DE102005029797A1

DE102005029797A1 - Verfahren zur Katalysatorüberwachung

Info

Publication number: DE102005029797A1
Application number: DE102005029797A
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Wittig; Hans Joachim Surburg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators einer Brennkraftmaschine, bei welchem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators innerhalb einer Aufwärmphase des Katalysators ermittelt wird, wobei aus dem Signal einer stromab des Teil- oder Gesamtvolumens des Katalysators angeordneten sauerstoffsensitiven Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators in der Aufwärmphase ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Katalysatorüberwachung mittels einer sauerstoffsensitiven Messsonde.

Zur Abgasreinigung sind für Otto-Motoren Katalysatorsysteme mit Kombinationen aus motornahen Vorkatalysatoren und stromab dieser angeordneten Hauptkatalysatoren bekannt. Die Hauptkatalysatoren sind üblicherweise als Dreiwegekatalysator und für Magerkonzepte als NOx-Speicherkatalysatoren ausgebildet. Ein NOx-Speicherkatalysator besitzt dabei gegenüber einem konventionellen Dreiwegekatalysator die zusätzliche Fähigkeit, Stickoxide eines mageren Abgases zu speichern. Demgegenüber besteht die Funktion des Vorkatalysators darin, die in Warmlaufphasen auftretenden Emissionen von Schadstoffen zu konvertieren und darüber hinaus einen großen Anteil der Schadstoffkonvertierung bei einem Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch zu sichern. Die Regelung eines stöchiometrischen Gemisches erfolgt mittels einer oder mehrerer im Abgas angeordneten Lambdasonden.

Dabei ist eine Überwachung des Katalysators notwendig, da Schäden des Katalysators die Schadstoffemission wesentlich erhöhen können und eine Einhaltung der immer strenger werdenden Abgasnormen nicht gewährleistet ist.

Um festzustellen, ob der betriebswarme Katalysator, insbesondere der Vorkatalysator, die Schadstoffe ausreichend umwandelt, kann nach dem Katalysator eine zweite Lambdasonde als Monitorsonde eingebaut werden. Durch die ständige Regelung der Gemischzusammensetzung entstehen vor dem Katalysator Sauerstoffschübe, welche in der Lambdasonde vor dem Katalysator Spannungssprünge auslösen. Bei einer hohen Speicherfähigkeit des Katalysators befindet sich kaum noch Sauerstoff im Abgas und die Monitorsonde zeigt eine nahezu konstante Spannung an. Verschlechtert sich der Zustand des Katalysators, zeigt die Monitorsonde ebenfalls Spannungssprünge. Die ermittelte Sauerstoffspeicherkapazität wird mit dem Katalysatorumsatz und dem Emissionsverhalten korreliert. Die Diagnose der Funktionsfähigkeit der Katalysatoren aus den Sensorsignalen ist dadurch relativ aufwändig und langwierig und die Zuverlässigkeit bei einer Betriebsweise im mageren Lambda-Bereich unzulänglich.

Die zur Diagnose notwendige stromabwärts hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde kann sowohl hinter einem Teilvolumen als auch hinter dem Gesamtvolumen des Katalysators angeordnet sein. Wenn das vordere Teilvolumen das repräsentative Volumen für die Emissionen ist, wie beispielsweise bei einer Überwachung der Kohlenwasserstoffemissionen, muss die Sonde hinter dem Teilvolumen, typischerweise hinter einem Vorkatalysator angeordnet werden. Wenn das Gesamtvolumen das repräsentative Volumen ist, beispielsweise bei einer Überwachung der Stickoxidemissionen, muss die Sonde hinter dem Gesamtkatalysatorsystem, typischerweise hinter einem großen, ungeteilten Katalysatorsystemen angeordnet sein. Wenn sowohl eine Überwachung der HC- als auch der NOx-Emissionen gefordert ist, müssen ggf. auch zwei Sonden hinter Teil- und Gesamtvolumen verwendet werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 198 01 626 ist ein Diagnoseverfahren für Katalysatoren mit einer Speicherfähigkeit sowohl für Stickoxide als auch für Sauerstoff bekannt. Der Katalysator wird zwischen den Betriebsphasen, in denen das Abgas sauerstoffreich ist und in denen Stickoxide eingelagert werden (Magerbetrieb), regeneriert, indem er mit sauerstoffarmem Abgas, welches Reduktionsmittel wie CO oder Kohlenwasserstoffe enthält, beaufschlagt wird (Fettbetrieb). Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit (OSC) des betriebswarmen Speicherkatalysators wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem Speicherkatalysator wiederholt so erhöht und verringert, dass sich die Änderung im Signal einer vor und einer hinter dem Speicherkatalysator angeordneten Abgassonde abbildet und eine Zeitverzögerung zwischen der Änderung der Sauerstoffkonzentration vor dem Speicherkatalysator und dem zugehörigen Signal nach dem Speicherkatalysator zur Bestimmung der Speicherkapazität ausgewertet wird. Dabei wird eine erste Zeitverzögerung zwischen den Signalen beider Abgassonden beim Anstieg und eine zweite Zeitverzögerung zwischen den Signalen beider Abgassonden beim Absenken der Sauerstoffkonzentration erfasst und die Differenz der beiden Werte gebildet. Die Differenz muss einen bestimmten Wert übersteigen, andernfalls wird ein Fehlerzustand registriert. Die Differenz korreliert mit der 3-Wege-Funktion sowie der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators für Stickoxide.

Eine ausreichende Konvertierung der Schadstoffe gemäß den neuen gesetzlichen Bestimmungen kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn der Katalysator in allen Betriebsbereichen ein ausreichendes Konvertierungsvermögen aufweist. Der Katalysator erreicht seinen optimalen Wirkungsgrad erst im betriebswarmen Zustand, wenn seine Temperatur oberhalb der so genannten Anspringtemperatur oder light-off-Temperatur (ca. 350°C) liegt, so dass kritische Emissionswerte insbesondere beim Kaltstart bzw. Warmlauf auftreten.

Bei On-Board-Diagnosen wird deshalb insbesondere das Anspringverhalten eines Katalysatorsystems im Rahmen einer light-off-Diagnose überwacht. Bekannte Verfahren, wie beispielsweise in der DE 43 30 997 A1 , leiten das Anspringverhalten aus einer Wirkungsgraddiagnose des Katalysators im Anspringbereich ab, wobei die Auswirkung der Zufuhr eines Luft-Kraftstoffgemisches auf die Temperatur des Katalysators erfasst werden. Dabei korreliert eine geringe Temperaturerhöhung mit einem geringen Konvertierungsvermögen.

Die DE 103 03 911 A1 schlägt zur Überwachung des Anspringverhaltens eines Abgaskatalysatorsystems vor, im mageren Warmlauf bis zu einem definierten Zeitpunkt einem Teilvolumen des Anspringbereichs eine definierte Wärmemenge über das Abgas zuzuführen, bei welchem von einem Anspringen des Teilvolumens ausgegangen werden kann und zu diesem definierten Zeitpunkt das Katalysatorsystem mit einer definierten fetten Abgasmenge zu beschicken. Das Abgas wird dann mittels einer stromab nahe des Anspringbereiches angeordneten Lambda-Sonde untersucht. Wenn das Abgas-Lambda einer definierten fetten Abgasmenge nach Durchgang nicht mager bleibt, ist der durch die Aufheizung aktivierte Sauerstoffspeicher zu gering. Dabei kann die zeitliche Länge des fetten Abgas-Lambda-Signals zur Beurteilung des Teilvolumens herangezogen werden.

Bei Niedrigemissionskonzepten sind die Differenzen von noch ausreichend guten und nicht mehr akzeptablen Katalysatoren bezüglich der Emission bei vollständig aufgewärmtem Katalysator sehr gering. Die Hauptunterschiede ergeben sich in der Aufheizphase (light-off-Phase), so dass die Ergebnisse der Diagnose-Verfahren betriebswarmer Katalysatoren keine ausreichend genauen Aussagen liefern.

Aus der DE 19811574 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators bekannt, bei dem die Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Katalysators während der Aufheizphase des Verbrennungsmotors erfolgt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Konvertierungsgrad bzw. dem Emissionsniveau einer Abgaskomponente hinter einem zu überwachenden Katalysator und den thermischen Eigenschaften ausgewertet. Der Konvertierungsgrad des Katalysators hängt direkt von seiner Temperatur ab. Diese Abhängigkeit ändert sich mit der Alterung des Katalysators. Zum Überwachen der Funktionsfähigkeit des Katalysators wird diese von der Alterung des Katalysators verursachte Änderung des Konvertierungsgrads des Katalysators benutzt.

Die Untersuchung der Aufheizphase mittels Abgastemperatursensoren weist den Nachteil auf, dass zusätzliche Komponenten sowie eine zusätzliche Auswerteschaltung im Motorsteuergerät und Diagnoseverfahren für die Temperatursensoren notwendig sind. Weiterhin ist mit diesen Verfahren keine Auflösung zu erreichen, wie diese für Niedrigemissionskonzepte erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genaue Überwachung von Katalysatoren zu ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen und der weiteren Beschreibung zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird in dem Verfahren zur Diagnose eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, insbesondere eines Dreiwegekatalysators, die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators innerhalb einer Aufwärmphase des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators ermittelt, wobei aus dem Signal einer stromab des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators angeordneten sauerstoffsensitiven Messsonde, insbesondere eine Lambdasonde, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators in der Aufwärmphase ermittelt wird. Dabei kann der Katalysator auch als System von mehreren Katalysatoren, die in diesem Fall jeweils einem Teilvolumen des Katalysators entsprechen, ausgeführt sein.

Als Aufwärmphase wird der Zeitraum vom Kaltstart des Katalysators, insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine, bis zum Erreichen des betriebswarmen Zustandes eines Teil- oder des Gesamtvolumen des Katalysators definiert. Der betriebswarme Zustand des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators ist nach dem Anspringen des Katalysators, dem so genannten light-off, dann erreicht, wenn das Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators vollständig aufgeheizt ist. Der betriebswarme Zustand des Teil- oder Gesamtvolumen ist insbesondere durch eine Katalysatortemperatur festgelegt, welche vorzugsweise aus einem Katalysatortemperaturmodell ermittelt wird. Die Temperatur des Katalysators wird vorzugsweise ab Motorstart modelliert. Bei kleinen Katalysatorvolumina ist dabei eine Modellierung der Temperatur Mitte Katalysator ausreichend, bei größeren Katalysatorvolumina wird die Temperatur vorzugsweise in axial hintereinander liegenden Teilvolumina (Zonen) modelliert. Der betriebswarme Zustand ist erreicht, wenn die Temperatur im Katalysator an einer festzulegenden Stelle des Teil- oder Gesamtvolumen eine Schwelle überschreitet, die typischerweise im Bereich von 400–500°C liegt.

Für die Diagnose des Katalysators ist eine sehr frühe Betriebsbereitschaft der Lambdasonde erforderlich. Die frühe Betriebsbereitschaft wird vorzugsweise durch Verwendung von Lambdasonden sichergestellt, die durch geeignete konstruktive Maßnahmen gegen Thermoschock bei einem schnellen Aufheizen der Lambdasonde gesichert sind und/oder mit einer optimierten Aufheizstrategie betrieben werden und/oder in einer geeigneten Position des Abgassystems, beispielsweise im Katalysator, eingebaut sind. Insbesondere wird eine Messsonde verwendet, deren Betriebsbereitschaft noch in der light-off-Phase des Katalysators, d.h. vor dem Anspringen des Katalysators, hergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Diagnose des Katalysators kann, insbesondere im Rahmen einer On-Board-Diagnose, einfach mit den bekannten Verfahren von Katalysatordiagnosen im betriebswarmen Zustand kombiniert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in einer bevorzugten Ausführung sowohl eine Verschlechterung der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Teilvolumens des Katalysators als auch eine Verschlechterung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Gesamtvolumens mittels nur einer, insbesondere stromab des Gesamtvolumen angeordneten Messsonde erkannt werden. Vorzugsweise wird dabei ein vorderes Teilvolumen des Katalysators, welches maßgeblich die Kohlenwasserstoffemissionen bestimmt, mittels der Messsonde in der Light-Off-Phase überwacht, wenn das hintere (stromab des vorderen) Teilvolumen des Katalysators noch kalt und unwirksam ist. Der Zustand des hinteren Teilvolumens kann dann vorzugsweise im betriebswarmen Zustand des Gesamtvolumens des Katalysators ermittelt werden. Damit ist eine Überwachung auf eine HC- und eine NOx-Emissionen möglich ohne ggf. eine weitere Messsonde einzusetzen.

Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens erstellt eine Diagnose in der light-off-Phase des Katalysators. In der Katalysator-Aufheiz-Phase der Brennkraftmaschine, in welcher vorzugsweise der Katalysator Light Off enthalten ist, wird ein mageres Abgas zum Aufheizen des Katalysators dem Katalysator zugeführt, bis die Anspringtemperatur erreicht ist. Danach erfolgt eine Umstellung auf ein fettes Gemisch. Die Messsonde registriert nach einer Reaktionszeit diese Umstellung mit einer Signaländerung, wobei die Reaktionszeit, die einem Wert der aufintegrierten Fettgasmenge entspricht, mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators korreliert. Bei einem guten Katalysator reagiert die Messsonde daher später als bei einem gealterten Katalysator.

Eine weitere vorteilhafte Variante beruht darauf, dass der Katalysator oder das Katalysatorsystem nach der light-off-Phase noch nicht komplett durchgewärmt ist und seinen betriebswarmen Zustand noch nicht erreicht hat. Insbesondere bei hohen Abgasmassenströmen, wie diese beispielsweise beim Anfahren auftreten, kommt es dazu, dass die Umsetzungsraten der Schadstoffe im Abgas noch deutlich einbrechen, wobei erhöhte Anteile von Rohabgas durch den Katalysator zur Messsonde gelangen. Dieser Anteil ist umso höher, je stärker der Katalysator gealtert ist. Daher registriert die Messsonde bei einem gealterten Katalysator deutlich häufiger Durchbrüche, als bei einem guten Katalysator.

Das Verfahren zur Diagnose des Katalysators kann vorzugsweise auch einen Vergleich der ermittelten Sauerstoffspeicherfähigkeit mit einem vorgegebenen Schwellwert umfassen, der den Katalysator noch als ordnungsgemäß charakterisiert. In Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs können Maßnahmen zur Regeneration des Katalysators eingeleitet werden oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden.

Die vorbeschriebenen Varianten können in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens auch kombiniert werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Diagnose, wird diese vorzugsweise nur bei eingeschränkten dynamischen Betriebsbedingungen, definiert beispielsweise über Drehzahl-, Last-, Abgasmassenstrom- und Abgastemperaturgradienten, der Brennkraftmaschine und/oder nur nach einem Kaltstart mit anschließender Katalysatoraufheizung mittels motorischer Maßnahmen durchgeführt.

Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele wird das erfindungsgemäße Verfahren weitergehend erläutert. Es zeigen dazu:
1 Diagnoseansatz 1: Vergleich neuer und gealterter Katalysator – Signal der Messsonde und HC-Emission
2 Diagnoseansatz 1: Vergleich neuer und gealterter Katalysator – Signal der Messsonde und NOX-Emission
3 Diagnoseansatz 2: Signal der Messsonde und NOX-Emission für einen
neuen Katalysator
4 Diagnoseansatz 2: Signal der Messsonde und NOX-Emission für einen gealterten Katalysator
5 Diagnoseansatz 2: Vergleich neuer und gealterter Katalysator-Signal der Messsonde und NOX-Emission
Diagnoseansatz 1:
Der Diagnoseansatz 1 bewertet das Umsetzungsverhalten eines Katalysators in der light-off-Phase durch einen Gemischwechsel nach der light-off-Phase und Auswertung der Reaktionszeit bzw. eines Fettgasmengenintegrals eines Signals einer Lambda-Sonde nach dem Gemischwechsel.
Um den Katalysator möglichst schnell aufzuheizen, wird nach dem Start des Motors während der light-off-Phase eine möglichst hohe Abgastemperatur erzeugt und ein mageres Abgaslambda über eine Sekundärlufteinblasung oder einen mageren Warmlauf eingestellt, damit zunächst eine optimale Umsetzung der Kohlenwasserstoffe des Abgases erfolgt. Diese Phase ist in den 1 und 2 als aktives Katalysatorheizen bezeichnet. In dieser Phase liefert die nach spätestens 10–15 Sekunden frühzeitig, durch Beheizung direkt ab Motorstart, betriebsbereite Zweipunkt-Lambdasonde, die nach dem Gesamtvolumen des Katalysators angeordnet ist, ein niedriges Spannungssignal. Nach der light-off-Phase zum Zeitpunkt t₁, (hier nach 18,5 Sekunden) bei welchem der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat, wird der Katalysator mittels einer gezielten Anfettung des Abgases in ein optimales Konvertierungsfenster um λ = 1 gebracht, um eine optimale Konvertierung für die Schadstoffe HC, CO und NOX zu erreichen. Der Zeitpunkt t₁ für das Erreichen der Anspringtemperatur und damit für die Anfettung des Abgases wird von der Motorsteuerung vorgegeben, wobei der Zeitpunkt t₁ aus dem Abschalten der Sekundärlufteinblasung oder der Rücknahme der Vorsteuerung mit mageren Gemisch bzw. vorzugsweise der Umschaltung auf eine Vorsteuerung mit fettem Gemisch oder Umschaltung auf einen Regelsollwert für fettes Gemisch vorgegeben wurde. Die Umschaltung auf eine Vorsteuerungs- oder Regelungssollwertvorgabe für fettes Gemisch kann auch als Funktionalität eines O₂-Ausräumens nach Magerbetrieb des Katalysators ausgeführt sein. Die Phase Katalysatorausräumen schließt sich typischerweise dem aktiven Katalysatorheizen an.
Die Umstellung des Lambdawertes des Abgases vor dem Katalysator wird von der Zweipunkt-Lambdasonde erkannt. Die Veränderung des Signals durch die Umstellung ist in den 1 und 2 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Reaktionszeiten vom Zeitpunkt t₁ bis zur Veränderung des Signals der Lambdasonde für einen neuen und einen gealterten Katalysator verschieden sind, wobei die Reaktionszeit für einen neuen Katalysator (ca. 6,5 Sekunden) deutlich länger ist als die des gealterten Katalysators (ca. 2 Sekunden).
Die Reaktionszeit bis zum Signalwechsel an der Lambdasonde wird von der Motorsteuerung erfasst und zur Bewertung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators verwendet. Die Reaktionszeit berechnet sich aus t = t₁ – t_2.. (mit t₁ = Zeitpunkt der Gemischumschaltung von mager nach fett und t_2.= Zeitpunkt des Signalwechsels an der Sonde hinter Katalysator von mager nach fett). Da die Reaktionszeit auch vom Abgasmassenstrom durch den Katalysator abhängt, muss die Reaktionszeit auf den Abgasmassenstrom bezogen sein Die Berücksichtigung der Abhängigkeit vom Durchsatz erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Fehlerschwelle für die Unterschreitung einer mindestens erforderlichen Reaktionszeit als Kennlinie t = f (Abgasmassenstrom) abgelegt ist. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit ist außerdem von der Temperatur im Katalysator abhängig. Daher wird die Reaktionszeit in Abhängigkeit der in der light-off-Phase erzielten Katalysatortemperatur, die aus einem in der Motorsteuerung berechneten Abgastemperaturmodell bekannt ist, korrigiert. Bei Unterschreiten einer im Motorsteuergerät abgelegten Reaktionszeit erkennt die Motorsteuerung beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose einen Katalysator mit unzureichendem Umsetzungsverhalten. Die Schwelle ist für einen Katalysator, dessen Emissionen die Diagnosegrenzwerte erreicht, versuchsseitig abzustimmen. Die 1 zeigt dazu einen Vergleich der HC-Emission eines neuen und eines gealterten Katalysators und das zugehörige Signalverhalten der Lambdasonde. Die 2 zeigt einen entsprechenden Vergleich der NOX-Emission.
Diagnoseansatz 2:
Der Diagnoseansatz 2 beruht darauf, dass der Katalysator nach der light-off-Phase noch nicht komplett durchgewärmt ist und seinen betriebswarmen Zustand noch nicht erreicht hat, wodurch die Umsetzungsraten der Schadstoffe im Abgas, insbesondere bei hohen Abgasmassenströmen, wie sie typischerweise beim Anfahren auftreten, noch deutlich einbrechen können und erhöhte Anteile von Rohabgas durch den Katalysator zur Messsonde gelangen. Diese Einbrüche werden durch die Auswertung des Signals der Lambdasonde für die Diagnose des Katalysators verwendet.
Analog zum Diagnoseansatz 1 wird der Katalysator aktiv aufgeheizt und nach der light-off-Phase zum Zeitpunkt t₁, (nach 25 Sekunden) bei welchem der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat, mittels einer gezielten Anfettung des Abgases in ein optimales Konvertierungsfenster um λ = 1 gebracht. Der Zeitpunkt t₁ für das Ende der aktiven Katalysatorheizmaßnahme und damit für die Anfettung des Abgases wird wie vor beschrieben von der Motorsteuerung vorgegeben.
Die Reaktion der nach dem Katalysator angeordneten Lambdasonde wird in einem Messfenster vom kalten Katalysator bis zum vollständig aufgewärmten Katalysator bewertet und ist in der 3 für einen neuen Katalysator, in 4 für einen gealterten Katalysator und in 5 vergleichend für einen neuen und gealterten Katalysator sowie der entsprechenden NOX-Emission dargestellt.
Der frühste Startpunkt und damit der untere Wert für das Messfenster für die Bewertung wird von der Betriebsbereitschaft der Lambdasonde nach Katalysator bestimmt und wird vorzugsweise auf einen definierten Betriebspunkt, wie beispielsweise das Ende der light-off-Phase gelegt. Der obere Wert für das Messfenster wird durch eine definierte Katalysatortemperatur vorgegeben, bei welcher der Katalysator als betriebswarm definiert werden kann, beispielsweise bei einer Temperatur von 400–500°C. Diese Temperatur kann von einem Temperatursensor gemessen werden oder eine in der Motorsteuerung berechnete Temperatur sein. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird ein Temperaturmodell verwendet, welches Teilvolumina im Katalysator einzeln modelliert.
Für die Auswertung des Signals der Lambdasonde können Verfahren für die Diagnose von betriebswarmen Katalysatoren verwendet werden.
Die 3 und 4 zeigen die berechnete Länge des Sondenspannungssignals der Lambdasonde nach Katalysator als Bewertungsmaß für Emissionsdurchbrüche und damit den Alterungszustand des Katalysators. Bei einem gealterten Katalysator ist die Signallänge des Sondenspannungssignals deutlich größer, als die eines neuen Katalysators. Bei der Bewertung des Sondenspannungssignals ist die Belastung des Katalysators zu berücksichtigen. Der Abgasmassenstrom sowie der Gemischwechsel vor dem Katalysator bestimmen maßgeblich die Reaktion der Lambdasonde nach Katalysator. Daher muss das Sondenspannungssignal entsprechend korrigiert werden. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, eine Diagnose bei nur stark beschränkter Betriebspunktdynamik durchzuführen. Beispielsweise kann die Diagnose in Fahrzyklen durchgeführt werden, in denen nach Motorstart auch eine definierte Katalysatorheizmaßnahme abläuft.
Die Diagnoseansätze 1 und 2 können einzeln oder in Kombination ausgeführt werden. Zusätzlich sind diese Diagnoseansätze mit bekannten Diagnoseverfahren zur Überwachung des betriebswarmen Zustandes des Katalysators kombinierbar.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, bei welchem eine Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators innerhalb einer Aufwärmphase des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators ermittelt wird, wobei aus dem Signal einer stromab des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators angeordneten sauerstoffsensitiven Messsonde die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators in der Aufwärmphase ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators bis zu einem Zeitpunkt t₁ in der Aufwärmphase durch Einstellung eines mageren Lambdawertes λ > 1 des Abgases stromauf des Katalysators aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, das Signal der Messsonde bis zum Zeitpunkt t₁ erfasst wird, zum Zeitpunkt t₁ eine Umstellung des Lambdawertes des Abgases stromauf des Katalysators auf einen Lambdawert um λ = 1 erfolgt, das Signal der Messsonde nach dem Zeitpunkt t₁ erfasst wird, eine Reaktionszeit bis zu einer durch die Umstellung bewirkten Signaländerung der Messsonde erfasst wird und aus der Reaktionszeit die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₁ durch eine Steuereinheit der Brennkraftmaschine vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit die Reaktionszeit auf den Abgasmassenstrom bezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit die Reaktionszeit in Abhängigkeit von der Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators aus einem Abgastemperaturmodell abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Zeitpunkt t₂ bis zu einem Zeitpunkt t₃ in der Aufwärmphase des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators eine durch einen Einbruch von zumindest einer Umsetzungsrate des Katalysators verursachte Signaländerung der Messsonde erfasst wird und aus der Zeitdauer und/oder der Amplitude und/oder der Häufigkeit der Signaländerungen die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Teil- oder Gesamtvolumens des Katalysators ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators bis zu einem vor dem Zeitpunkt t₂ liegenden Zeitpunkt t₁' in der Aufwärmphase des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators durch Einstellung eines mageren Lambdawertes λ > 1 des Abgases stromauf des Katalysators aufgeheizt wird und zum Zeitpunkt t₁' eine Umstellung des Lambdawertes des Abgases stromauf des Katalysators auf einen Lambdawert um λ = 1 oder λ < 1 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₁' und/oder Zeitpunkt t₂ und/oder der Zeitpunkt t₃ durch eine Steuereinheit der Brennkraftmaschine vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₁' und/oder der Zeitpunkt t₂ und/oder der Zeitpunkt t₃ in Abhängigkeit von der Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators aus einem Abgastemperaturmodell abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zur Umstellung des Lambdawertes λ des Abgases stromauf des Katalysators zusätzliche Luft in das Abgas eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert A des Abgases stromauf des Katalysators bei Erreichen der Anspringtemperatur des Teil- oder Gesamtvolumen des Katalysators umgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sauerstoffsensitive Messsonde verwendet wird, die gegen Thermoschock bei einem schnellen Aufheizen der Messsonde gesichert ist und/oder mit einer optimierten Aufheizstrategie betrieben wird und/oder im Katalysator eingebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffsensitive Messsonde eine Lambdasonde verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffsensitive Messsonde eine Zweipunkt-Lambdasonde verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffsensitive Messsonde eine Breitband-Lambdasonde verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffsensitive Messsonde eine NOX-Sonde verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines vorderen Teilvolumen des Katalysators innerhalb der Light-Off-Phase des vorderen Teilvolumen des Katalysators aus dem Signal einer stromab des Gesamtvolumen des Katalysators angeordneten sauerstoffsensitiven Messsonde ermittelt wird, wobei ein hinteres, stromab des vorderen Teilvolumen angeordnetes, Teilvolumen des Katalysators noch kalt und inaktiv ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der Messsonde innerhalb der Light-Off-Phase des vorderen Teilvolumen des Katalysators mit der HC-Emission korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des hinteren Teilvolumen des Katalysators nach der Aufwärmphase des Gesamtvolumen des Katalysators aus dem Signal der stromab des Gesamtvolumen des Katalysators angeordneten sauerstoffsensitiven Messsonde ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der Messsonde nach der Aufwärmphase des Gesamtvolumens des Katalysators mit den Stickoxidemissionen korreliert wird.