DE102006018662B3

DE102006018662B3 - Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE102006018662B3
Application number: DE102006018662A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: US20070277503A1; US8001766B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines im Abgasstrang 3 einer Brennkraftmaschine 1 angeordneten Abgaskatalysators 5, basierend auf den gemessenen oder berechneten Signalen einer vor dem Abgaskatalysator 5 angeordneten ersten Lambdasonde 6a und einer nach Abgaskatalysator 5 angeordneten zweiten Lambdasonde 6b, wobei die beiden Lambdasonden 6a, 6b bzw. der Abgaskatalysator 5 ihre Betriebstemperatur erreicht haben wird vorgeschlagen, dass während einer Schubphase der Brennkraftmaschine 1 eine im Ansaugstrang 2 angeordnete Luftmengenregeleinrichtung 4 geöffnet wird, um den im Abgasstrang 3 angeordneten Abgaskatalysator 5 zu kühlen, so dass sich im Abgaskatalysator 5 eine axiale Temperaturverteilung über der Zeit ausbildet, wobei aus den Signalen der beiden Lambdasonden 6a, 6b und der Temperaturverteilung die axiale Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC des Abgaskatalysators 5 berechnet wird und anhand dieser Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC die Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators 5 beurteilt wird. Vorschlagsgemäß wird ein verbessertes Verfahren zur Überprüfung bereitgestellt, welches zudem eine Differenzierung der Funktionsfähigkeit für die Konvertierung von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden erlaubt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, basierend auf den berechneten oder gemessenen Signalen einer vor dem Abgaskatalysator angeordneten ersten Lambdasonde und einer nach dem Abgaskatalysator angeordneten zweiten Lambdasonde, wobei die beiden Lambdasonden bzw. der Abgaskatalysator ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
Aus der Druckschrift DE 199 13 901 C2 ist ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators einer lambdageregelten Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Katalysatorwirkungsgrad durch die Bestimmung der temperaturabhängigen Sauerstoffspeicherfähigkeit ermittelt wird. Aus der Sauerstoffspeicherfähigkeit wird ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators gewonnen, wobei dieses Maß jedoch nur in stationären bzw. quasistationären Betriebszuständen aussagekräftig ist.
In der Druckschrift DE 42 01 136 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer katalytischen Abgasanlage eines Verbrennungsmotors beschrieben, wobei der Katalysator eine Anzahl von Temperaturfühlern zur Erfassung des axialen bzw. zeitlichen Verlaufs aufweist und basierend darauf die katalytische Aktivität der Abgasanlage bestimmt wird.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift DE 10 2004 008 172 A1 ein Verfahren zur Ermittlung des Gütegrads eines Abgaskatalysators bekannt, bei welchem durch Aufheizen des Katalysators ein axiales Temperaturprofil im Katalysator aufgebaut wird. Dabei wird für jeden axialen Abschnitt des Katalysators der Sauerstoffdurchgang erfasst und wird gleichzeitig die Temperaturverteilung im Katalysator bestimmt. Die differenzierte Diagnose des Katalysators hinsichtlich der Umwandlung von Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxiden (NOx) erfolgt dann auf Basis dieser beiden Werte.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur der Funktionsfähigkeit eines Abgaskatalysators bereitzustellen, welches während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine On-Board-Diagnose erlaubt und im Falle eines Defekts des Abgaskatalysators eine Differenzierung des Defekts nach einer nicht ausreichenden Konvertierung von Kohlenwasserstoff während der Reduktion sowie nach einer nicht ausreichenden Konvertierung von Stickoxiden während der Oxidation ermöglicht, wie sie von künftigen strengeren Gesetzgebungen gefordert wird. Zudem sollen durch dieses Verfahren bzw. diese On-Board-Diagnose möglichst keine zusätzlichen Emissionen hervorgerufen werden.
Gelöst wird diese Aufgabe, indem während einer Schubphase der Brennkraftmaschine eine im Ansaugstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Luftmengenregeleinrichtung zumindest teilweise geöffnet wird, um den im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysator zu kühlen, so dass sich im Abgaskatalysator eine axiale Temperaturverteilung über der Zeit ausbildet, wobei aus den Signalen der beiden Lambdasonden und der Temperaturverteilung die axiale Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Abgaskatalysators berechnet wird und anhand dieser Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit die Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators beurteilt wird. Damit sichergestellt ist, dass sich etwaige Feuchtigkeit im Abgasstrang nicht an den Lambdasonden niederschlägt, wodurch diese Scha den nehmen könnten, und dass der Abgaskatalysator bereits seine Konvertierungsleistung zeigt, wodurch die Abgasemissionen gering gehalten werden, wird für die Einstellung des Temperaturgradientens im Abgaskatalysator nicht etwa eine auf den Kaltstart der Brennkraftmaschine folgende Aufheizphase verwendet, sondern eine künstliche Abkühlphase erzeugt. Dabei wird der Zusammenhang ausgenutzt, dass sich mit der temperaturabhängigen Schadstoffkonvertierung auch die Sauerstoffspeicherkapazität des Abgaskatalysators verändert. Damit der Grad der künstlichen Abkühlphase ausreichend ist, wird die Luftmengenregeleinrichtung zumindest teilweise oder sogar vollständig geöffnet, so dass eine auswertbare Veränderung der Signale der Lambdasonden und ein hinreichender Temperaturgradient über die verschiedenen axialen Bereiche des Abgaskatalysators auftreten.
Innerhalb des Abgaskatalysators kann die axiale Temperaturverteilung über der Zeit mittels einer Temperaturerfassungseinrichtung gemessen oder mittels eines Temperaturmodells berechnet werden. Aus Kostengründen bietet sich in erster Linie die Verwendung eines Temperaturmodells an, wobei dieses jedoch eine entsprechende Genauigkeit aufweisen muss, so dass sich der Abgaskatalysator beispielsweise in fünf aufeinander folgende Temperaturbereiche unterteilen lässt.
Vorteilhaft werden basierend auf der axialen Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit verschiedene axiale Bereiche des Abgaskatalysators beurteilt. Dazu werden die berechneten Sauerstoffspeicherfähigkeiten mit vorgegebenen Grenzwerten für die verschiedenen axialen Bereiche verglichen, die jeweils nicht unterschritten werden dürfen.
Bei einer Schädigung am Anfang des Abgaskatalysators kann auf eine schlechtere Konvertierung der Kohlenwasserstoffe (HC) geschlossen werden. Denn eine verminderte Sauerstoffspeicherfähigkeit des Anfangs wirkt sich speziell während des Aufheizens des Abgaskatalysators auf die Konvertierung des erhöhten Anfalls von Kohlenwasserstoff aus, da der größte Anteil der HC-Konvertierung von dem zuerst erwärmten ersten Bereich des Abgaskatalysators geleistet werden muss.
Und bei einer Schädigung am Ende des Abgaskatalysators kann auf eine schlechtere Konvertierung der Stickoxide (NOx) geschlossen werden. Denn eine verminderte Sauerstoffspeicherfähigkeit des Endes wirkt sich während des Abkühlens bzw. während des Magerbetriebs auf die Konvertierung des erhöhten Anteils an Stickoxiden aus, da der größte Anteil der NOx-Konvertierung von dem nicht gekühlten letzten bereich des Abgaskatalysators geleistet werden muss.
Bevorzugt wird das Verfahren in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt, in denen eine signifikante Abnahme der Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators zu erwarten ist. Denn durch das Öffnen der Luftmengenregeleinrichtung und Abkühlen des Abgaskatalysators wird die Gesamtbilanz der Abgasemissionen sonst unnötig verschlechtert und der Abgaskatalysator unnötig belastet.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator bei der das vorgeschlagene Verfahren Anwendung findet;
2 ein erstes Diagramm der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines neuen und eines alten Abgaskatalysators über der Temperatur;
3 ein zweites Diagramm der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines neuen und eines alten Abgaskatalysators über der Zeit; und
4 ein weiteres Diagramm verschiedener Signale der Lambdasonde nach dem Abgaskatalysator über der Zeit.
Die vereinfachte Darstellung aus 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem vorgeschalteten Ansaugstrang 2 und einem nachgeschalteten Abgasstrang 3.
Der Ansaugstrang 2 umfasst eine Luftmengenregeleinrichtung 4, die zum Beispiel als einfache Klappe ausgebildet ist und die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luftmenge begrenzt.
Der Abgasstrang 3 umfasst einen Abgaskatalysator 5, der zum Beispiel als ein Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist, eine stromauf des Abgaskatalysators 5 angeordnete erste Lambdasonde 6a, sowie eine stromab des Abgaskatalysators 5 angeordnete zweite Lambdasonde 6b. Außerdem kann dem Abgaskatalysator 5 noch eine Temperaturerfassungseinrichtung 7 zugeordnet sein, die eine Anzahl von axial zum Abgaskatalysator 5 äquidistant verteilten Einzelsensoren umfasst, wodurch die sich innerhalb des Abgaskatalysators 5 ausbildende Temperaturverteilung direkt messbar ist.
An die Stelle des gemessenen Signals der ersten Lambdasonde 6a kann jedoch auch ein mittels einer Modellberechnung erhaltener Lambdawert treten. Und auch die Temperaturverteilung kann anstelle einer Messung durch die Temperaturerfassungseinrichtung 7 ebenfalls mittels eines Temperaturmodells berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird die Luftmengenregeleinrichtung 4 beim Vorliegen einer Schubphase der Brennkraftmaschine 1 für eine Dauer von bis zu 10 Sekunden beispielsweise vollständig geöffnet. Dadurch wird der im Abgasstrang 3 befindliche betriebswarme Abgaskatalysator 5 mit Ansaugluft geflutet und wirkungsvoll gekühlt, so dass sich in seinem Innern ein für seine anschließende Bewertung geeigneter Temperaturgradient ausbildet.
Die 2 und 3 veranschaulichen, wie sich die aus den Signalen der beiden Lambdasonden 6a, 6b und der Temperaturverteilung berechnete Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC eines Abgaskatalysators 5 in Abhängigkeit von der Alterung verändert.
In 2 wird anhand des Vergleichs von einer ersten Kurve OSC_neu für einen neuen Abgaskatalysator 5 und einer zweiten Kurve OSC_alt für einen alten Abgaskatalysator 5 deutlich, dass sich die maximal erreichbare Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC mit zunehmender Alterung reduziert. Zudem verschiebt sich mit zunehmender Alterung die mittlere Temperatur T, bei welcher der Abgaskatalysator 5 seine maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC erreicht nach oben.
Und bei 3 wird anhand einer ersten Kurve OSC_neu für einen neuen Abgaskatalysator 5 und zwei weiteren Kurven OSC_alt1 und OSC_alt2 für gleich alte Abgaskatalysatoren 5 gezeigt, dass die maximal erreichbare Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC des Abgaskatalysators 5 mit zunehmender Alterung abnimmt. Dabei zeigt sich außerdem der Effekt, dass eine Schädigung des in Strömungsrichtung am Anfang des Abgaskatalysators 5 liegenden Bereiches gemäß der Kurve OSC_alt1 einen zeitlich früheren Abfall der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC bedingt, während eine Schädigung des in Strömungsrichtung am Ende des Abgaskatalysators 5 liegenden Bereiches gemäß der Kurve OSC_alt2 keinen wesentlichen Einfluss auf den Abfall der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC hat.
Schließlich stellt 4 dar, wie aus dem Verlauf des Spannungssignals U-_Lambda der dem Abgaskatalysator 5 nachgeschalteten zweiten Lambdasonde 6b über der Zeit t auf das Vorliegen einer Schädigung von verschiedenen axialen Bereichen des Abgaskatalysators 5 geschlossen werden kann. Dazu enthält 4 eine erste Kurve U_neu für einen neuen Abgaskatalysator 5 ohne Schädigung sowie drei weitere Kurven U_alt1, U_alt2 und U_alt3 für einen alten Abgaskatalysator 5 mit unterschiedlichen Schädigungen. Grundsätzlich gilt, dass die zweite Lambdasonde 6b das Vorliegen einer Schädigung des Abgaskatalysators 5 anzeigt, indem das Spannungssignal U_Lambda der zweiten Lambdasonde 6b vorzeitig ansteigt. Dabei erfolgt der Anstieg bei einer Schädigung des in Strömungsrichtung am Anfang liegenden Bereiches des Abgaskatalysators 5 gemäß der Kurve U_alt1 zeitlich früher als bei einer Schädigung des in Strömungsrichtung am Ende liegenden Bereiches des Abgaskatalysators 5 gemäß der Kurve U_alt2. Besteht bei dem gealterten Abgaskatalysator 5 jedoch sowohl eine Schädigung des Anfangsbereiches als auch des Endbereiches, dann addiert sich der Anstieg der Spannungssignale der beiden Kurven U_alt1 und U_alt2, so dass sich ein Verlauf gemäß der Kurve U_alt3 ergibt.
Liegt die Schädigung also am Anfang des Abgaskatalysators 5, so wird auf eine zu erwartende Verschlechterung der insbesondere während Startphasen zu bewältigenden Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) geschlossen und liegt die Schädigung am Ende des Abgaskatalysators 5, so wird hingegen auf eine zu erwartende Verschlechterung der Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) oder Stickoxiden (NOx) geschlossen. Dementsprechend wird schließlich ein Defekt des Abgaskatalysators 5 angezeigt.

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugstrang
3: Abgasstrang
4: Luftmengenregeleinrichtung
5: Abgaskatalysator
6a: erste Lambdasonde
6b: zweite Lambdasonde
7: Temperaturerfassungseinrichtung

Claims

Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, basierend auf den gemessenen oder berechneten Signalen einer vor dem Abgaskatalysator angeordneten ersten Lambdasonde und einer nach Abgaskatalysator angeordneten zweiten Lambdasonde, wobei die beiden Lambdasonden bzw. der Abgaskatalysator ihre Betriebstemperatur erreicht haben, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Schubphase der Brennkraftmaschine (1) eine im Ansaugstrang (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordnete Luftmengenregeleinrichtung (4) zumindest teilweise geöffnet wird, um den im Abgasstrang (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgaskatalysator (5) zu kühlen, so dass sich im Abgaskatalysator (5) eine axiale Temperaturverteilung über der Zeit ausbildet, wobei aus den Signalen der beiden Lambdasonden (6a, 6b) und der Temperaturverteilung die axiale Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) des Abgaskatalysators (5) berechnet wird und anhand dieser Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) die Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators (5) beurteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Temperaturverteilung über der Zeit mittels einer Temperaturerfas sungseinrichtung (7) gemessen wird oder mittels eines Temperaturmodells berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf der Verteilung der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) verschiedene axiale Bereiche des Abgaskatalysators (5) beurteilt werden, wobei eine vorgegebene Grenzwerte überschreitende Abnahme der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) in wenigstens einem der axialen Bereiche des Abgaskatalysators (5) eine Schädigung indiziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abnahme der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) bzw. einer Schädigung des in Strömungsrichtung am Anfang liegenden axialen Bereiches des Abgaskatalysators (5) auf eine verschlechterte Konvertierung der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffs (HC) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abnahme der Sauerstofffähigkeit (OSC) bzw. einer Schädigung des in Strömungsrichtung am Ende liegenden axialen Bereiches des Abgaskatalysators (5) auf eine verschlechterte Konvertierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt wird, in denen eine signifikante Abnahme der Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators (5) zu erwarten ist.