichtigung
der Gaslaufzeit durch den Katalysator 15 kann das von der
Lufterfassung 12 bereitgestellte Luftsignal msL in der
Zeitverzögerung 31 verzögert werden
und als verzögertes
Luftsignal msL_d dem Integrator 35 zur Verfügung gestellt
werden. Zusätzlich
kann das der Integration zugrunde liegende Lambda in der Zeitverzögerung 31 verzögert werden. Das
Verbrennungslambda während
der Diagnose entspricht dem vorgegebenen Diagnose-Lambda lam_D,
das als verzögertes
Lambdasignal lam_d an den Integrator 35 weitergegeben wird.
Die Verzögerung
des Lambdas kann entfallen, da das Diagnose-Lambda lam_D während der
Diagnose normalerweise konstant gehalten wird.
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Die
vorzugebende Verzögerungszeit
hängt vorzugsweise
vom Luftsignal msL ab. Weiterhin kann die Verzögerungszeit von der Last der
Brennkraftmaschine 10 abhängig sein. Die Last kann beispielsweise
durch das Kraftstoffsignal mK, gegebenenfalls in Verbindung mit
der Drehzahl n oder durch ein dem Steuergerät 20 bekanntes Brennkraftmaschinen-Drehmoment
angegeben werden.
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Die
Ermittlung des Sauerstoffs findet gemäß 3 im Bereich
des Plateaus 61 des Lambdasignals lam_nK bzw. des gefilterten
Lambdasignals lam_nKF statt. Das Plateau 61 ist mehr oder
weniger stark ausgeprägt.
Während
des Plateaus 61 kann sich das Lambda von einem Wert knapp
unterhalb von 1 auf einen Wert knapp oberhalb von 1 ändern. Experimentell
wurde festgestellt, dass sich die Lambdawerte bei einem Fett-Mager-Sprung zwischen 0,99–1,01 und
bei einem Mager-Fett-Sprung zwischen 0,998–1,002 ändern.
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Gemäß einer
ersten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
wird die Integration beendet, wenn die zum vierten Zeitpunkt t4
auftretende zweite Änderung 62 festgestellt
wird. Die Feststellung der zweiten Änderung 62 kann analog
zu der bereits beschriebenen Feststellung der ersten Änderung 60 vorgenommen
werden. Mit dem Auftreten der zweiten Änderung 62 wird das
Integrator-Freigabesignal 53 zurückgenommen und die Integration
beendet. Das ein Maß des
Sauerstoffeintrags/Sauerstoffaustrags bzw. Reagenzmitteleintrags
widerspiegelnde Integrationsergebnis 52 wird mit dem von
der Schwellenwert-Festlegung 32 bereitgestellten ersten Schwellenwert 37 verglichen.
Bei einer Schwellenüberschreitung,
die einen schlechten Katalysator signalisiert, stellt der Vergleicher 36 das
Fehlersignal F bereit, das beispielsweise in einen Fehlerspeicher hinterlegt
oder zur Anzeige gebracht werden kann.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
kann die Integration bereits vor dem Erreichen der zweiten Änderung 62 beendet
werden. In diesem Fall wird das Integrationsergebnis 52 mit
dem von der Schwellenwert-Festlegung 32 bereitgestellten
zweiten Schwellenwert 38 verglichen, der auf einen Wert
festgelegt ist, der einem guten Katalysator 15 entspricht.
Sofern das Integrationsergebnis 52 bereits einem guten
Katalysator 15 entspricht, kann die Katalysator-Diagnose
bereits beendet werden, bevor die zweite Änderung 62 festgestellt
werden kann.
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Sofern
der erste oder der zweite Schwellenwert 37, 38 erreicht
oder überschritten
wurde, stellt der Vergleicher 36 das Diagnose-Stoppsignal 43 bereit,
das die Diagnosesteuerung 33 dazu veranlasst, die Diagnose
zu beenden. Hierzu werden das erste und zweite Diagnose-Steuersignal 39, 41 zurückgenommen.
Die Änderungs-Ermittlung 40 nimmt
das Integrator-Freigabesignal 53 zurück und setzt damit den Integrator 35 in
einen Ausgangszustand zurück, der
anschließend
für eine
neue Ermittlung des Sauerstoffs zur Verfügung steht.
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Die
Schwellenwert-Festlegung 32 kann den ersten und/oder zweiten
Schwellenwert 37, 38 in Abhängigkeit vom Luftsignal msL,
der Drehzahl n und/oder der Katalysatortemperatur festlegen. In
einer einfachen Ausgestaltung kann die stromaufwärts vor dem Katalysator 15 auftretende
Abgastemperatur Tabg als Maß für die Katalysatortemperatur
herangezogen werden. Das Luftsignal msL ist ein Maß für den Abgasmassenstrom
msabg, der einen Einfluss auf die Sauerstoff-Speicherfähigkeit
des Katalysators 15 ebenso wie die Katalysatortemperatur/Abgastemperatur
Tabg hat.
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Die
Abgastemperatur Tabg kann von dem Temperatursensor 14 gemessen
werden. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abgastemperatur Tabg anhand
des Luftsignals msL und beispielsweise des Kraftstoffsignals mK
als Maß für die Last
der Brennkraftmaschine 10 wenigstens näherungsweise berechnet werden.