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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose des Sauerstoffspeichers
eines Abgaskatalysators für
eine Brennkraftmaschine basierend auf der anhand des durch einen
Eintrag oder Austrag von Sauerstoff hervorgerufenen Änderung des
Spannungssignals einer dem Abgaskatalysator nachgeschalteten binären Lambdasonde
und der Bilanzierung der Änderung
der absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers.
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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
bzw. 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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Aus
der Druckschrift
US
2004 0 182 068 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators bekannt.
Bei diesem Verfahren wird während des
Umschaltens von einer dem Katalysator nachgeschalteten binären Lambdasonde
die relative Änderung
des Sauerstoffbefüllungsgrades
bestimmt. Daraus wird die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators
erhalten, welche schließlich
zur Diagnose des Katalysators verwendet werden kann.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Verfahren zur Diagnose des Sauerstoffspeichers 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 für
das Diagnoseverfahren der Gradient des Spannungssignals über der
absoluten Beladung des Sauerstoffspeichers mit einem vorgegebenen
Grenzwert verglichen wird und der Abgaskatalysator beim Überschreiten
des Grenzwertes als defekt eingestuft wird. Dabei ist weder eine
vollständige
Entleerung noch eine vollständige
Befüllung
des Sauerstoffspeichers mit entsprechenden Konsequenzen für die Qualität der Abgaskonvertierung
erforderlich. Folglich kann ein Durchbrechen von Kohlenwasserstoff
oder Stickoxiden vermieden werden, indem ein für die Konvertierung der Abgaskomponenten
günstiger
Bereich der Beladung des Sauerstoffspeichers eingehalten wird.
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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 Diagnose 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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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 absolute 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 Luf/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 Abgaskomponenten 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 zum Beispiel 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 erfindungsgemäß der Gradient ΔUλnach/ΔOSCabs aus dem Spannungssignal Uλnach über der
absoluten Sauerstoffbeladung OSCabs 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