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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 einen Abgasstrom durch einen ersten Katalysator und einen in Strömungsrichtung des Abgasstroms hinter dem ersten Katalysator angeordneten zweiten Katalysator führt, wobei im Betrieb des Verbrennungsmotors eine erste Sauerstoffspeicherfähigkeit als Sauerstoffspeicherfähigkeit des ersten Katalysators und eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit als Sauerstoffspeicherfähigkeit des zweiten Katalysators bestimmt wird und wobei das Katalysatorsystem als unzureichend funktionsfähig bewertet wird, wenn die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
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Die
DE 60018 947 T2 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs von mindestens zwei Katalysatortöpfen, die die Abgaskreisleitung eines Verbrennungsmotors ausstatten, der mit einem mageren Gemisch betrieben wird. Sie betrifft auch ein System zum Einsatz dieses Verfahrens.
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Die
DE 102 37 827 A1 zeigt eine Abgasanlage mit mehreren Katalysatoren für eine Brennkraftmaschine, welche wahlweise mit einem mageren, einem stöchiometrischen, oder einem fetten Gemisch betrieben werden kann.
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Die
DE 10 2004 006 992 A1 zeigt ein Diagnoseverfahren zum Bestimmen eines Zustandes eines Katalysatorsystems in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor oder Dieselmotor, insbesondere mit Direkteinspritzung, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei das Katalysatorsystem wenigstens einen Vorkatalysator und wenigstens einen im Abgasstrang stromab des Vorkatalysators angeordneten Hauptkatalysator aufweist, mit mehreren Verfahrensschritten.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils per se bekannt.
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Der erste Katalysator wird im Folgenden auch als Frontkatalysator bezeichnet, während der zweite Katalysator auch als Hauptkatalysator bezeichnet wird. 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 durch eine On Board-Diagnose überwacht werden. Zu den abgasrelevanten Komponenten zählen insbesondere auch die genannten Katalysatoren, die unter anderem im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO) zu Wasser, Kohlendioxid und molekularem Stickstoff konvertieren. Dabei geht man von einer Korrelation zwischen der Konvertierungsfähigkeit für HC, CO und NO und einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators aus. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit 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 der einzelnen Katalysatoren unabhängig voneinander durchgeführt, indem ihre Sauerstoffspeicherfähigkeiten ermittelt und jeweils mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden. Dabei wurde sowohl dem ersten Katalysator als auch dem zweiten Katalysator ein individueller Schwellenwert der Sauerstoffspeicherfähigkeit zugeordnet. Ist die ermittelte Sauerstoffspeicherfähigkeit 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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Die Festlegung des individuellen Schwellenwerts orientiert sich dabei an der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines sogenannten Grenzkatalysators. Darunter versteht man einen gealterten Katalysator, dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit die Grenze zwischen der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines gerade noch guten Katalysators und der Sauerstoffspeicherfähigkeit eines bereits gerade schlechten Katalysators markiert. Die Prüfung und Beurteilung eines bestimmten Katalysators in einem Abgasstrang erfolgt bei dem bekannten Verfahren insbesondere unabhängig davon, wie gut oder wie schlecht ein anderer Katalysator in demselben Abgasstrang beurteilt wurde. Als Folge wurden Katalysatorsysteme bereits dann als fehlerhaft beurteilt, wenn nur ein Katalysator aus dem Abgasstrang den zugeordneten Schwellenwert seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit nicht mehr erreichte.
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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 der Schwellenwert für die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit als Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt wird, wird der erste Katalysator zusammen mit dem zweiten Katalysator bewertet. Die Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit auf der Basis der erfassten Sauerstoffspeicherfähigkeiten stellt eine indirekte Beurteilung der Konvertierungsqualität dar. Bei Messungen auf Abgasprüfständen, bei denen die Mengen an emittierten Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxiden direkt nachweisbar sind, hat sich gezeigt dass ein Malus an Sauerstoffspeicherfähigkeit eines ersten Katalysators nicht zwangsläufig zu einer Überschreitung der Grenzwerte führt, wenn der zugeordnete zweite Katalysator einen Bonus an Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist.
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Die Begriffe Bonus und Malus ergeben sich dabei bei einer Bildung der Differenz aus der erfassten Sauerstoffspeicherfähigkeit und dem Schwellenwert, der sich an der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Grenzkatalysators orientiert. Eine positive Differenz entspricht einem Bonus und eine negative Differenz entspricht einem Malus.
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In einer solchen Situation, bei der ein Bonus des einen Katalysators einen Malus des anderen Katalysators überkompensiert und die Emissionen daher noch innerhalb erlaubter Grenzwerte liegen, würde nach dem Stand der Technik bereits eine Fehlermeldung erzeugt werden. Der betroffene Katalysator würde dann mit einem entsprechend nachteiligen Kostenaufwand und Zeitaufwand ausgetauscht.
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Dadurch, dass der Schwellenwert für die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit bei der Erfindung als Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt wird, kann er insbesondere mit Rücksicht auf einen festgestellten Malus des ersten Katalysators bestimmt werden. Dies erlaubt es, den Bonus, der zur Kompensation des Malus erforderlich ist, in dem zweiten Schwellenwert abzubilden. Dies führt dazu, dass der Malus des ersten Katalysators bei der gemeinsamen Beurteilung des ersten und des zweiten Katalysators in dem Sinne geheilt wird, dass noch keine Fehlermeldung erfolgt.
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Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei einer unterschiedlichen Alterung der Katalysatoren aus. Eine solche unterschiedliche Alterung kann zum Beispiel durch Verbrennungsaussetzer auftreten. Solche Verbrennungsaussetzer führen zu einem gemeinsam erfolgenden Eintrag von Sauerstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den ersten Katalysator. Die resultierende exotherme Reaktion führt zu einer Temperatursteigerung, die den ersten Katalysator schneller altern lässt. Da der erste Katalysator als Folge der Verbrennungsaussetzer übermäßig schnell gealtert ist, kann der andere zweite Katalysator noch eine gute Konvertierungsfähigkeit besitzen, die in der Summe die unzureichende Konvertierungsfähigkeit des ersten Katalysators ausgleicht oder überkompensiert. Die von dem Katalysatorsystem als Ganzes emittierten Schadstoffe überschreiten einen vorbestimmten Grenzwert solange nicht, wie der Bonus des besseren Katalysators den Malus des schlechteren Katalysators kompensieren kann.
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Durch die gemeinsame Beurteilung der Emissionen beider Katalysatoren führt die Erfindung zu einer Angleichung der On Board Diagnose an vorgeschriebene Abgastestzyklen, bei denen die gesamten Emissionen des Verbrennungsmotors in einem Abgasprobebeutel gesammelt und ausgewertet werden. Als erwünschte Folge wird ein Katalysator mit verschlechterter Konvertierungsfähigkeit durch die Erfindung erst dann als defekt angezeigt, wenn das Katalysatorsystem als Ganzes die Schadstoffe nicht mehr ausreichend konvertiert. Dadurch kann der teure und zeitaufwändige Austausch des ersten Katalysators auf einen späteren Zeitpunkt verschoben, bei dem dann tatsächlich eine Überschreitung eines Schadstoff-Grenzwerts auftritt.
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Umgekehrt kann dann, wenn der erste Katalysator einen Bonus an Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, der Schwellenwert für die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit entsprechend verkleinert werden. Dies ist vorteilhaft, weil jede Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit mit einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen verbunden ist. Im Extremfall 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. Im Fall der Verkleinerung des Schwellenwerts für die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit ergibt sich eine Möglichkeit zur Verringerung der beim Ermitteln der Sauerstoffspeicherfähigkeit bei oxidierender Abgasatmosphäre verstärkt auftretenden NO-Roh-Emissionen, da die Sauerstoffspeicherfähigkeit des zweiten Katalysators in einer Ausgestaltung nur noch bis zum Erreichen des verkleinerten zweiten Schwellenwertes ausgemessen werden muss.
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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 ersten Katalysator und einem zweite Katalysator;
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2 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 eine Funktionsblockstruktur einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
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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. 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 16 dabei eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysatorsystems 12 feststellt, schaltet es in einer Ausgestaltung eine Fehlerlampe MIL ein 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 als Ausgestaltung eines ersten Katalysators und einen Hauptkatalysator HK als Ausgestaltung eines zweiten Katalysators 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. Der Schritt 36 in der 2 repräsentiert ein Hauptprogramm HP 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 Katalysatorsystem 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 Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK des Frontkatalysators FK an.
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Die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit 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 FK 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 FK 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 Sauerstoffspeicherfähigkeit des Frontkatalysators 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 erste Sauerstoffspeicherfähigkeit als Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK des ersten Katalysators FK bestimmt werden.
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Bei einem zweiten, alternativ zum ersten Verfahren durchgeführten Verfahren erfolgt die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit 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 FK verbraucht ist, oder der Katalysator FK 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. Der Verbrauch sämtlichen Sauerstoffs wird in der Ausgestaltung der 1 ebenfalls durch das Verhalten des Signals L2 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 der Differenz der Luftzahl L1 bei oxidierender Abgasatmosphäre und dem stöchiometrischen Lambda-Wert von 1,0 bestimmt das Steuergerät 16 die Sauerstoffspeicherfähigkeit 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 ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_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 im Schritt 42 ein Schwellenwert SW als SW(OSC_FK), also als Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK bestimmt.
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Im Schritt 44 schließt sich in einer Ausgestaltung der Beginn einer Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des zweiten Katalysators HK an. Diese Ermittlung erfolgt bevorzugt nach dem Prinzip des aktiven Verfahrens, das bereits im Zusammenhang mit der Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des ersten Katalysators beschrieben wurde.
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Es wird also zunächst eine reduzierende Abgasatmosphäre vor dem Hauptkatalysator HK erzeugt. Die reduzierende Abgasatmosphäre wird in einer Ausgestaltung so lange aufrechterhalten, bis entweder sämtlicher Sauerstoff im Katalysator HK verbraucht ist, oder der Katalysator HK 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 dritten Abgassensors S3. Der Hauptkatalysator HK ist damit definiert entleert. Das Steuergerät 16 erkennt diesen Zustand aus dem Signal L3 des dritten Abgassensors S3 und erzeugt anschließend eine oxidierende Abgasatmosphäre vor dem Hauptkatalysator HK, indem es zum Beispiel die einzuspritzenden Kraftstoffmengen verringert. Die oxidierende Abgasatmosphäre wird mit dem Abgasmassenstrom in den Katalysator HK eingetragen.
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Durch Integrieren des Produktes aus dem Abgasmassenstrom und der Differenz der Luftzahl L2 bei oxidierender Abgasatmosphäre und dem stöchiometrischen Lambda-Wert von 1,0 bestimmt das Steuergerät 16 die Sauerstoffaufnahme OSC_HK des Hauptkatalysators HK als Wert des Integrals. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Sauerstoffaufnahme in einem Schritte 46 mit dem im Schritt 42 gebildeten Schwellenwert verglichen. Zu Beginn der Ermittlung der Sauerstoffaufnahme wird der Schwellenwert SW in der Regel noch nicht überschritten, so dass das Programm über den Schritt 48 zurück zum Schritt 44 verzweigt, in dem die Ermittlung der Sauerstoffaufnahme fortgesetzt wird und der zugehörige Wert des Integrals aktualisiert wird.
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Die so gebildete Schleife wird wiederholt durchlaufen, bis im Schritt 46 festgestellt wird, dass die Sauerstoffaufnahme den Schwellenwert SW überschreitet oder bis im Schritt 48 festgestellt wird, dass eine Abbruchbedingung B erfüllt ist. Die Abbruchbedingung B wird in einer Ausgestaltung dann erfüllt, wenn das Signal L3 der dritten Abgassonde S3 einen Anstieg der Sauerstoffkonzentration hinter dem Katalysator HK erzeugt, bevor im Schritt 46 eine Überschreitung des Schwellenwerts SW registriert wird. In diesem Fall wird im Schritt 50 eine Fehlermeldung erzeugt, die besagt dass das Katalysatorsystem 12 nicht ausreichend funktionsfähig ist (12 n. i. O. = 12 nicht in Ordnung).
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Wird dagegen der Schwellenwert SW im Schritt 46 überschritten bevor die Abbruchbedingung des Schritts 48 erfüllt ist, verzweigt das Programm in den Schritt 52, in dem das Katalysatorsystem 12 als funktionsfähig beurteilt wird (i. O. = in Ordnung). Im Anschluss an die Beurteilung in einem der Schritte 50 oder 52 wird die Ermittlung der Sauerstoffaufnahme OSC_HK durch den Schritt 54 beendet und das Programm kehrt in das Hauptprogramm HP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 im Schritt 36 zurück. Alternativ zu dieser Ausgestaltung, bei der die Sauerstoffaufnahme eines guten Hauptkatalysators nur soweit wie nötig, nämlich bis zum Überschreiten des Schwellenwerts SW ausgemessen wird, kann die Sauerstoffaufnahme OSC_HK auch solange ermittelt werden, bis die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators HK erschöpft ist. Um die aus der Diagnose resultierende Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen gering zu halten, ist es jedoch vorteilhaft, die Sauerstoffaufnahme nur bis zur Überschreitung des Schwellenwerts SW zu ermitteln. Es versteht sich, dass die Beurteilung in den Schritten 50 und 52 nicht zwangsläufig nach einem Durchlauf des Verfahrens bereits zu einer abschließenden Beurteilung des Katalysatorsystems führen muss und dass die beschrieben Schritte auch mehrfach wiederholt werden können, um die erhaltenen Ergebnisse statistisch abzusichern.
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2 zeigt damit eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 eine erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK als Sauerstoffspeicherfähigkeit des ersten Katalysators FK und eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK als Sauerstoffspeicherfähigkeit des zweiten Katalysators HK bestimmt wird und wobei das Katalysatorsystem 12 im Schritt 50 als unzureichend funktionsfähig bewertet wird, wenn die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist SW ist, der im Schritt 42 als Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK bestimmt wurde.
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2 zeigt damit ferner eine Ausgestaltung, bei der die erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK und die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK dadurch bestimmt werden, dass der zugehörige Katalysator FK oder HK jeweils durch Einbringen einer ersten Abgasmasse mit einer ersten Sauerstoffkonzentration in einen ersten Zustand gebracht wird, bei dem sich ein charakteristisches Signal einer hinter dem Katalysator FK oder HK angeordneten Abgassonde L2 oder L3 einstellt, anschließend durch Einbringen einer zweiten Abgasmasse mit einer zweiten Sauerstoffkonzentration in einen zweiten Zustand gebracht wird, und bei der die Sauerstoffspeicherfähigkeit als mit einer Differenz der Sauerstoffkonzentrationen vor dem Katalysator FK oder HK und dem stöchiometrischen Lambda-Wert von 1,0 gewichtete zweite Abgasmasse bestimmt wird.
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Soweit wie beschrieben, entspricht die erste Sauerstoffkonzentration einer reduzierenden Abgasatmosphäre und die zweite Sauerstoffkonzentration einer oxidierenden Abgasatmosphäre. Es versteht sich aber, dass die erste Sauerstoffkonzentration prinzipiell auch mit einer oxidierenden Abgasatmosphäre bereitgestellt werden kann, wenn die zweite Sauerstoffkonzentration anschließend durch eine reduzierende Abgasatmosphäre bereitgestellt wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Schwellenwert SW_HC als Wert einer Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK bestimmt wird, wobei die Funktion dadurch definiert ist, dass sie Werten der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK Werte der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK zuordnet, bei denen ein Grenzwert zulässiger Emissionen des ersten Abgasbestandteils nicht überschritten wird. Bei dem ersten Abgasbestandteil handelt es sich in einer Ausgestaltung um Kohlenwasserstoffe HC. Dazu weist das Steuergerät 16 einen Speicher auf, in dem der erste Schwellenwert SW_HC als Wert der Funktion abgelegt ist. Der Speicher ist in einer Ausgestaltung als Kennfeld 56 realisiert, in dem auf eine Grenzkatalysatoranordnung normierte Emissionswerte gespeichert sind, wobei jeder gespeicherte Emissionswert mit einem Wert der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK und einem Wert der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK verknüpft ist.
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Bevorzugt ist auch, dass ergänzend ein zweiter Schwellenwert OSC_NO als Wert einer Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK bestimmt wird, wobei die Funktion dadurch definiert ist, dass sie Werten der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK Werte der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK zuordnet, bei denen ein Grenzwert zulässiger Emissionen des zweiten Abgasbestandteils nicht überschritten wird. Bei dem zweiten Abgasbestandteil handelt es sich in einer Ausgestaltung um Stickoxide NO. Dazu weist das Steuergerät 16 einen Speicher auf, in dem der erste Schwellenwert SW_NO als Wert der Funktion abgelegt ist. Der Speicher ist in einer Ausgestaltung als Kennfeld 58 realisiert, in dem auf eine Grenzkatalysatoranordnung normierte Emissionswerte gespeichert sind, wobei jeder gespeicherte Emissionswert mit einem Wert der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK und einem Wert der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK verknüpft ist.
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3 zeigt eine solche Ausgestaltung in einer Funktionsblockdarstellung, die sowohl Verfahrensaspekte als auch Vorrichtungsaspekte offenbart. Werte des ersten Schwellenwertes SW_HC sind dabei in einem Kennfeld 56 gespeichert, das mit zwei Größen adressiert wird. Die eine der zwei Größen ist die bereits beschriebene erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK, die in der Ausgestaltung der 2 im Schritt 40 ermittelt wird.
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Die zweite Größe HCKTDMN ist ein Parameter, in dem sich der Grenzwert zulässiger HC-Emissionen und Eigenschaften der verwendeten Katalysatoren FK und HK des Katalysatorsystems 12 abbilden. Insbesondere die Korrelation zwischen den Konvertierungsfähigkeiten und den Sauerstoffspeicherfähigkeiten der Katalysatoren ist bei Katalysatoren verschiedenen Typs und/oder Größe und/oder Katalysatorhersteller und/oder räumlicher Anordnung der Katalysatoren im Abgassystem unterschiedlich. Der Parameter HCKTDMN erlaubt damit gewissermaßen eine Anwahl der passenden Kennlinie aus dem Kennfeld 56 für eine bestimmte Kombination aus Verbrennungsmotor, Katalysatoren FK und HK sowie dem HC-Grenzwert auf dem Markt, auf dem das Fahrzeug betrieben werden soll.
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Ferner sind Werte des zweiten Schwellenwertes SW_NO in einem Kennfeld 58 gespeichert, das ebenfalls mit zwei Größen adressiert wird. Die eine der zwei Größen ist wieder die bereits beschriebene erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK.
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Die zweite Größe NOKTDMN ist ein Parameter, in dem sich der Grenzwert zulässiger NO-Emissionen und Eigenschaften der verwendeten Katalysatoren FK und HK des Katalysatorsystems 12 abbilden. Auch hier gilt, dass die Korrelation zwischen den Konvertierungsfähigkeiten und den Sauerstoffspeicherfähigkeiten der Katalysatoren bei Katalysatoren verschiedenen Typs und/oder Größe und/oder Katalysatorhersteller und/oder räumlicher Anordnung der Katalysatoren im Abgassystem unterschiedlich ist. Der Parameter NOKTDMN erlaubt gewissermaßen eine Anwahl der für eine bestimmte Kombination aus Verbrennungsmotor, Katalysatoren FK und HK sowie dem NO-Grenzwert auf dem Markt, auf dem das Fahrzeug betrieben werden soll passenden Kennlinie aus dem Kennfeld 58.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 werden also die Schwellenwerte SW_HC und SW_NO jeweils als Funktion der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_FK und des jeweils gültigen Parameters HCKTDMN oder NOKTDMN parallel durch Kennfeldzugriffe bestimmt und anschließend durch jeweils einen zugeordneten Komparator 60, 62 mit der ermittelten zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK verglichen. Die Ergebnisse beider Vergleiche werden durch eine UND-Verknüpfung miteinander verknüpft. Die logische 1 am Ausgang der UND-Verknüpfung bedeutet, dass die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_HK beide Schwellenwerte SW_HC und SW_NO überschreitet. Das Ergebnis der logischen 1 entspricht damit dem Ergebnis des Schrittes 52 aus der 2, also der Feststellung der ausreichenden Funktionsfähigkeit des Katalysatorsystems 12.
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Wird dagegen einer der beiden Schwellenwerte SW_HC oder SW_NO nicht überschritten, liefert die UND-Verknüpfung 64 eine logische Null, was in der Darstellung der 2 dem Ergebnis des Schrittes 50, also einer Fehlermeldung entspricht.
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Diese Ausgestaltung mit den Kennfeldern 56 und 58 eröffnet die Möglichkeit, die On Board Diagnose am Bandende durch Auswahl des passenden Wertes HCKTDMN an verschiedene Konfigurationen des Abgassystems mit Katalysatoren verschiedener Hersteller sowie Grenzwerte auf dem Zielmarkt anzupassen. Dadurch kann diese Ausgestaltung des Verfahrens und die korrespondierende Ausgestaltung des Steuergeräts breit verwendet werden, ohne dass aufwändige Anpassungen vorgenommen werden müssen. Mit anderen Worten: Ein Vorteil liegt darin, dass die in gleiche Steuergeräte implementierte Plattformfunktion mit geringem Aufwand an unterschiedliche Grenzwerte auf unterschiedlichen Märkten, unterschiedliche Katalysatoren verschiedener Hersteller etc angepasst werden kann.
