DE102005035707B4

DE102005035707B4 - Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators

Info

Publication number: DE102005035707B4
Application number: DE102005035707A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: DE102005035707A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei die von der Alterung des Katalysators abhängige Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit ermittelt wird, mit einem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität verglichen wird und die Differenz beurteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (Cosc) über der Zeit bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei der Lastsprung der Brennkraftmaschine negativ ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei die von der Alterung des Katalysators abhängige Sauerstoffspeicherkapaität über der Zeit ermittelt wird, mit einem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität verglichen wird und die Differenz beurteilt wird.
In der gattungsbildenden Druckschrift US 2002/0 139 110 A1 ist ein Diagnoseverfahren für einen, in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysator beschrieben. Die Diagnose beruht darauf, dass die Funktionsfähigkeit eines Katalysators daran gemessen werden kann, wie schnell die Anspringtemperatur, nach dem Start der Brennkraftmaschine erreicht wird. Zur Verbesserung der bekannten Temperaturmessungen wird dort vorgeschlagen den Verlauf der Sauerstoffspeicherkapazität zu bestimmen, über der Zeit festzuhalten und zur Diagnose mit einem zuvor abgespeicherten Verlauf zu vergleichen.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2004 004 277 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Beurteilung der Güte eines einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nachgeschalteten Katalysators bekannt. Verfahrensgemäß wird dort die Erkenntnis genutzt, dass die alterungsabhängige Light-Off-Temperatur des Katalysators mit dem Anstieg der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators über der Temperatur korreliert. Daher kann basierend auf der aktuellen Sau erstoffspeicherkapazität eine Diagnose des Katalysators durchgeführt werden.
Die Druckschrift DE 103 03 911 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Anspringverhaltens eines Abgaskatalysatorsystems. Dabei wird ein dem Anspringbereich mit dem Abgas zugeführter Wärmemengeneintrag als Kriterium für das sukzessive Einsetzen des Anspringens in stromab hintereinander liegenden Teilvolumina des Anspringbereichs herangezogen und wird die Funktionsfähigkeit mindestens eines der stromab nacheinander ausreichend aufgeheizten Teilvolumina zum jeweiligen Zeitpunkt des Anspringens einzeln überprüft und beurteilt.
Ferner offenbart die Druckschrift US 6 202 406 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Katalysators mit einer Light-Off-Temperatur. Dieser Katalysator umfasst einen Temperatursensor, der fortwährend ein Signal ausgibt, wobei das Signal als zusätzliche Steurungsgröße für wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verwendet wird, um dann, wenn die Katalysatortemperatur unterhalb der Light-Off-Temperatur liegt, die Temperatur möglichst schnell anzuheben, so dass der katalytisch wirksame Temperaturbereich erreicht wird oder um dann, wenn die Katalysatortemperatur oberhalb der Light-Off-Temperatur liegt, den Ausstoß von Kohlenwasserstoffemissionen zu minimieren.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein weiter verbessertes Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe, indem die Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei der Lastsprung der Brennkraftmaschine negativ ist. Bei einem negativen Lastsprung wird der zuvor betriebswarme Katalysator abgekühlt, wobei sich diese Abkühlung in Strömungsrichtung von vorne nach hinten bzw. entlang der Achse des Katalysators vollzieht und in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine erfolgt. Das bedeutet, dass sich entlang der Strömungsrichtung des Abgases ein ansteigendes Temperaturprofil ausbildet. Unterstützt durch die Abkühlung zeigt sich sehr deutlich, ob die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators noch ausreichend ist. Dabei ist das vorliegende Diagnoseverfahren nicht auf die Aufwärmphase des Katalysators begrenzt und kann somit sehr flexibel während des Betriebs der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Zudem ist dieses Diagnoseverfahren für Katalysatoren auch besonders zuverlässig durchführbar, denn gerade bei der Abkühlung des Katalysators wirken sich alterungsbedingte Einflüsse besonders stark auf die Sauerstoffspeicherkapazität aus.
Besonders günstig ist es bei diesem Diagnoseverfahren, wenn der negative Lastsprung der Brennkraftmaschine bei einem Wechsel in den Schubbetrieb stattfindet. Denn insbesondere eine Schubabschaltung erlaubt eine verhältnismäßig lange Betrachtung der sich mit der Zeit ändernden Sauerstoffspeicherkapazität.
Indem das vorgegebene zeitliche Profil der Sauerstoffspeicherkapazität einem neuwertigen Katalysator oder einem noch ausreichend funktionsfähigen Katalysator entspricht, kann mittels der Differenz aus der aktuellen Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit und dem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität einfach die Diagnose des Katalysators durchgeführt werden und/oder die Güte des Katalysators festgestellt werden. Überschreitet diese Differenz zu irgend einem Zeitpunkt während bzw. nach dem negativen Lastsprung einen zulässigen Grenzwert, so ist der Katalysator als defekt einzustufen.
Vorteilhaft wird anhand der Differenz zwischen der ermittelten Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit und dem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität sowie anhand der Temperaturverteilung inner halb des Katalysators die axiale Lage eines geschädigten Bereiches des Katalysators bestimmt. Aus der axialen Lage der Schädigung kann abgeleitet werden, wie sich dies auf die Schadstoffkonvertierung des Katalysators auswirkt.
So kann insbesondere bei einer in Abgasströmungsrichtung eingangsseitigen Schädigung des Katalysators auf eine Verschlechterung der Kohlenwasserstoff-Konvertierung (HC) während der Kaltstartphase geschlossen werden und bei einer ausgangsseitigen Schädigung des Katalysators auf eine Verschlechterung der Stickoxid-Konvertierung (NOx) geschlossen werden.
Bevorzugt wird die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit bei einer konstanten Amplitudenmodulation des Lambdawertes stromauf des Katalysators aus dem Verlauf des Signals einer Lambdasonde stromab des Katalysators erhalten. Denn der Verlauf des Signals der Lambdasonde stromab des Katalysators zeigt, ob der Katalysator mit zunehmender Abkühlung oder Erwärmung noch eine ausreichend große Sauerstoffspeicherkapazität aufweist, um den wechselnden Überschuss und Mangel an Sauerstoff zu Puffern und ab wann sich der wechselnde Überschuss und Mangel an Sauerstoff auf das Signal der Lambdasonde auswirkt.
Zweckmäßig wird die zeitliche und axiale Temperaturverteilung des Katalysators mittels einer Modellbetrachtung erhalten. Eine solche Modellbetrachtung kann für verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung des damit verbundenen Wärmeeintrags oder Wärmeaustrags und der Wärmekapazität des Katalysators erstellt werden.
Alternativ kann die zeitliche und axiale Temperaturverteilung des Katalysators jedoch auch einfach gemessen werden.
Die vorliegende Erfindung wird basierend auf den nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm der Verschiebung der Sauerstoffspeicherkapazität über der Temperatur bei einem Katalysator mit und ohne Schädigung;
2 den zeitlichen und axialen Temperaturverlauf bei einer Abkühlung des Katalysators;
3 eine weitere Darstellung des Signals einer dem Katalysator nachgeschalteten Lambdasonde über der Zeit für Katalysatoren mit und ohne Schädigung; und
4 eine Darstellung der Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit für Katalysatoren mit und ohne Schädigung.
Aus 1 geht deutlich hervor, dass die Sauerstoffspeicherkapazität Cosc eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysators mit zunehmender Alterung insgesamt abnimmt und ihr Anstieg zu höheren Temperaturen verschoben ist. Demnach zeigt in 1 die Linie Ia den Verlauf der Sauerstoffspeicherkapazität eines neuwertigen Katalysators und die Linie Ib den flacheren dazu versetzten Verlauf der Sauerstoffspeicherkapazität eines gealterten Katalysators mit einer Schädigung.
Bei einer instationären Temperaturwechselphase, wie sie insbesondere bei einem negativen Lastsprung der Brennkraftmaschine also bei einem Übergang von hohen Lasten zu niedrigen Lasten oder bei einem Schubbetrieb vorliegt, stellt sich bezogen auf die Achse Lkat des Katalysators ein Temperaturverlauf ein, wie er in 2 zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 und t5 dargestellt ist. Es wird deutlich, dass die durch den negativen Lastsprung hervorgerufene Beaufschlagung des Katalysators mit einem weniger heißen Abgas zu einer Abkühlung führt. Dabei sinkt die zuvor im Katalysator herrschende Temperatur T2 auf die Temperatur T1 des weniger heißen Abgases ab, wobei sich die Temperatur T1 in Abhängigkeit von der Zeit nach und nach über die gesamte Länge der Achse Lkat des Katalysators ausbreitet.
3 stellt den Verlauf der Amplitude A des Spannungssignals der dem Katalysator nachgeschalteten Lambdasonde dar, wobei die Signale für verschiedene Katalysatoren mit und ohne Schädigung deutlich unterschiedliche Amplitudenverläufe A über der Zeit haben.
So besitzt das Signal der nachgeschalteten Lambdasonde bei einem neuwertigen Katalysator gemäß der Linie IIIa einen nahezu gleichbleibend geringen Amplitudenverlauf A, was bedeutet, dass der Katalysator auch bei einer gewissen Abkühlung durch den negativen Lastsprung noch in der Lage ist die eingangsseitigen Schwankungen des Lambdawertes zu kompensieren.
Das Signal bei einem gealterten Katalysator mit einer eingangsseitigen Schädigung gemäß der Linie IIIb zeigt dagegen einen raschen Anstieg des Amplitudenverlaufes A, während das Signal bei einem gealterten Katalysator mit einer ausgangsseitigen Schädigung gemäß der Linie IIIc einen verzögerten Anstieg des Amplitudenverlaufes A zeigt. Das Signal für einen gealterten Katalysator, der sowohl eine eingangsseitige sowie auch eine ausgangsseitige Schädigung aufweist, zeigt gemäß der Linie IIId einen raschen Anstieg des Amplitudenverlaufes A, der weit über das Maß des Anstiegs bei einem nur eingangsseitig geschädigten Katalysator hinausgeht, was einer Addition der beiden Amplitudenverläufe A gemäß der Linien IIIb und IIIc entspricht.
Schließlich erläutert 4 wie sich die Sauerstoffspeicherkapazität Cosc des Katalysators bei einem negativen Lastsprung der Brennkraftmaschine über der Zeit ändert.
Ein neuer Katalysator zeigt gemäß der Linie IVa eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität Cosc, die erst spät also bei zunehmender Abkühlung des Katalysators abnimmt.
Ein gealterter Katalysator besitzt dagegen eine insgesamt reduzierte Sauerstoffspeicherkapazität Cosc. Bei einer eingangsseitigen Schädigung des gealterten Katalysators, zeigt sich gemäß der Linie IVb, dass der eingangseitig ohnehin wirkungsschwächere Bereich bei einer sich von vorn nach hinten ausbreitenden Abkühlung des Katalysator bereits anfänglich beeinträchtigt wird, so dass schon nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit eine Abnahme der Sauerstoffspeicherkapazität Cosc zu beobachten ist. Und bei einer ausgangsseitigen Schädigung des gealterten Katalysators zeigt sich gemäß der Linie IVc, dass der eingangsseitig wirkungsvollere Bereich bei einer sich von vorne nach hinten ausbreitenden Abkühlung des Katalysators anfänglich kaum beeinträchtigt wird, so dass erst nach einer verhältnismäßig langen Zeit eine Abnahme der Sauerstoffspeicherkapazität Cosc zu beobachten ist.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei die von der Alterung des Katalysators abhängige Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit ermittelt wird, mit einem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität verglichen wird und die Differenz beurteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (Cosc) über der Zeit bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei der Lastsprung der Brennkraftmaschine negativ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Lastsprung der Brennkraftmaschine bei einem Wechsel in den Schubbetrieb stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene zeitliche Profil der Sauerstoffspeicherkapazität einem neuen Katalysator bzw. einem funktionsfähigen Katalysator entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Differenz zwischen der ermittelten Sauerstoffspeicherkapazi tät (Cosc) über der Zeit und dem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität sowie anhand der zeitlichen und axialen Temperaturverteilung innerhalb des Katalysators die axiale Lage des geschädigten Bereiches des Katalysators bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer in Abgasströmungsrichtung eingangsseitigen Schädigung des Katalysators auf eine Verschlechterung der Kohlenwasserstoff-Konvertierung (HC) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ausgangsseitigen Schädigung des Katalysators auf eine Verschlechterung der Stickoxid-Konvertierung (NOx) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (Cosc) über der Zeit bei einer konstanten Amplitudenmodulation des Lambdawertes stromauf des Katalysators aus dem zeitlichen Verlauf des Signals (A) einer Lambdasonde stromab des Katalysators erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche und axiale Temperaturverteilung innerhalb des Katalysators mittels einer Modellbetrachtung erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche und axiale Temperaturverteilung innerhalb des Katalysators gemessen wird.