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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Sauerstoffspeicherkapazität eines
Abgaskatalysators für
eine Brennkraftmaschine, um basierend darauf eine Diagnose des Katalysators
sowie gegebenenfalls eine Anpassung der Lambdaregelung vorzunehmen.
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Die
aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität eines Abgaskatalysators sagt
aus, ob der Abgaskatalysator in der Lage ist, den mit wechselnden
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine einhergehenden Eintrag sowie Austrag von
Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher zu bewältigen und somit eine hinreichend
gute Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe zu leisten.
Denn nur wenn die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität groß genug
ist, kann der Sauerstoffspeicher eine ausreichend große Menge an
Sauerstoff pro Zeit aufnehmen oder abgeben, bzw. können die
bei der Konvertierung ablaufenden Oxidationen und Reduktionen der
im Abgas enthaltenen Schadstoffe ohne Beeinträchtigung ablaufen.
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Die
Sauerstoffspeicherkapazität
also die Fähigkeit
zur Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff hängt ganz wesentlich von der
absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers ab. Denn ein leerer Sauerstoffspeicher
kann keinen Sauerstoff mehr abgeben aber maximal Sauerstoff aufnehmen,
während
ein zur Hälfte
gefüllter
Sauerstoffspeicher sowohl Sauerstoff abgeben als auch aufnehmen
kann und ein voller Sauerstoffspeicher keinen Sauerstoff mehr aufnehmen
aber maximal Sauerstoff abgeben kann.
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Zur
Bestimmung der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers eines
Abgaskatalysators wird im Stand der Technik vorgeschlagen, den Sauerstoffspeicher
des Abgaskatalysators vollständig
zu entleeren und anschließend
komplett zu befüllen. Aus
der Menge des in den Sauerstoffspeicher eingetragenen Sauerstoffs
kann die absolute Beladung direkt bestimmt werden. Diese Vorgehensweise
hat jedoch den Nachteil, dass im entleerten Zustand des Sauerstoffspeichers
Kohlenwasserstoff nicht oder nur sehr schlecht konvertiert wird
und dass im vollen Zustand des Sauerstoffspeichers Stickoxide nicht oder
nur sehr schlecht konvertiert werden, so dass bei der Bestimmung
der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers unerwünscht hohe
Emissionswerte auftreten.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit
eines Abgaskatalysators für
eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches insbesondere unter
Einhaltung geringster Emissionswerte eine zuverlässige Beurteilung des Abgaskatalysators
ermöglicht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe, indem die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität aus der
absoluten Beladung und aus der Änderung
der relativen Beladung des Sauerstoffspeichers bestimmt wird, wobei
die absolute Beladung des Sauerstoffspeichers bilanziert wird, und
die relative Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers anhand des durch einen teilweisen
Eintrag und/oder Austrag von Sauerstoff hervorgerufenen Änderung
des Spannungssignals einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten
binären Lambdasonde
ermittelt wird. Denn durch eine im "Umschaltbereich" der Lambdasonde vorherrschende Proportionalität zwischen
dem Spannungssignal der Lambdasonde und der relativen Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers kann mit hinreichender Genauigkeit
auf die aktuelle Sauerstoffspeicherfähigkeit des Abgaskatalysators
geschlossen werden. Dabei ist für
die Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität weder eine vollständige Entleerung
noch eine vollständige
Befüllung
des Sauerstoffspeichers mit entsprechenden Konsequenzen für die Qualität der Abgaskonvertierung
erforderlich.
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Zweckmäßig berücksichtigt
die Bilanzierung der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers
die gesamte eingetragene bzw. ausgetragene Menge an Sauerstoff.
Dazu wird die Bilanzierung während
des Betriebes der Brennkraftmaschine fortwährend durchgeführt.
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Besonders
zweckmäßig geht
die Bilanzierung der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers
nach einem Schubvorgang oder einem Schaltvorgang der Brennkraftmaschine
von einer vollständigen
Beladung des Sauerstoffspeichers aus und berücksichtigt die daraufhin ausgetragene
Menge an Sauerstoff bis dass das Spannungssignal der dem Abgaskatalysator
nachgeschalteten Lambdasonde einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
In gleicher Weise könnte
die Bilanzierung auch nach einem Vollastbetrieb von einer vollständigen Entladung
des Sauerstoffspeichers ausgehen und die daraufhin eingetragene
Menge an Sauerstoff berücksichtigen,
bis dass das Spannungssignal der Lambdasonde dem Sollwert entspricht.
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Vorteilhaft
erfolgt die Bestimmung der aktuellen Sauerstoffspeicherkapazität innerhalb
eines Bereiches der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers von
ca. von 30 bis 70 %. Denn innerhalb dieses Bereiches ist die oxidierende
sowie die reduzierende Konvertierung der Abgaskomponenten hinreichend gut
und ist das Spannungssignal der binären Lambdasonde zu der Beladung
des Sauerstoffspeichers annähernd
proportional.
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Gemäß einer
besonderen Ausführung
wird die relative Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers anhand des Gradienten der durch
einen Eintrag oder Austrag von Sauerstoff hervorgerufenen Änderung
des Spannungssignals der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde bestimmt. Denn
der Gradient des Spannungssignals sagt aus, wie stark die Beladung
des Sauerstoffspeichers durch die Änderung des Lambdawertes beeinflusst wurde
bzw. wie gut der einer Alterung unterworfenen Abgaskatalysator noch
reagiert.
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Durch
eine Weiterbildung der Erfindung wird eine Diagnose eines Abgaskatalysators
bereitgestellt, welche die verfahrensgemäß bestimmte aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität mit einem
vorgegebenen Grenzwert vergleicht und dem Abgaskatalysator beim
Unterschreiten des Grenzwertes als defekt einstuft. Dabei kann ein
Durchbrechen von Kohlenwasserstoff oder Stickoxiden vermieden werden,
indem der für
eine Konvertierung der Abgaskomponenten günstige Bereich der Beladung
des Sauerstoffspeichers von 30 bis 70% eingehalten wird.
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Ergänzend oder
alternativ kann die Diagnose des Abgaskatalysators auch basierend
auf dem Gradienten des Spannungssignals der dem Abgaskatalysator
nachgeschalteten Lambdasonde über der
absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers und dem Vergleich dieses
Gradienten mit einem entsprechenden Grenzwert erfolgen, wobei der
Abgaskatalysator bei einem Unterschreiten dieses Grenzwertes als
defekt einzustufen ist.
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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 Abgaskatalysator;
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2 eine
Abbildung der Konvertierung von Kohlenwasserstoff und Stickoxiden über der
absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers;
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3 ein
erstes Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal
einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten Lambdasonde und dem
Lambdawert zeigt; und
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4 ein
zweites Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal
der Lambdasonde und der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers
zeigt.
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Die
in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 weist
in ihrem Abgasstrang 2 einen Abgaskatalysator 3 mit
einem integrierten Sauerstoffspeicher 4 auf. Stromab des
Abgaskatalysators 3 ist eine Lambdasonde 5 angeordnet.
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Wie 2 entnehmbar
ist, leistet der Sauerstoffspeicher 4 des Abgaskatalysators 3 ab
einer Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 4 von ca. 30
% gemäß der gestrichenen
Linie eine gute Konvertierung K(HC) des
Kohlenwasserstoffs und bis zu einer Beladung OSC von ca. 70 % gemäß der punktierten Linie
eine gute Konvertierung K(NOx) von Stickoxiden. Damit
beide Abgaskomponenten hinreichend gut konvertiert werden, sollte
die Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 4 also ca. zwischen
30 und 70 % liegen.
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Die
Lambdasonde 5 aus 1 ist eine
sogenannte Sprungsonde, welche – wie
in 3 gezeigt – bei
einem fetten Luft/Kraftstoffgemisch nach dem Abgaskatalysator 3 ein
hohes Spannungssignal Uλnach ausgibt, bei einem
mageren Luft/Kraftstoffgemisch nach dem Abgaskatalysator 3 ein
vergleichsweise niedriges Spannungssignal Uλnach ausgibt
und im Bereich um Lambda λ =
1,0 von der hohen Spannung auf die niedrige Spannung abfällt. Dabei
misst die verwendete Lambdasonde 5 bei Lambda λ = 0,99 ein
Spannungssignal Uλnach von 700 Millivolt,
bei Lambda λ =
1,01 ein Spannungssignal Uλnach von 600 Millivolt
und bei einem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoffgemisch bzw. bei Lambda λ = 1,0 ein Spannungssignal Uλnach von
ca. 650 Millivolt. Für
eine günstige
Konvertierung K der Abgaskompo nenten ist eben dieser in 3 schraffiert
dargestellte Bereich des Spannungssignals Uλnach zwischen
600 und 700 Millivolt nutzbar.
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Aus 4 geht
hervor, dass mit dem Spannungssignal Uλnach der
binären
Lambdasonde 5 nicht nur das Lambda nach dem Abgaskatalysator 3,
sondern auch die Beladung des Sauerstoffspeichers 4 korreliert,
wobei der für
eine günstige
Konvertierung K nutzbare Spannungsbereich von 600 bis 700 Millivolt
der angestrebten Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 4 von
30 bis 70 % zugeordnet wird. Das heißt, dass die Beladung OSC des
Sauerstoffspeichers 4 als eine Funktion des Spannungssignals Uλnach der
dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 5 dargestellt
werden kann. Denn in dem einer Proportionalität gehorchenden Bereich des
Spannungssignals Uλnach von 600 bis 700 Millivolt entspricht
zum Beispiel eine Änderung
des Spannungssignals Uλnach von 650 auf 675 Millivolt – also eine
Differenz von 25 Millivolt – einer Änderung
der relativen Beladung ΔOSCrel des Sauerstoffspeichers 4 von
50 auf 40 % – also
einer Differenz von 10 % – der
Beladung OSC. Dieser Bereich ist auch in 4 schraffiert
dargestellt.
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Um
basierend darauf die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität COSC des Abgaskatalysators 3 zu ermitteln,
wird anhand einer Bilanzierung des Eintrags und Austrags von Sauerstoff
die absolute Beladung OSCabs des Sauerstoffspeichers 4 berechnet, wird
anhand einer Änderung
des Spannungssignals Uλnach der Lambdasonde 5 auf
die relative Änderung der
Beladung ΔOSCrel des Sauerstoffspeichers 4 geschlossen
und wird sodann aus der absoluten Beladung OSCabs und
der relativen Änderung
der Beladung ΔOSCrel die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität COSC bestimmt.
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Dabei
kann die Bilanzierung des Eintrags und Austrags von Sauerstoff in
den Sauerstoffspeicher 4 des Abgaskatalysators 3 fortwährend erfolgen oder
aber nach einer "Störung" des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 beginnen,
so dass die Bilanzierung zum Beispiel nach einem Volllastbetrieb
mit einem entleerten Sauerstoffspeicher 4 startet oder bevorzugt
nach einem Schubbetrieb mit einem maximal gefüllten Sauerstoffspeicher 4 startet.
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Für die Diagnose
des Abgaskatalysators 3 wird die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität COSC oder der Gradient ΔUλnach/ΔOSCabs aus dem Spannungssignal über der
absoluten Sauerstoffbeladung mit einem vorgegebenen Grenzwert A,
B verglichen. Beim Überschreiten
des Grenzwertes A bzw. beim Unterschreiten des Grenzwertes B wird
der Abgaskatalysator 3 als "in Ordnung" eingestuft und beim Unterschreiten
des Grenzwertes A bzw. beim Überschreiten
des Grenzwertes B wird der Abgaskatalysator 3 als "defekt" eingestuft, wobei
jeweils ein entsprechendes Diagnosesignal ausgegeben wird.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Abgaskatalysator
- 4
- Sauerstoffspeicher
- 5
- Lambdasonde
- K,
K(HC), K(NOx)
- Konvertierung
- OSC
- Beladung
des Sauerstoffspeichers
- Uλnach
- Spannungssignal
der Lambdasonde
- ΔUλnach
- Änderung
des Spannungssignals der Lambdasonde
- λ
- Lambda
- COSC
- Sauerstoffspeicherkapazität
- OSCabs
- absolute
Beladung des Sauerstoffspeichers
- ΔOSCabs
- Änderung
der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers
- ΔOSCrel
- Änderung
der relativen Beladung des Sauerstoffspeichers
- A,
B
- Grenzwert