DE102006059081A1

DE102006059081A1 - Verfahren zur Katalysatordiagnose

Info

Publication number: DE102006059081A1
Application number: DE102006059081A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Kersten Wehmeier; Joerg Frauhammer; Michael Fey; Goetz Reinhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-06-19
Also published as: FR2910052B1; FR2910052A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Katalysatordiagnose einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer in der Abgasreinigungsanlage hinter einem Katalysator angeordneten, mit einer Steuereinrichtung verbundenen Abgassonde, wobei zur Bestimmung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators gezielt mittels einer Lambda-Variation ein Lambdawert vor dem Katalysator vorgegeben und mittels der Abgassonde ein Lambdawert hinter dem Katalysator bestimmt wird, wobei nach einem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert ein fetteres Gemisch mit einem Lambdawert von lambda < 1 vorgesteuert und abhängig von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators eine Gesamtvariation eines Sondensignals der Abgassonde hinter dem Katalysator in einer Diagnoseeinrichtung ausgewertet wird. Mit diesem Verfahren kann direkt die Konvertierungseigenschaft des Katalysators anhand der zuzuordnenden Zusammensetzung der Emission nach dem Katalysator beurteilt werden, um hinsichtlich einer On-Board-Diganose (OBD) ein Überschreiten der Emissionsgrenzwerte frühzeitig zu erkennen und ggf. zur Anzeige zu bringen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Katalysatordiagnose einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer in der Abgasreinigungsanlage hinter einem Katalysator angeordneten, mit einer Steuereinrichtung verbundenen Abgassonde, wobei zur Bestimmung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators gezielt mittels einer Lambda-Variation ein Lambdawert vor dem Katalysator vorgegeben und mittels der Abgassonde ein Lambdawert hinter dem Katalysator bestimmt wird.
Das Speichervermögen einer Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass die zu oxydierenden Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Mit zunehmender Alterung der Abgasreinigungsanlage nimmt deren Speichervermögen für Sauerstoff, der OSC (Oxygen Storage Capacity), ab. Hierdurch kann in den Fettphasen nicht mehr genügend Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden, um das Abgas von den Schadgaskomponenten zu reinigen, und die Lambdasonde hinter der Abgasreinigungsanlage detektiert diese zu oxydierenden Komponenten. Weiterhin detektiert diese Lambdasonde in längeren Magerphasen den Sauerstoff, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann.
Zur Beurteilung der Güte eines Drei-Wege-Katalysators (TWC = Three-Way-Catalytic Converter) zur On-Board-Diagnose (OBD) bzw. zur beispielsweisen Bestimmung von Regelparametern wird heute die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Katalysators benutzt. In vielen Ländern ist eine derartige Überprüfung der Abgasreinigungsanlage während des Fahrbetriebs durch die Motorsteuerung gesetzlich vorgeschrieben. Eine aktive Katalysator-Diagnose hat dabei die Aufgabe, ein unzulässiges Absinken der Konvertierung, die zu unzulässiger Erhöhung der Abgaswerte führt, zu erkennen und beispielsweise über eine Kontrolllampe MIL (Malfunction Indicator Lamp) anzuzeigen.
Ein bekanntes Diagnoseverfahren besteht darin, die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage dadurch zu bestimmen, dass mit Kenntnis des Lambdawertes am Eintritt eines Katalysators der Sauerstoffstrom bestimmt und integriert wird, der ausgehend von einem leeren Katalysator in diesen eintritt. Integriert wird dabei so lange, bis die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde, beispielsweise eine Sprungsonde, ihr Sondensignal sprunghaft ändert. Der sich bei der Integration ergebende Wert entspricht der Sauerstoffspeicherfähigkeit.
In der DE 41 12 478 C2 ist ein Verfahren zur Beurteilung des Alterungszustandes eines Katalysators beschrieben, bei dem die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen werden. Untersucht wird, ob bei einer Regelschwingung vor dem Katalysator von fett nach mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom bestimmt wird, das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator berechnet wird, das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator berechnet wird und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen oder der Quotient aus den beiden Integralen oder der Quotient aus der Differenz und einem der beiden Integrale verwendet wird. Nachteilig bei dem beschriebenen Verfahren ist, dass der Lambdawert vor der Abgasreinigungsanlage mit einer aufwendigen Breitband-Lambdasonde gemessen werden muss, um über die Integration des Produktes aus aktuellem Lambdawerte und Gasmassenstrom die eingebrachte oder entnommene Sauerstoffmenge zu bestimmen.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit einer Abgasreinigungsanlage beschreibt die EP 0546 318 B1 . Das System wird mit einem Lambdaverlauf beaufschlagt, dessen Sauerstoff-Mangeleintrag zu Beginn höher als die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ist. Der Sauerstoff-Eintrag wird so gewählt, dass der Katalysator in den Magerphasen jeweils bis an seine Kapazitätsgrenze gefüllt wird. Zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators wird der mittlere Lambdawert vor dem Katalysator während der Lambdaschwingungen des Systems gezielt in Richtung mager verschoben und so die Sauerstoff-Entnahme von Phase zu Phase verringert. Durch Bestimmung der Anzahl der Fett-Mager-Übergänge, die die hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde anzeigt, kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt werden, wobei eine vergrößerte Anzahl von Phasen eine verringerte Speicherfähigkeit bedeutet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass in den Magerphasen ungereinigtes Abgas abgegeben wird.
Weitere Verfahren sehen vor, dass ein sprunghafter Wechsel zwischen λ < 1 und λ > 1 vorgegeben wird. Bei dieser Vorsteuerung können Fehler auftreten, die beispielsweise durch eine Streuung der Einspritzventile oder Fehler in der Füllungserfassung herrühren. Diese verfälschen den Lambdawert und führen damit auch zu Fehlern bei der Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit.
Aus der DE 102004063080 A1 wird eine Katalysatordiagnose beschrieben, die folgende Schritte umfasst: Bilden eines Erwartungswertes eines Signals einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde aus stromaufwärts des Katalysators gemessenen Größe, Erfassen eines Istwertes des Signals, Vergleichen des Erwartungswertes mit dem Istwert und Beurteilen der Funktionsfähigkeit des Katalysators auf der Basis des Vergleichs, wobei geprüft wird, ob Amplituden des Istwertes außerhalb oder in inneren Randbereichen eines vorbestimmten Bereichs liegen. Liegen Amplituden des Signals außerhalb des vorbestimmten Bereichs, erfolgt die Bildung des Erwartungswertes nach einer ersten Vorschrift. Liegen dann die Amplituden des Signals in Randbereichen des vorbestimmten Bereichs, erfolgt die Bildung des Erwartungswertes nach der ersten Vorschrift und einem ergänzenden Eingriff, der Abweichungen des Erwartungswertes von einem mittleren Wert verringert. Zusätzlich wird in dieser Schrift ein entsprechendes Steuergerät zur Diagnose eines Katalysators beschrieben.
Nachteilig bei den bisher zum Einsatz kommenden Verfahren ist, dass aufgrund eines Sauerstoffspeicherwertes die Konvertierungseigenschaften des Katalysators beurteilt werden. Eine Beurteilung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators anhand der direkt dem Katalysator zuzuordnenden Zusammensetzung der Emission nach dem Katalysator ist nicht möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die Beurteilung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators anhand der direkt dem Katalysator zuzuordnenden Zusammensetzung der Emission nach dem Katalysator ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach einem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert ein fetteres Gemisch mit einem Lambdawert von λ < 1 vorgesteuert und, abhängig von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators, eine Gesamtvariation eines Sondensignals der Abgassonde hinter dem Katalysator in einer Diagnoseeinrichtung ausgewertet wird. Mit diesem Verfahren kann direkt die Konvertierungseigenschaft des Katalysators anhand der zuzuordnenden Zusammensetzung der Emission nach dem Katalysator beurteilt werden. Die Diagnose basiert nicht mehr auf einer Korrelation sondern auf einer Kausalität.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird bei der Auswertung der Gesamtvariation eine statische und/oder dynamische Variation des Sondensignals der Abgassonde analysiert.
In vorteilhafter Weise wird dabei ausgenutzt, dass infolge der dynamischen als auch statischen Zusammensetzung der Emission, welche dominant durch die Wassergas-Shift-Reaktion beeinflusst wird, das Verhältnis H₂/CO variiert, welches von der Güte des Katalysators abhängt. Da die Abgassonde unterschiedlich empfindlich auf H₂ und CO reagiert, kann anhand des Signalverlaufs für das Sondensignal die Güte des Katalysators bestimmt werden.
Dabei wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante bei der dynamischen Variation des Sondensignals ein von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators abhängigen Überschwingverhalten ausgewertet.
In einer anderen Verfahrensvariante wird bei der dynamischen Variation des Sondensignals eine von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators abhängige Zeitverzögerung ausgewertet.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass als Abgassonde eine Sprungsonde verwendet wird, die bei einem Lambdawert von λ = 1 eine Sondenspannung im Bereich von 550 mV < U_S < 650 mV aufweist. An diesem Punkt stellt sich hinter den relevanten Katalysatoren eine Emissionszusammensetzung ein, die die Empfindlichkeit der Abgassonde nicht signifikant beeinflusst, so dass an diesem Punkt von einem stabilen Lambda-Abgleich ausgegangen werden kann.
Wird nach dem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert ein fetteres Gemisch mit einem Lambdawert im Bereich von 0,900 < λ < 0,998 vorgesteuert, stellt sich nach dem Katalysator die bereits oben beschriebene dynamische als auch statische Zusammensetzung der Emission ein, welche, je nach Güte des Konvertierungsverhaltens des Katalysators zu einem unterschiedlichen Verlauf des Sondensignals führt. Somit kann die definierte Lambdaverschiebung vor dem Katalysator über die Abgassonde nach dem Katalysator zur Bestimmung der Katalysatorgüte genutzt werden.
Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Gesamtvariation des Sondensignals auch zu Adaptionszwecken, beispielsweise zur Anpassung der Regelparameter zur Optimierung der Nachkatregelung ausgewertet wird.
Bei den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten kann vorgesehen sein, dass die Gesamtvariation des Sondensignals mit einem Katalysatormodell oder mit einem applizierbaren Wert verglichen wird. Damit können beispielsweise auch lastabhängige und/oder temperaturabhängige Effekte bei der Auswertung berücksichtigt werden, die ansonsten die Beurteilung der Konvertierungseigenschaften negativ beeinflussen würden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und
2 einen zeitlichen Verlauf eines Sondensignals sowie einer Lambda-Variation.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren abläuft. In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 40 und einem Zuluftkanal 10, der den Motorblock 40 mit Verbrennungsluft versorgt, dargestellt, wobei die Luftmenge im Zuluftkanal 10 mit einer Zuluftmesseinrichtung 20 bestimmbar ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 wird dabei über eine Abgasreinigungsanlage geführt, welche als Hauptkomponenten einen Abgaskanal 50 aufweist, in dem in Strömungsrichtung des Abgases ggf. eine erste Abgassonde 60 vor einem Katalysator 70 und eine zweite Abgassonde 80 hinter dem Katalysator 70 angeordnet ist.
Die Abgassonden 60, 80 sind mit einer Steuereinrichtung 90 verbunden, die aus den Daten der Abgassonden 60, 80 und den Daten der Zuluftmesseinrichtung 20 das Gemisch berechnet und eine Kraftstoffzumesseinrichtung 30 zur Zudosierung von Kraftstoff ansteuert. Gekoppelt mit der Steuereinrichtung 90 oder in diese integriert ist eine Diagnoseeinrichtung 100 vorgesehen, mit der die Signale der Abgassonden 60, 80 ausgewertet werden können. Die Diagnose kann zudem mit einer Anzeige-/Speichereinheit verbunden sein, welche hier nicht dargestellt ist.
Mit der im Abgaskanal 50 hinter dem Motorblock 40 ggf. zusätzlich angeordneten Abgassonde 60 kann mit Hilfe der Steuereinrichtung 90 ein Lambdawert eingestellt werden, der für die Abgasreinigungsanlage zur Erzielung einer optimalen Reinigungswirkung geeignet ist. Die im Abgaskanal 50 hinter dem Katalysator 70 angeordnete zweite Abgassonde 80 kann ebenfalls in der Steuereinrichtung 90 ausgewertet werden und dient dazu, in einem Verfahren nach dem Stand der Technik die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage zu bestimmen.
2 beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren. Dargestellt ist ein Verlauf einer Lambda-Variation 120 in Abhängigkeit von der Zeit 130 (unterer Teil der 2) sowie der zeitliche Verlauf einer Sondenspannung 111 (U_S) als Sondensignal 110 der Abgassonde 80 hinter dem Katalysator 70 (oberer Teil der 2)
Das Verfahren sieht vor, dass zur Katalysatordiagnose mit der Steuereinrichtung 90 zur Bestimmung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators 70 gezielt mittels der Lambda-Variation 120 ein Lambdawert 121 vor dem Katalysator 70 vorgegeben und mittels der Abgassonde 80 ein Lambdawert hinter dem Katalysator 70 bestimmt wird, wobei der Katalysator 70 nach einem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert 121 von λ = 1 ein fettes Gemisch mit einem Lambdawert 121 von λ < 1 vorgesteuert und, abhängig von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators 70, eine Gesamtvariation 140 des Sondensignals 110 der Abgassonde 80 in der Diagnoseeinrichtung 100 ausgewertet wird.
Der zeitliche Verlauf der Gesamtvariation 140 des Sondensignals 110 kann im gezeigten Beispiel aus einer statische und einer dynamische Variation 141, 142 zusammensetzt sein, die entsprechend ausgewertet werden kann.
Die dynamische Variation 142 des Sondensignals 110 kann ein, von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators 70 abhängiges Überschwingverhalten aufweisen, welches in seiner Höhe (Peakhöhe) ausgewertet werden kann. Ebenso kann die dynamische Variation 142 auch eine von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators 70 abhängige Zeitverzögerung (Δt) aufweisen. Beide Effekte können getrennt oder kombiniert ausgewertet werden. Bei der statischen Variation 141 sieht das Verfahren vor, dass Niveau-Unterschiede der Sondenspannung 111 (ΔU_S) im eingeschwungenen Zustand nach der Lambda-Variation 120 bestimmt werden. Sowohl die dynamischen Variationen 142 als auch die statische Variation kann getrennt oder kombiniert ausgewertet werden.
Im gezeigten Beispiel wird als Abgassonde 80 eine LSF-Sonde verwendet, die bei einem Lambdawert 121 von λ = 1 eine Sondenspannung 111 im Bereich von 550 mV < U_S < 650 mV, typisch 600 mV, aufweist. Wird der Katalysator 70 nach dem Abgleich des Lambdawertes 121 mit einem Fett-Gemisch im Bereich von 0,900 < λ < 0,998, typisch λ = 0,995, beaufschlagt, stellt sich nach dem Katalysator 70 eine sowohl dynamische als auch statische Zusammensetzung der Emission ein. Dieses Verhalten wird überwiegend von der Wassergas-Shift-Reaktion beeinflusst, wobei die Wassergas-Shift-Reaktion die Gleichgewichtsreaktionen und deren Verschiebungen bei der Reaktion CO + H₂O ← → CO₂ + H₂ beschreibt. Diese ist in der Literatur vielfach beschrieben. Abhängig von der Güte des Katalysators 70 variiert dabei das Verhältnis von H₂ zu CO. Da die LSF-Sonden mit unterschiedlicher Dynamik und Empfindlichkeit auf H₂ und CO reagieren, ergeben sich daraus die unterschiedlichen dynamischen als auch statischen Variationen 142, 141 für das Sondensignal 110 bzw. der Sondenspannung 111 (U_S), wie dies 2 zeigt.
In einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Gesamtvariation 140 des Sondensignals 110 neben der Beurteilung der Konvertierungsgüte des Katalysators 70 auch zu Adaptions zwecken ausgewertet wird. Die Gesamtvariation 140 des Sondensignals 110 kann einerseits mit einem Katalysatormodell oder andererseits mit einem applizierbaren Wert verglichen werden.
Mit den beschriebenen Verfahrensvarianten kann direkt die Konvertierungseigenschaft des Katalysators anhand der zuzuordnenden Zusammensetzung der Emission nach dem Katalysator beurteilt werden, um hinsichtlich einer On-Board-Diagnose (OBD) ein Überschreiten der Emissionsgrenzwerte frühzeitig zu erkennen und ggf. zur Anzeige zu bringen.

Claims

Verfahren zur Katalysatordiagnose einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine (1) mit einer in der Abgasreinigungsanlage hinter einem Katalysator (70) angeordneten, mit einer Steuereinrichtung (90) verbundenen Abgassonde (80), wobei zur Bestimmung der Konvertierungseigenschaften des Katalysators (70) gezielt mittels einer Lambda-Variation (120) ein Lambdawert (121) vor dem Katalysator (70) vorgegeben und mittels der Abgassonde (80) ein Lambdawert hinter dem Katalysator (70) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert (121) ein fetteres Gemisch mit einem Lambdawert (121) von λ < 1 vorgesteuert und, abhängig von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators (70), eine Gesamtvariation (140) eines Sondensignals (110) der Abgassonde (80) hinter dem Katalysator (70) in einer Diagnoseeinrichtung (100) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Gesamtvariation (140) eine statische und/oder dynamische Variation (141, 142) des Sondensignals (110) der Abgassonde (80) analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die statische und/oder dynamische Variation (141, 142) des Sondensignals (110) der Abgassonde (80) durch die Wassergas-Shift-Reaktion beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der dynamischen Variation (142) des Sondensignals (110) ein von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators (70) abhängiges Überschwingverhalten ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der dynamischen Variation (142) des Sondensignals (110) eine von den Konvertierungseigenschaften des Katalysators (70) abhängige Zeitverzögerung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassonde (80) eine Sprungsonde verwendet wird, die bei einem Lambdawert (121) von λ = 1 eine Sondenspannung (111) im Bereich von 550 mV < U_S < 650 mV aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abgleich mit einem vorgegebenen Lambdawert (121) von λ = 1 ein fettes Gemisch mit einem Lambdawert (121) im Bereich von 0,900 < λ < 0,998 vorgesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtvariation (140) des Sondensignals (110) zu Adaptionszwecken ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtvariation (140) des Sondensignals (110) mit einem Katalysatormodell oder mit einem applizierbaren Wert verglichen wird.