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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Katalysatorsystems eines Verbrennungsmotors, das wenigstens einen Zweig mit einem Frontkatalysator und einem Hauptkatalysator aufweist, wobei die Beurteilung der Funktionsfähigkeit in Abhängigkeit von einer Sauerstoffspeicherkapazität des Frontkatalysators erfolgt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils per se bekannt.
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Der Hauptkatalysator weist in der Regel das größere Volumen auf und ist aus Platzgründen unter dem Fahrzeugboden angeordnet. Der in der Regel kleinere Frontkatalysator ist dagegen näher am Verbrennungsmotor angeordnet, um nach einem Kaltstart schnell aufgeheizt zu werden und möglichst frühzeitig seine Light off Temperatur zu erreichen, bei der seine Schadstoffkonvertierung einsetzt.
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Auf Grund von Forderungen des Gesetzgebers in den USA und in der EU müssen abgasrelevante Komponenten von Kraftfahrzeugen im Betrieb des Kraftfahrzeuges überwacht werden. Zu den abgasrelevanten Komponenten zählen insbesondere auch Katalysatoren, die unter anderem im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe (HC) mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid konvertieren. Dabei geht man von einer Korrelation zwischen der HC-Konvertierungsfähigkeit und einer Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators aus. Die Sauerstoffspeicherkapazität ist durch Auswerten von Signalen sauerstoffempfindlicher Abgassensoren und Signalen anderer Sensoren, aus denen sich ein Abgasmassenstrom bestimmen lässt, im Betrieb des Kraftfahrzeugs bestimmbar.
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Zur Zeit wird die Diagnose jedes einzelnen Katalysators unabhängig voneinander durchgeführt, indem seine Sauerstoffspeicherkapazität ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird. Ist die Sauerstoffspeicherkapazität kleiner als der Schwellenwert, wird eine entsprechende Fehlermeldung im Steuergerät abgelegt. Nach statistischer Absicherung der Fehlermeldung durch wiederholte Durchführung des Verfahrens wird eine Fehlerlampe (malfunction indicator light MIL) eingeschaltet, die den Fahrer zu einem Werkstattbesuch auffordert. In der Werkstatt wird der als fehlerhaft beurteilte Katalysator ausgetauscht.
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Bisher wurden Katalysatoren in Katalysatorsystemen der eingangs genannten Art individuell geprüft und beurteilt. Eine solche individuelle Prüfung sämtlicher Katalysatoren eines Mehrkatalysatorsystems erfordert viel Zeit, was vor allem in gesetzlich vorgeschriebenen Prüfzyklen (zum Beispiel Federal Test Procedure FTP 75 in USA) problematisch ist. In solchen Testzyklen wird der Betriebszustand des Verbrennungsmotors häufig geändert, so dass Phasen mit Betriebszuständen, die für eine Katalysatordiagnose geeignet sind, nur kurzzeitig auftreten. Ferner führt jede Einzelkatalysatordiagnose zu einem geringen Kraftstoff-Mehrverbrauch im Vergleich zum Betrieb ohne Diagnose und ferner zu einer Erhöhung der Rohemissionen des Verbrennungsmotors, also der Menge an emittierten Schadstoffen.
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Weiter offenbart die
DE 10 2004 006 992 A1 ein Diagnoseverfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Katalysatorsystems in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Otto- oder Dieselmotor, insbesondere mit Direkteinspritzung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Katalysatorsystem wenigstens einen Vorkatalysator und wenigstens einen im Abgasstrang stromab des Vorkatalysators angeordneten Hauptkatalysator aufweist. Das Verfahren weist die Schritte auf, dass ein Wert für die Konvertierungsleistung von wenigstens einem der Vorkatalysatoren und Vergleichen des Wertes für die Konvertierungsleistung mit einem vorbestimmten ersten Grenzwert, erzeugen des Diagnoseergebnisses und Beenden des Diagnoseverfahrens, falls alle im ersten Schritt bestimmten Werte für die Konvertierungsleistung der Vorkatalysatoren den vorbestimmten ersten Grenzwert erreichen oder überschreiten, oder Ermitteln eines Wertes für die Konvertierungsleistung des Hauptkatalysators und Vergleich des Wertes für die Konvertierungsleistung des Hauptkatalysators mit einem vorbestimmten zweiten Grenzwert, falls wenigstens einer der im ersten Schritt genannten bestimmten Werte für die Konvertierungsleistung der Vorkatalysatoren unterhalb des vorbestimmten ersten Grenzwerts liegen.
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US 6 151 889 A offenbart ein Überwachungsverfahren für eine katalytische Reaktion für einen Motor, der nachgelagert zwei Katalysatoren aufweist, wobei die Katalysatoren erste und zweite Abgassauerstoffsensoren aufweisen, die jeweils stromaufwärts und stromabwärts zum jeweiligen Katalysator platziert sind. Ein dritter und ein vierter Sauerstoffsensor sind jeweils dem zweiten Katalysator stromaufwärts vorgelagert und stromabwärts nachgelagert. Die aus den Sauerstoffsensoren ermittelten Daten werden jeweils zur Ermittlung der Gesamtkonversionsrate der jeweiligen Katalysatoren herangezogen.
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Offenbarung der Erfindung
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Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die Erfindung jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Dadurch, dass das Katalysatorsystem unabhängig von einer Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators als funktionsfähig beurteilt wird, wenn eine Sauerstoffspeicherfähigkeit seines Frontkatalysators größer als ein erster Schwellenwert ist, kann bei einem hinreichend guten Frontkatalysator auf eine Diagnose des zugehörigen Hauptkatalysators verzichtet werden. Dadurch wird die zur Prüfung des Hauptkatalysators erforderliche Zeit eingespart und die mit der Prüfung des Hauptkatalysators verbundene Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Rohemissionen des Verbrennungsmotors vermieden.
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Der Vorteil der Zeitersparnis ist besonders bei einem Abgassystem mit mehreren Zweigen wichtig, von denen jeder einen Frontkatalysator und einen Hauptkatalysator aufweist. Solche Abgassysteme besitzen in der Regel zwei Zweige und damit insgesamt wenigstens vier Katalysatoren, was bei einer individuellen Prüfung jedes einzelnen Katalysators einen entsprechend großen Zeitaufwand und eine entsprechende Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen zur Folge hat. Die Erfindung verringert hier sowohl den Zeitaufwand als auch die unerwünschte Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen wesentlich.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen Verbrennungsmotor mit einem Steuergerät und einem Katalysatorsystem mit einem Zweig;
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2 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
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3 Zuordnungen von Wertepaaren von Sauerstoffspeicherkapazitäten eines Frontkatalysators und eines Hauptkatalysators zu verschiedenen Diagnoseergebnissen;
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4 einen Verbrennungsmotor mit einem Steuergerät und einem Katalysatorsystem mit zwei Zweigen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 Zuordnungen von Wertepaaren von Sauerstoffspeicherkapazitäten eines Frontkatalysators und eines Hauptkatalysators zu verschiedenen Diagnoseergebnissen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6 ein Flussdiagramm als weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens; und
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7 eine Beurteilungsmatrix für das Katalysatorsystem mit zwei Zweigen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Katalysatorsystem 12, das wenigstens einen Zweig 14 aufweist, einem Steuergerät 16 sowie verschiedenen Sensoren und Stellgliedern. Diese Figur dient der allgemeinen Erläuterung der Erfindung. Das Steuergerät 16 ist dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner Ausgestaltungen durchzuführen und dabei insbesondere die entsprechenden Verfahrensabläufe zu steuern. Wenn das Steuergerät dabei eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysatorsystems feststellt, schaltet es in einer Ausgestaltung eine Fehlerlampe MIL und/oder speichert eine entsprechende Fehlermeldung ab.
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In der Ausgestaltung der 1 verarbeitet das Steuergerät 16 insbesondere das Signal eines Luftmassenmessers 18, der die in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse mL misst, das Signal eines Drehzahlsensors 20, der eine Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 misst, das Signal FW eines Fahrerwunschgebers 22, der eine Drehmomentanforderung durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs erfasst, und Signale L1, L2 und L3 von Abgassensoren S1, S2, S3, die an verschiedenen Stellen im Zweig 14 angeordnet sind. In Abhängigkeit von diesen Signalen bildet das Steuergerät 16 Stellsignale zur Ansteuerung von Stellgliedern des Verbrennungsmotors 10, mit denen das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 10 gesteuert wird. Das Betriebsverhalten wird insbesondere durch das Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 charakterisiert, das unter anderem von der Füllung seiner Brennräume mit Kraftstoff/Luftgemisch, der Luftzahl L oder Lambda des Kraftstoff/Luftgemisches und dem zeitlichen Ablauf der Verbrennung der Brennraumfüllungen bestimmt wird. Die Luftzahl L oder Lambda gibt bekanntlich das Verhältnis zweier Luftmassen an, wobei im Nenner eine Luftmasse steht, die für eine stöchiometrische Verbrennung einer bestimmten Kraftstoffmasse erforderlich ist, während die Luftmasse im Zähler die tatsächlich an der Verbrennung beteiligte Luftmasse angibt. Lambdawerte L > 1 entsprechen daher einem Luftüberschuss und Luftzahlen L < 1 entsprechen einem Luftmangel.
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In der Ausgestaltung der 1 wird die Füllung der Brennräume durch ein Luftmassenstellglied 24 im Ansaugsystem 26 mit einem Stellsignal S_mL gesteuert. Kraftstoff wird dazu durch eine Injektoranordnung 28 mit Stellsignalen S_K zugemessen. Die Injektoranordnung 28 kann zylinderindividuelle Injektoren für eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume des Verbrennungsmotors 10 oder einen oder mehrere Injektoren für eine Einspritzung von Kraftstoff in das Ansaugsystem 26 des Verbrennungsmotors 10 aufweisen. Bei einem Ottomotor als Verbrennungsmotor 10 dient eine Zündvorrichtung 32, die mit Stellsignalen S_ZW angesteuert wird, zur Zündung der Brennraumfüllungen. Die Erfindung ist aber nicht auf eine Verwendung bei Ottomotoren begrenzt, sondern kann auch bei Dieselmotoren verwendet werden, bei denen die Verbrennung durch eine Einspritzung ausgelöst wird.
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Beispiele von Luftmassenstellgliedern 24 sind Drosselklappen, Abgasrückführventile oder Stellglieder variabler Ventilsteuerungen. Das aus der Verbrennung resultierende Abgas wird durch das Katalysatorsystem 12 gereinigt, das dazu wenigstens einen Frontkatalysator FK und einen Hauptkatalysator HK aufweist. Der Frontkatalysator FK ist vor dem Hauptkatalysator HK in dem Zweig 14 zwischen einem ersten Abgassensor S1 und einem zweiten Abgassensor S2 angeordnet. Der Hauptkatalysator HK ist zwischen dem zweiten Abgassensor S2 und dem dritten Abgassensor S3 angeordnet. Die Abgassensoren S1, S2 und S3 sind bevorzugt handelsübliche, sauerstoffempfindliche Lambda-Sonden, wie sie zum Beispiel im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 25. Aufl., ISBN 3-528-23876-3 auf den Seiten 133 und 134 vorgestellt werden.
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Im Folgenden wird eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezug auf die 2 und 3 erläutert. Diese Figuren dienen ebenfalls der allgemeinen Erläuterung der Erfindung. Der Schritt 36 in der 2 repräsentiert ein Hauptprogramm zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10, mit dem das Steuergerät 16 die Signale der Sensoren aus der 1 verarbeitet und daraus Stellsignale bildet, mit denen es die Stellglieder aus der 1 ansteuert. Im Schritt 38 wird wiederholt überprüft, ob eine Diagnose des Katalysatorsystems 12 durchzuführen ist. Eine Diagnose ist zum Beispiel dann durchzuführen, wenn der Verbrennungsmotor 10 gestartet wurde, die Katalysatoren FK, HK ihre Light-Off-Temperatur erreicht haben, die Betriebsbedingungen hinreichend stationär sind und die Diagnose im aktuellen Fahrzyklus noch nicht vollständig durchgeführt worden ist. Beim Verneinen der Frage im Schritt 38 verzweigt das Programm zurück in das Hauptprogramm HP, in dem die Steuerung des Verbrennungsmotors 10 ohne die Katalysatordiagnose fortgesetzt wird. Wird die Abfrage im Schritt 38 dagegen bejaht, schließt sich im Schritt 40 eine Messung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK an.
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Die Messung der Sauerstoffspeicherkapazität basiert auf einem Vergleich der Signale L1 und L2 der beiden Abgassensoren S1 und S2. Ein erstes Verfahren ist passiver Natur. Dieses Verfahren nutzt eine Schwingung aus, die sich in der Sauerstoffkonzentration vor dem Frontkatalysator FK1 bei einer Regelung der Luftzahl Lambda oder L1 durch das Steuergerät 16 einstellt. Diese Schwingung bildet sich im Signal L1 des Abgassensors S1 deutlich ab. Aufgrund seiner Speicherwirkung für Sauerstoff wirkt ein funktionsfähiger Frontkatalysator FK1 wie ein Tiefpass auf die Sauerstoffkonzentration, so dass sich die Schwingung im Signal L2 des zweiten Abgassensors S2 nur in gedämpfter Form abbildet. Mit zunehmender Alterung und damit abnehmender Sauerstoffspeicherkapazität des Frontkatalysators 1 bildet sich die Schwingung auch im Signal L2 ausgeprägter ab und wird dem Signal L1 ähnlicher. Aus der Amplitude des Signals L2 kann durch entsprechende Filtermaßnahmen die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK bestimmt werden.
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Bei einem zweiten, alternativ zum ersten Verfahren durchgeführten Verfahren erfolgt die Messung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK dadurch, dass zunächst eine reduzierende Abgasatmosphäre vor dem Frontkatalysator FK erzeugt wird. Dazu wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem Kraftstoff/Luftgemisch mit einer Luftzahl L1 < 1, zum Beispiel einer Luftzahl L1 = 0,97 betrieben. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden dann mit dem Abgasmassenstrom in den Frontkatalysator FK eingebracht und reagieren dort mit gespeichertem Sauerstoff. Die reduzierende Abgasatmosphäre wird in einer Ausgestaltung so lange aufrechterhalten, bis entweder sämtlicher Sauerstoff im Katalysator verbraucht ist, oder der Katalysator durch die reduzierende Abgasatmosphäre reproduzierbar vorkonditioniert worden ist. Eine reproduzierbare Vorkonditionierung ergibt sich in einer Ausgestaltung durch Einbringen einer definierten Menge fetten Abgases nach Erreichen eines bestimmten Signalpegels des zweiten Abgassensors S2. In der Ausgestaltung der 1 wird der Verbrauch sämtlichen Sauerstoffs durch das Verhalten des Signals des zweiten Abgassensors S2 erkannt.
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Im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Verbrennungsmotors 10 auf der Basis des Signals des vorderen Abgassensors S1 geregelt. Dabei wird die bereits genannte periodische Schwingung der Sauerstoffkonzentration vor dem Frontkatalysator FK erzeugt. Hinter dem Frontkatalysator FK tritt die Schwingung unter regulären Bedingungen nur in stark gedämpfter Form auf, so dass der hintere Abgassensor S2 unter diesen Bedingungen eine mittlere Sauerstoffkonzentration anzeigt. Wenn dann durch die reduzierende Abgasatmosphäre sämtlicher Sauerstoff aus dem Frontkatalysator FK verbraucht worden ist, zeigt auch der zweite Abgassensor S2 einen Sauerstoffmangel an. Der Frontkatalysator FK ist damit definiert entleert. Das Steuergerät 16 erkennt diesen Zustand aus dem Signal L2 des zweiten Abgassensors S2 und erzeugt anschließend eine oxidierende Abgasatmosphäre vor dem Frontkatalysator FK, indem es zum Beispiel die einzuspritzenden Kraftstoffmengen verringert. Die oxidierende Abgasatmosphäre wird in einer Ausgestaltung so lange aufrechterhalten, bis der zweite Abgassensor S2 ebenfalls einen Sauerstoffüberschuss registriert.
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Durch Integrieren des Produktes aus dem Abgasmassenstrom und dem überschüssigen Sauerstoffanteil während der oxidierenden Abgasatmosphäre (Differenz aus aktuell gemessener Luftzahl L1 und dem stöchiometrischen Lambda-Wert von 1.0) bestimmt das Steuergerät 16 die Sauerstoffspeicherkapazität als Wert des Integrals, wobei die Integration bis zum Auftreten von Sauerstoffüberschuss an dem zweiten Abgassensor S2 erfolgt. Der Wert des Integrals entspricht dann der gesuchten Sauerstoffspeicherfähigkeit OS_FK. Ein Maß für den Abgasmassenstrom ist dem Steuergerät 16 durch die gemessene Luftmasse mL und die zugemessene Kraftstoffmasse bekannt. Dieses zweite Verfahren wird im Folgenden auch als aktives Verfahren bezeichnet, weil es einen aktiven Eingriff in die Bildung des Kraftstoff/Luftgemisches für den Verbrennungsmotor 10 erfordert.
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Anschließend wird die gemessene Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK im Schritt 42 mit einem ersten Schwellenwert OSCFKDMX (Oxygen Storage Capacity Front Catalyst Diagosis Maximum) verglichen. Wenn die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK größer als dieser Schwellenwert ist, verzweigt das Programm in den Schritt 44, in dem der komplette Zweig 14 als funktionsfähig (i. O. = in Ordnung) beurteilt wird. Daran schließt sich eine Rückkehr ins Hauptprogramm des Schritts 36 an. Der erste Schwellenwert OSCFKDMX ist bevorzugt so vorbestimmt, dass Schadstoffgrenzwerte auch bei einer Entfernung des Hauptkatalysators HK nicht überschritten werden.
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Bei einer Prüfung und Beurteilung eines Katalysatorsystems müssen Fehler erkannt und identifiziert werden, die zu einer Überschreitung eines bestimmten Grenzwertes für Schadstoffemissionen führen. Der Grenzwert liegt zum Beispiel bei dem 1,5-fachen der für eine Neuzulassung eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor erlaubten Schadstoffmengen. Ein Katalysator, dessen Sauerstoffspeicherkapazität die Grenze zwischen einer gerade noch ausreichenden Sauerstoffspeicherfähigkeit und einer gerade nicht mehr ausreichenden Sauerstoffspeicherfähigkeit markiert, wird auch als Grenzkatalysator bezeichnet. Da Katalysatoren im Betrieb des Verbrennungsmotors altern und sich ihre Konvertierungsfähigkeit dabei sukzessive verringert, werden sie so dimensioniert, dass ihre Sauerstoffspeicherfähigkeit im Neuzustand weitaus größer ist als die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Grenzkatalysators (ca. eine Zehnerpotenz).
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Die überschüssige Sauerstoffspeicherfähigkeit wird im Folgenden auch als Bonus bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird ein Betrag einer Sauerstoffspeicherkapazität, die einem gealterten Katalysator im Vergleich zu einem Grenzkatalysator fehlt, als Malus bezeichnet. Die dargestellte Ausgestaltung basiert auf der Erkenntnis, dass ein ausreichend großer Bonus des Frontkatalysators einen unter Umständen vorhandenen Malus des Hauptkatalysators überkompensieren kann, so dass der gesamte Zweig insgesamt noch eine ausreichende Schadstoffkonvertierungsfähigkeit besitzt.
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Dabei kommt es nicht nur auf die Summe der Sauerstoffspeicherfähigkeiten von Frontkatalysator und Hauptkatalysator des Zweiges an, sondern auch die räumliche Verteilung der Sauerstoffspeicherkapazitäten spielt eine Rolle. Es ist insbesondere so, dass ein Bonus des Hauptkatalysators einen Malus des Frontkatalysators nur eingeschränkt kompensieren kann. Das liegt daran, dass der Frontkatalysator wegen seines kleineren Abstandes zum Verbrennungsmotor 10 einen entscheidenden Einfluss auf die Emissionen nach einem Kaltstart hat.
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Trägt man mögliche Sauerstoffspeicherkapazitäten OSC_FK des Frontkatalysators FK auf der Abszisse und mögliche Sauerstoffspeicherkapazitäten des Hauptkatalysators HK auf der Ordinate eines kartesischen Koordinatensystems ab, ergeben sich bei einer Ausgestaltung der Erfindung die in der 3 dargestellten Bereiche. Bei der genannten Festlegung des ersten Schwellwertes OSCFKDMX und einer Überschreitung dieses Schwellwertes durch die gemessene Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK reicht bereits der Frontkatalysator FK allein aus, um die Schadstoffgrenzwerte einhalten zu können. Es kommt daher nicht auf die Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators HK an. Werte der Sauerstoffspeicherkapazität des Frontkatalysators, die größer als der erste Schwellwert OSCFKDMX sind, werden im Folgenden auch als sehr gute Werte bezeichnet. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die gemessene Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK alternativ dem Bereich F1 sehr guter Werte, einem Bereich F2 guter Werte, einem Bereich F3 kritischer Werte und einem Bereich F4 schlechter Werte zugeordnet. Für F2 gilt: OSCFKD < OSC_FK < OSCFKDMX, für F3 gilt: OSCFKDMN < QSC_FK < OSCFKD, wobei MN für Minimum steht, und für F4 gilt: OSC_FK < OSCFKDMN.
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Für Werte der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK aus dem Bereich F4 ist der Zweig immer als funktionsunfähig zu beurteilen, da die Kaltstartemissionen auch bei einem neuen Hauptkatalysator HK nicht eingehalten werden können. Für die guten oder kritischen Werte der Sauerstoffspeicherkapazitäten OSC_FK des Frontkatalysators FK aus den Bereichen F2 und F3 kommt es dagegen auf die Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators HK an.
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Für eine Unterscheidung zwischen noch funktionsfähigen Zweigen 14 und nicht mehr funktionsfähigen Zweigen 14 wird auch die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK einem Bereich H1 sehr guter Werte mit OSC_HK > OSCHKDMX, einem Bereich H2 guter Werte mit OSCHKD < OSC_HK < OSCHKDMX oder einem ersten Bereich H3 schlechter Werte mit OSC_HK < OSCHKD zugeordnet. Bei einer solchen Einteilung ergeben sich die in der 3 dargestellten flächigen Bereiche 1, 2a, 2b, 3a, 3b und 4. Für Werte aus den schraffierten Bereichen 2b, 3b und 4 wird der Zweig jeweils als nicht funktionsfähig beurteilt, während er für Wertepaare aus den nicht schraffierten Bereichen 1, 2a, 3a als funktionsfähig beurteilt wird.
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Die Ermittlung und Zuordnung ergibt sich in einer Ausgestaltung nach dem Flussdiagramm der 2. Die Zuordnung zum Bereich 1 erfolgt, wenn die bereits weiter oben beschriebene Abfrage im Schritt 42 bejaht wird. Wird sie dagegen verneint, schließt sich eine weitere Abfrage im Schritt 46 an, indem die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK mit dem Schwellenwert OSCFKDMN verglichen wird. Ist die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK zu klein, wird die Abfrage im Schritt 46 verneint, was einer Zuordnung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK zu dem Bereich F4 schlechter Werte entspricht. In diesem Fall wird der Zweig im Schritt 48 als funktionsunfähig (n. i. O. = nicht in Ordnung) beurteilt und im Schritt 50 wird, gegebenenfalls nach statistischer Absicherung durch mehrmaliges Ausführen des Verfahrens, die Fehlerlampe MIL aktiviert.
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Wird die Abfrage im Schritt 46 dagegen bejaht, kommt es für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Zweiges 14 auch auf die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK des Hauptkatalysators HK an. Daher wird im Schritt 52 diese Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK gemessen, wobei die Messung bevorzugt nach dem weiter oben erwähnten aktiven Verfahren durchgeführt wird. Dabei wird die Sauerstoffspeicherkapazität durch die oben beschriebene Integralbildung auf der Basis der Differenz der Luftzahl L2 und dem stöchiometrischen Lambda-Wert von 1.0 ermittelt, die mit dem zweiten Abgassensor S2 erfasst wird. Im Schritt 54 wird überprüft, ob die erfasste Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK größer als der Schwellenwert OSCHKDMX ist. Wenn die Abfrage im Schritt 54 bejaht wird, wird der Zweig 14 im Schritt 56 als funktionsfähig (i. O. = in Ordnung) beurteilt.
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Wird die Abfrage im Schritt 54 dagegen nicht bejaht, schließt sich eine weitere Abfrage im Schritt 58 an, in dem überprüft wird, ob die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK des Hauptkatalysators HK größer als der Schwellenwert OSCHKD ist und ob gleichzeitig die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK größer als der Schwellenwert OSCFKD ist. Wird die Abfrage im Schritt 58 bejaht, liegt das Wertepaar aus den beiden Sauerstoffspeicherkapazitäten OSC_FK und OSC_HK im Bereich 2a und der Zweig 14 wird im Schritt 60 entsprechend als funktionsfähig beurteilt. Wird die Abfrage im Schritt 58 dagegen verneint, liegt der genannte Wertebereich entweder im Bereich 3b oder 2b und der Zweig wird im Schritt 62 als nicht funktionsfähig (n. i. O. = nicht in Ordnung) beurteilt. Als Folge wird im Schritt 64 die Fehlerlampe MIL eingeschaltet, wenn sich dieses Ergebnis bei wiederholtem Verfahrensdurchlauf im Rahmen einer statistischen Absicherung bestätigt.
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Durch diese Ausgestaltung werden die Katalysatoren FK und HK gemeinsam beurteilt, wobei ein Bonus des einen Katalysators einen Malus des anderen Katalysators ausgleichen kann. Bei einer jeweils getrennt erfolgenden Diagnose der einzelnen Katalysatoren FK und HK wäre der Hauptkatalysator für Werte seiner Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK < OSCHKD als schlecht zu beurteilen, wodurch der gesamte Zweig 14 auch bei Wertepaaren aus dem Bereich 1a als nicht ausreichend funktionsfähig zu beurteilen wäre. Entsprechendes gilt für den Bereich 3a, in dem die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK bei isolierter Betrachtung ebenfalls zu einer Beurteilung des Frontkatalysators FK und damit des Zweiges 14 als nicht ausreichend funktionsfähig führen würde. Im Ergebnis wird der Zweig 14 nicht nur dann als funktionsfähig beurteilt, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK in dem Bereich F2 guter Werte liegt und die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK des Hauptkatalysators HK mindestens im Bereich guter Werte liegt. Der Zweig 14 wird auch dann als funktionsfähig beurteilt, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK des Frontkatalysators FK in dem Bereich F3 kritischer Werte liegt, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK des Hauptkatalysators HK gleichzeitig in dem Bereich H1 sehr guter Werte liegt.
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4 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Katalysatorsystem 13, das einen ersten Zweig 15 und einen zweiten Zweig 17 aufweist. Der erste Zweig 15 wird von Abgas aus wenigstens einem Brennraum 19 und/oder 21 des Verbrennungsmotors 10 durchströmt und weist einen ersten Frontkatalysator FK1 und einen ersten Hauptkatalysator HK1 auf. Der zweite Zweig 17 wird von Abgas aus wenigstens einem zweiten Brennraum 23 und/oder 25 des Verbrennungsmotors 10 durchströmt und weist einen zweiten Frontkatalysator FK2 und einen zweiten Hauptkatalysator HK2 auf. Ferner weist der erste Zweig 15 einen ersten Abgassensor S1_1, einen zweiten Abgassensor S2_1 und einen dritten Abgassensor S3_1 auf. Analog weist der zweite Zweig 17 einen ersten Abgassensor S1_2, einen zweiten Abgassensor S2_2 und einen dritten Abgassensor S3_2 auf.
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Mit Blick auf die Anordnung von Frontkatalysator und Hauptkatalysator sowie der jeweils zugeordneten Abgassensoren entspricht damit jeder der beiden Zweige 15 und 17 einem Zweig 14, wie er in Verbindung mit der 1 vorgestellt wurde und dessen Diagnose mit Blick auf die 2 und 3 erläutert worden ist. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jeder Zweig 15 und 17 des Katalysatorsystem 13 aus der 4 so geprüft, wie es im Zusammenhang mit den 1–3 für den Zweig 14 aus der 1 erläutert worden ist.
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Im Ergebnis bedeutet dies, dass das Katalysatorsystem 13 als funktionsfähig beurteilt wird, wenn jeder seiner beiden Zweige 15 und 17 unabhängig voneinander als funktionsfähig beurteilt wird, wobei jeder der Zweige 15 und 17 so wie der Zweig 14 beurteilt wird. Mit anderen Worten: Auch bei dem Katalysatorsystem 13 nach der 4 werden Frontkatalysator und Hauptkatalysator eines Zweiges jeweils gemeinsam beurteilt.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden beide Zweige 15 und 17 bei der Prüfung des Katalysatorsystem 13 gemeinsam beurteilt, so dass ein Bonus des Zweiges 15 einen Malus des Zweiges 17 kompensieren kann und umgekehrt.
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Für ein Verständnis der gemeinsamen Bewertung der beiden Zweigen 15 und 17 wird zunächst auf die 5 verwiesen. Die 5 zeigt das Koordinatensystem aus der 3 für den Zweig 15 des Katalysatorsystems 13. Für den Zweig 17 ergibt sich eine analoge Darstellung. Die 3 und 5 unterscheiden sich durch die Bereiche 2c und 3c.
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Durch diese zusätzlichen Bereiche 2c und 3c sind die Bereiche 2b und 3b in der 5 kleiner als in der 3. Dieser Unterschied ergibt sich u. a. daraus, dass die ermittelte Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK1 beim Gegenstand der 5 alternativ dem Bereich H1 sehr guter Werte, dem Bereich H2 guter Werte, einem Bereich H4 kritischer Werte oder einem zweiten Bereich H5 schlechter Werte OSC_HK1 < OSCHKDMN schlechter Werte zugeordnet wird.
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Bei Wertpaaren der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK1 und OSC_HK1, die in einem der Bereiche 2c oder 3c liegen, wird der Zweig 15 zunächst als kritisch beurteilt. D. h. insbesondere, dass er zunächst weder als funktionsfähig (Bereiche 1, 2a, 3a), noch als funktionsunfähig (Bereiche 2b, 3b, 4) beurteilt wird.
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Um einen zunächst als kritisch beurteilten Zweig 15 definitiv als noch ausreichend funktionsfähig (gut) oder nicht mehr ausreichend funktionsfähig zu beurteilen, erfolgt diese Beurteilung in Abhängigkeit von der Beurteilung der Funktionsfähigkeit des anderen Zweigs 17.
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Dabei wird eine Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Zweiges 15 als kritisch durch eine Beurteilung des anderen Zweigs 17 als gut geheilt, d. h., in eine Beurteilung als gut umgewandelt. Eine Beurteilung des Zweiges 17 als gut bedeutet, dass der Zweig 17 noch einen Bonus an Sauerstoffspeicherkapazität und damit einen Bonus an Schadstoffkonvertierungsfähigkeit aufweist. Mit Blick auf die Gesamtemissionen hinter dem Katalysatorsystem 13 reicht dieser Bonus aus, um den korrespondierenden Malus auszugleichen, der bei einer Beurteilung des Zweiges 15 als kritisch vorhanden ist. Wird der andere Zweig 17 dagegen ebenfalls als kritisch oder sogar als schlecht bewertet, kann der Malus des Zweiges 15 nicht ausgeglichen werden. Als Folge wird der Zweig 15 in diesem Fall als nicht mehr funktionsfähig beurteilt.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des Verfahrens für die Diagnose des Katalysatorsystem 13 mit einer gemeinsamen Bewertung beider Zweige 15, 17. Auch diese Ausgestaltung wird vom Steuergerät 16 durchgeführt und/oder gesteuert.
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Das Ablaufdiagramm weist einen linken Zweig auf, der dem linken Zweig 17 des Katalysatorsystems 13 zugeordnet ist. Ferner weist es einen rechten Zweig auf, der dem rechten Zweig 15 des Katalysatorsystems 13 zugeordnet ist. Die Schritte 66 und 68 repräsentieren jeweils Verfahrensschritte zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazitäten OSC_FK1 und OSC_FK2. Diese Schritte werden aus einem übergeordneten Programm HP 64 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 erreicht, wenn eine Diagnose durchgeführt werden soll. Die Schritte 66 und 68 zur Diagnose der Frontkatalysatoren FK1, FK2 werden bevorzugt bei jedem Aufruf der Katalysatordiagnose aus dem Hauptprogramm 64 abgearbeitet.
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Anschließend wird für jeden Zweig 15, 17 separat überprüft, ob notwendige Bedingungen HK1-B, HK2-B für eine Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK1, OSC_HK2 des zugehörigen Hauptkatalysators HK1 oder HK2 erfüllt sind. Für den Zweig 15 erfolgt dies im Schritt 70 und für den Zweig 17 erfolgt dies im Schritt 72. Die aktive Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazitäten eines Hauptkatalysators HK1 oder HK2 eines Zweiges 15 oder 17 wird dabei bevorzugt nur dann ausgeführt, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität des Frontkatalysators FK1 oder FK2 nicht im Bereich sehr guter Werte oder im Bereich schlechter Werte liegt oder wenn die Funktionsfähigkeit des anderen Zweiges als kritisch beurteilt wurde.
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Wenn die im Schritt 70 überprüfte Bedingung HK1-B erfüllt ist, erfolgt im Schritt 74 eine Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK1 des Hauptkatalysators HK1. Analog erfolgt eine Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK2 des Hauptkatalysators HK2 im Zweig 17 durch einen Schritt 76 bevorzugt nur dann, wenn die im Schritt 72 überprüften Bedingungen erfüllt sind. Die im Schritt 70 überprüften Bedingungen HK1-B sind zum Beispiel dann nicht erfüllt, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_FK1 des Frontkatalysators 1 im Bereich F1 sehr guter Werte oder im Bereich F4 sehr schlechter Werte liegt. Liegt sie dagegen in einem der Bereiche F2 oder F3, dient die anschließende Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK1 des Hauptkatalysators HK1 dazu, die Funktionsfähigkeit des zugeordneten Zweiges 15 zu beurteilen. Dies gilt in analoger Weise für die Bedingungen HK2-B. Vergleiche dazu auch 3 und die zugehörigen Erläuterungen.
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Ergibt sich nach der Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK1 des Hauptkatalysators HK1 im Zweig 15, dass die Wertepaare der Sauerstoffspeicherkapazitäten OSC_FK1 des Frontkatalysators FK1 und OSC_HK1 des Hauptkatalysators HK1 des Zweiges 15 in einem der kritischen Bereiche 2c oder 3c der 5 liegen, wird diese Information über den Pfeil 78 in den linken Zweig der 6 eingespeist. Pfeil 80 dient zur Übermittlung einer entsprechenden Information vom linken Zweig in den rechten Zweig. Durch das Signal im Zweig 78 wird eine Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK2 des Hauptkatalysators HK2 des Zweiges 17 ausgelöst.
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Die Ermittlung muss jedoch nur einmal pro Diagnoseroutine erfolgen. Wenn nach der Prüfung des Frontkatalysators FK2 bereits eine Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators H2 ausgelöst wurde, kann der dabei erhaltene Wert der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK2 des Hauptkatalysators 2 nicht nur für eine gemeinsame Bewertung der beiden Katalysatoren FK2 und HK2 des linken Zweiges 17, sondern auch für eine gemeinsame Bewertung der beiden Zweige 15 und 17 verwendet werden.
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Sämtliche Zweige des Ablaufdiagramms der 6 münden in eine Auswertungsroutine 82. Die Auswertungsroutine 82 erhält damit insbesondere Ergebnisse für jeden Zweig 15, 17. Das Ergebnis für jeden Zweig besteht darin, den Zweig entweder als gut (g), kritisch (k) oder schlecht (s) zu klassifizieren. Bezogen auf die Darstellung der 5 ergibt sich die Klassifikation g für die Bereiche 1, 2a, 3a; die Klassifikation k für die Bereiche 2c, 3c, und die Klassifikation s für die Bereiche 2b, 3b, 4. Vergleiche 5 und die zugehörigen Erläuterungen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Auswerteroutine erfolgt dann eine gemeinsame Bewertung beider Zweige 15 und 17. Die gemeinsame Bewertung erfolgt bevorzugt nach dem Schema der 7.
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Bei der 7 sind die individuellen Ergebnisse schlecht (s), kritisch (k) oder gut (g) des Zweiges 15 längs der Abszisse und die entsprechenden Ergebnisse des Zweiges 17 längs der Ordinate aufgetragen, so dass sich die dargestellten Bereiche A1 bis A3, B1 bis B3 und C1 bis C3 ergeben. Bei der bekannten Katalysatordiagnose wurde das Katalysatorsystem 13 nur dann als funktionsfähig beurteilt, wenn jeder der beiden Zweige 15, 17 bei einer individuellen Prüfung unabhängig vom Ergebnis des anderen Zweiges als funktionsfähig beurteilt wurde. Dies entspricht dem Feld A1. Bei dem hier vorgestellten Gegenstand erfolgt dagegen eine gemeinsame Bewertung beider Zweige: Das Katalysatorsystem 13 wird zusätzlich auch dann als funktionsfähig beurteilt, wenn ein Bonus eines guten Zweiges 17 (15) einen Malus eines kritischen Zweiges 15 (17) kompensiert. Dies entspricht dem Feld B1 (A2).
