DE102007059772A1

DE102007059772A1 - Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators für ein Kraftfahrzeug sowie zugehörige Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102007059772A1
Application number: DE102007059772A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: US20090235726A1; DE102007059772B4; US7926333B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators (4) für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale einer Sauerstoffsonde (2) vor und einer Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) mit den folgenden Schritten: - Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde (1) vor und dem Signal der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4), - Bestimmung einer von der Sauerstoffsondendynamik abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) und - Korrektur der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) um die bestimmte Phasenverschiebung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale einer Sauerstoffsonde vor und einer Sauerstoffsonde nach dem Katalysator sowie eine zugehörige Messeinrichtung.
Um die Güte eines Katalysators für den Einbau in einem Kraftfahrzeug bzw. die Güte eines verbauten Katalysators zu bestimmen, ist es üblich, die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators herauszumessen. Dabei erfolgt die Vermessung in der Regel derart, dass die Verzugszeit zwischen einem Sauerstoffsondensignal einer Sonde vor und einem Sauerstoffsondensignal einer Sauerstoffsonde nach dem Katalysator vermessen wird. Diese Verzugszeit entspricht der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators.
Problematisch dabei ist jedoch, dass sich das Sondensignal vor bzw. nach dem Katalysator nicht nur in Abhängigkeit der Einspeicherung von Sauerstoff ändert, sondern darüber hinaus durch die dynamischen Eigenschaften der verwendeten Sauerstoffsonde nach dem Katalysator bzw. durch die unterschiedliche Dynamik der beiden verwendeten Sonden beeinflusst wird. Die gemessene Verzugszeit entspricht also der Summe der eigentlich zu vermessenden Zeitverzögerung aufgrund der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators und der durch die Sondendynamik bedingten Sondenverzugszeit.
Dies hat zur Folge, dass für den Fall einer langsamen Sauerstoffsonde zu große Verzugszeiten gemessen werden und damit auf eine zu große Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators rückgeschlossen wird. Der Katalysa tor wird also im Vergleich zu seiner tatsächlichen Leistungsfähigkeit als zu gut beurteilt.
Insbesondere kann bei einer vergleichsweise langsamen Sauerstoffsonde und einer geringen Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators der Fall eintreten, dass allein aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Sauerstoffsonde ein schlechter Katalysator als gut beurteilt wird, es also zu einer Fehldiagnose kommt.
Deshalb bestehen derzeit Planungen, hauptsächlich in den USA, derartige Fehlbeurteilungen gesetzlich zu verhindern.
Problematisch ist jedoch, dass es anhand der steigenden bzw. fallenden Flanke des Signals einer Sprungsonde, die als Sauerstoffsonde eingesetzt wird, bei einem Fett- oder Magerübergang nur sehr schwer möglich ist, eine sondenbedingte Verzugszeit zu berücksichtigen.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das diesbezüglich verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zu Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale einer Sauerstoffsonde vor und einer Sauerstoffsonde nach dem Katalysator vorgesehen, das die folgenden Schritt aufweist:

– Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator,
– Bestimmung einer von der Sauerstoffsondendynamik abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator und
– Korrektur der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator um die bestimmte Phasenverschiebung.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt also der Gedanke zugrunde, dass die sondenbedingte Filterung des Signals, bei dem es sich um ein Spannungssignal handelt, eine Phasenverschiebung des Signals zur Folge hat, die von der Sondendynamik abhängt bzw. der Verzugszeit der Sauerstoffsonde entspricht, die auf die Sondentotzeit und eine durch die Sondenfilterung bedingte Zeitverzögerung zurückgeht.
Erfindungsgemäß wird also wie üblich zunächst eine von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängige Verzugszeit zwischen den beiden Sondensignalen, beispielsweise einer Breitbandsonde und einer Sprungsonde, gemessen. Anschließend findet eine Bestimmung bzw. Messung der Sondenverzugszeit statt, also eine Berücksichtigung bzw. Bestimmung des durch die Sondendynamik (die Totzeit und die Filterung) entstandenen Fehlers. Entscheidend für die Bestimmung der Sondenverzugszeit ist die sondenbedingte Verzugszeit zwischen der ersten gemessenen Signalkurve und der zweiten gemessenen Signalkurve bzw. dem Signal vor dem Katalysator und dem Signal nach dem Katalysator, also der Unterschied der dynamischen Eigenschaften der beiden Sonden.
Die von der Dynamik der Sauerstoffsonde (nach dem Katalysator bzw. der Sonde nach dem Katalysator im Vergleich zur Sonde vor dem Katalysator) abhängige Phasenverschiebung, die einer Zeitdifferenz entspricht, wird dann von der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal der Sonde vor und dem Signal der Sonde nach dem Katalysator abgezogen. Die entsprechende insgesamt ermittelte Verzugszeit wird also um die Verzugszeit der Sonde korrigiert. Die dann verbleibende korrigierte Verzugszeit ist das zu ermittelnde Maß für die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators.
Erfindungsgemäß wird also die Signalverschiebung der Spannungsmessung vor dem Katalysator und der Spannungsmessung nach dem Katalysator aufgetrennt in die Verschiebung, die auf die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators zurückgeht, und einen zweiten Verschiebungsanteil, der durch die Sondendynamik bedingt ist. Diese beiden Effekte werden somit voneinander getrennt, um anhand der Messung der Verzugszeit zwischen den Sig nalen vor und nach dem Katalysator einen realistischen Wert für die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators zu erhalten.
Dabei empfiehlt sich die Bestimmung der Phasenverschiebung für einen mittleren Bereich der Sondenspannung bzw. in einem Bereich, in dem das Sauerstoffsondensignal weder zu flach noch zu steil verläuft, um Fehler, beispielsweise durch Abweichungen von einem symmetrischen Verlauf, der sich beim Umschalten zwischen einem Fett- und Magerbetrieb des Kraftfahrzeugs bzw. des Kraftfahrzeugsmotors ergeben sollte, zu verhindern. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Phasenverschiebung nicht in einem Plateaubereich ermittelt wird, um unnötige Fehler bei der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität bzw. der Sondenverzugszeit zu verhindern.
Erfindungsgemäß kann die Phasenverschiebung zwischen den Sondensignalen vor und nach dem Katalysator unter Durchführung der folgenden Schritte bestimmt werden:

– für einen bestimmten Spannungswert eines nach dem Katalysator gemessenen Signals einer Sauerstoffsonde in einem Bereich, in dem das Signal der Sauerstoffsonde, zumindest im Wesentlichen, proportional zur Befüllung des Sauerstoffspeichers des Katalysators ist, Bestimmung der diesem Spannungswert zugeordneten beiden Zeiten vor und nach einem Umschalten des Betriebs des Kraftfahrzeugs zwischen einem Fett- und Magerbetrieb,
– Bestimmung eines ersten Differenzbetrags als Differenzbetrag der beiden Zeiten und Halbierung dieses ersten Differenzbetrags,
– Bestimmung eines zweiten Differenzbetrags als Differenzbetrag der dem Spannungswert nach dem Umschalten zugeordneten Zeit und der Umschaltzeit und
– Berechnung der Phasenverschiebung als Differenz des zweiten Differenzbetrags und des halbierten ersten Differenzbetrags.

Die Phasenverschiebung, die der Sondenverzugszeit, also dem durch die Totzeit der Sonde sowie die Filterung bedingten zeitlichen Verzug, entspricht, wird also so bestimmt, dass für einen geeigneten Spannungswert der Sauer stoffsonde, also insbesondere nicht in einem Plateaubereich sondern in einem Bereich, in dem das Signal der Sauerstoffsonde, zumindest im Wesentlichen, proportional zur Befüllung des Sauerstoffspeichers des Katalysators ist, die entsprechenden Zeiten bestimmt werden, bei denen dieser gleiche Spannungswert einmal vor dem Umschalten des Kraftfahrzeugbetriebs, einmal nach dem Umschalten des Kraftfahrzeugsbetriebs, gemessen wird. Dabei kann der Umschaltvorgang sowohl ein Umschaltvorgang von einem Fett- in einen Magerbetrieb als auch ein Umschaltvorgang von einem Magerbetrieb in einen Fettbetrieb sein.
Diese beiden Zeiten, die zweckmäßigerweise in Sekunden, gerechnet von einem bestimmten Startpunkt der Messung an, bestimmt werden, dienen dann zur Bildung einer Differenz, es wird also der kleinere Zeitwert von dem größeren Zeitwert abgezogen, um so einen Differenzbetrag zu erhalten. Dieser Differenzbetrag wird anschließend halbiert. Die Halbierung des Differenzbetrags geht auf die zu erwartende Symmetrie des Signalverlaufs um den Umschaltzeitpunkt zurück. Entscheidend ist der zeitliche Abstand zum Umschaltzeitpunkt, so dass dementsprechend die ermittelte Zeitdifferenz durch zwei zu dividieren ist.
Anschließend wird ein zweiter Differenzbetrag bestimmt, bei dem es sich um den Differenzbetrag der dem (identischen) Spannungswert zugeordneten Zeit nach dem Umschalten und der Umschaltzeit selbst handelt. Hier wird also der zeitliche Abstand zwischen dem Umschaltvorgang (gemäß dem Sondensignal vor dem Katalysator) und dem Erreichen des entsprechenden Spannungswerts auf einer steigenden bzw. fallenden Flanke des Signals ermittelt.
Ohne eine Phasenverschiebung des Sondensignals vor dem Katalysator und des Sondensignals nach dem Katalysator sollte dieser zweite Differenzbetrag dem halbierten ersten Differenzbetrag entsprechen. Durch die Sondendynamik entsteht jedoch eine Verzögerung, die dazu führt, dass dieser zweite Differenzbetrag einen um eine Sondentotzeit und eine filterungsbedingte Verzögerung größeren Betrag als der halbierte erste Differenzbetrag aufweist. Dabei kann die relative Sondenverzugszeit im Hinblick auf die beiden verwendeten Sonden ermittelt werden, wobei aber in der Regel die Verzugszeit der (langsameren) Sonde nach dem Katalysator ausschlaggebend ist.
Die Phasenverschiebung wird dementsprechend als Differenz des zweiten Differenzbetrags und des halbierten ersten Differenzbetrags bestimmt.
Die Phasenverschiebung kann insbesondere unter Durchführung der folgenden Schritte bestimmt werden:

– Einstellung eines nach dem Katalysator gemessenen Spannungswerts des Signals einer Sauerstoffsonde unterhalb eines ersten Schwellwertes,
– Beaufschlagung des Katalysators mit einer bestimmten Abgasmasse und einem Abgasgemisch mit einer bestimmten Anfettung derart, dass das Signal der Sauerstoffsonde steigende Spannungswerte zeigt,
– Bestimmung der Zeit, zu der das Signal der Sauerstoffsonde einen zweiten Schwellwert als bestimmten Spannungswert überschreitet,
– bei Überschreiten eines dritten Schwellwerts durch das Signal der Sauerstoffsonde Abmagerung des Abgasgemisches um einen der vorhergehenden Anfettung entsprechenden Betrag und Bestimmung der zugehörigen Zeit,
– Bestimmung der Zeit, zu der das Signal der Sauerstoffsonde den zweiten Schwellwert wieder unterschreitet,
– Bestimmung eines ersten Differenzbetrags als Differenzbetrag der Zeiten der Überschreitung und Unterschreitung des zweiten Schwellwerts und Halbierung dieses ersten Differenzbetrags,
– Bestimmung eines zweiten Differenzbetrags als Differenzbetrag der Zeit des Unterschreitens des zweiten Schwellwerts und der Zeit des Überschreitens des dritten Schwellwerts und
– Berechnung der Phasenverschiebung als Differenz des zweiten Differenzbetrags und des halbierten ersten Differenzbetrags.

Ein entsprechendes Ergebnis für die Phasenverschiebung ergibt sich, wenn vom arithmetischen Mittel der Zeiten beim Über- und Unterschreiten des zwei ten Schwellwerts die Zeit bei Überschreiten des dritten Schwellwerts abgezogen wird.
Zu Beginn des Verfahrens zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität wird der Katalysator hierzu zweckmäßigerweise derart vorkonditioniert, dass sich die Spannung der nachgeschalteten binären Sauerstoffsonde unterhalb eines Schwellwerts, der beispielsweise als U₀ bezeichnet werden kann, von vorzugsweise 0,2 V befindet.
Anschließend wird der Katalysator mit einer Abgasmasse X und einem Abgasgemisch mit einer Anfettung des Betrags Y beaufschlagt. Aufgrund des fetten Abgasgemisches zeigt die Signalspannung der dem Katalysator nachgeschalteten Sonde steigende Spannungswerte. Der Zeitpunkt, zu dem die Signalspannung eine festzulegende Spannungsschwelle U₁ überschreitet, wird als Zeitpunkt T₁ abgespeichert. Die Spannungsschwelle U₁ liegt sinnvollerweise in einem Bereich von 0,35–0,65 V, vorzugsweise im Bereich von 0,5–0,6 V.
Nach dem Überschreiten eines weiteren Schwellwerts, der beispielsweise als Schwellwert U₂ bezeichnet werden kann, durch das Signal der dem Katalysator nachgeschalteten Sonde, wird das Gemisch vor dem Katalysator um den der vorhergehenden Anfettung entsprechenden Betrag Y abgemagert. Sinnvolle Werte für diese weitere Spannungsschwelle U₂ liegen im Bereich von 0,65–0,8 V, vorzugsweise von 0,7–0,75 V. Der Zeitpunkt, zu dem die Abmagerung ausgelöst wird, also ein Umschalten von einem Fettbetrieb in einen Magerbetrieb erfolgt, kann beispielsweise als T₂ bezeichnet werden. Die Abgasmasse ist dabei soweit wie möglich konstant zu halten. Sollte die Abgasmasse nicht konstant gehalten werden können, ist die Abmagerung um den Betrag Y derart anzupassen, dass der Betrag des Sauerstoffeintrags konstant gehalten wird.
Die Beaufschlagung des Katalysators mit einem mageren Abgasgemisch führt zu einer Reduzierung der Spannung bei der dem Katalysator nachgeschalte ten Sonde. Der Zeitpunkt, zu dem die Sondenspannung die Schwelle U₁ wieder unterschreitet, kann dann als Zeitpunkt T₃ bezeichnet werden.
Für die gesuchte Verzugszeit bzw. Phasenverschiebung der Sonde ergibt sich, wenn diese Verzugszeit als Zeit T₄ bezeichnet wird, folgende Formel:
Um diese Sondenverzugszeit kann anschließend der für die Sauerstoffspeicherfähigkeit gemessene Wert (die insgesamt entstandene Verzugszeit) korrigiert werden, um so den tatsächlichen Wert der Sauerstoffspeicherkapazität als korrigierten Wert zu erhalten.
Erfindungsgemäß kann der zweite Schwellwert soweit angehoben werden, dass die Zeiten beim Überschreiten und erneuten Unterschreiten des Schwellwertes identisch sind. Die Spannungsschwelle U₁ wird dementsprechend soweit angehoben, dass für die Zeiten T₁ und T₃ der Zusammenhang T₁ = T₃ gilt.
Erfindungsgemäß kann die Phasenverschiebung für ein Umschalten von einem Fett- in einen Magerbetrieb und/oder für ein Umschalten von einem Mager- in einen Fettbetrieb bestimmt werden. Durch die Bestimmung der Phasenverschiebung für beide Umschaltmöglichkeiten kann eine differenzierte Korrektur für den Fall durchgeführt werden, dass die Sondenverzugszeiten je nach Art des Umschaltvorgangs voneinander abweichen. Damit ist eine bessere Beurteilung bzw. Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators möglich. Für das vorstehend beschriebene schwellwertbezogene Verfahren ändert sich das Vorgehen für den umgekehrten Umschaltvorgang so, dass jeweils aus einem oberen Schwellwert ein unterer wird und umgekehrt.
Die beiden Zeiten vor und nach dem Umschalten zwischen dem Fett- und Magerbetrieb können für ein dazwischenliegendes symmetrisch um den einem lokalen Extremwert zugeordneten Umschaltpunkt verlaufendes Signal einer Sauerstoffsonde bestimmt werden, insbesondere bei einem Umschalten von einem Fett- auf einen Magerbetrieb für ein symmetrisch um ein lokales Maximum verlaufendes Signal einer Sauerstoffsonde und/oder bei einem Umschalten von einem Mager- auf einen Fettbetrieb für ein symmetrisch um ein lokales Minimum verlaufendes Signal einer Sauerstoffsonde.
Die Bestimmung der Phasenverschiebung beruht also auf Symmetriebetrachtungen, wobei der Effekt genutzt wird, dass sowohl die steigende als auch die fallende Flanke des Sondensignals durch die Verlangsamung der Sondendynamik betroffen sind. Unter der Annahme, dass im Bereich einer bestimmten Sondenspannung, beispielsweise von 0,2 V bzw. von 0,7 V als für die erfinungsgemäße Bestimmung des Korrekturwerts der Sauerstoffspeicherkapazität ausschlaggebenden Spannungswerten, der Sauerstoffspeicher des Katalysators nur eine vernachlässigbare Rolle spielt und unter der weiteren Annahme, dass der Umschaltzeitpunkt der Abgaszusammensetzung eines Katalysators bekannt ist, ist davon auszugehen, dass die Abgaszusammensetzung hinter dem Katalysator und dementsprechend die zugehörigen Sondenspannungswerte spiegelsymmetrisch um den Umschaltzeitpunkt verlaufen sollten. Die Verschiebung der Phase zwischen den durch die Sonde tatsächlich gemessenen Werten und den zu erwartenden Werten entspricht dann der Sondenverzugszeit. Der lokale Extremwert, also das Maximum bzw. Minimum, der Signalkurven ist mit dem Umschaltzeitpunkt korreliert.
Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise zu einem Zeitpunkt zwischen dem Fett- und Magerbetrieb umgeschaltet, zu dem der Katalysator nicht in Beharrung ist. Damit werden die Plateaubereiche, in denen aufgrund der geringen Steigung eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit gegeben ist und im Beharrungszustand des Katalysators Abweichungen von der Symmetrie auftreten, im Sinne einer möglichst exakten Korrektur der Sauerstoffspeicherkapazität von der Berücksichtigung zur Bestimmung des Korrekturwerts ausgeschlossen.
Insbesondere wird vorzugsweise bei einem Spannungswert des Signals einer Sauerstoffsonde zwischen dem Fett- und Magerbetrieb umgeschaltet, der innerhalb der der einem entsprechenden Lambdawert zugeordneten Behar rungswerte liegt. Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass sich der Katalysator zum fraglichen Zeitpunkt nicht in Beharrung befindet. Damit ist die Symmetrie zwischen den beiden Zeiten bzw. Signalverläufen vor bzw. nach dem Umschaltvorgang gegeben.
Des Weiteren kann die Phasenverschiebung zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator unter zusätzlicher Berücksichtigung des theoretischen Verlaufs des Signals der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator bestimmt werden. Es ist also möglich, insbesondere im Hinblick auf eine Überprüfung der Symmetrieeigenschaften, ergänzend das theoretische Sondensignal nach dem Katalysator zu betrachten bzw. eine entsprechende Modellberechnung durchzuführen. Für diese theoretische Kurve können dann ebenfalls die zu einem entsprechenden identischen Spannungswert vor und nach dem Umschalten gehörigen Zeiten bestimmt und für diese die halbierte Differenz berechnet werden. Diese halbierte Differenz sollte der halbierten Differenz entsprechen, die anhand des tatsächlichen Sondensignals nach der Filterung bestimmt wird. Sollten hierbei Abweichungen auftreten, so kann entsprechend eine Bestimmung der jeweiligen Zeiten für einen besser geeigneten Wert der Sondenspannung bzw. eine Korrektur des Betrags der Zeitdifferenz, beispielsweise durch Mittelwertbildung oder gewichtete Berücksichtigung der Werte oder dergleichen, durchgeführt werden.
Eine derartige Modellbetrachtung bzw. Berücksichtigung des theoretischen Sondensignals ist jedoch nicht zwingend erforderlich, sondern grundsätzlich als optional zu betrachten.
Die Phasenverschiebung, also die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen der Sauerstoffsonden, kann unter Berücksichtigung einer zonalen Aufteilung des Katalysators bestimmt werden, insbesondere unter Berücksichtung einer Aufteilung des Katalysators in zehn Zonen. Hierzu kann gegebenenfalls ein geeignetes Messprogramm, das von einer entsprechenden zonalen Aufteilung ausgeht, verwendet werden.
Dabei wird berücksichtigt, dass bei einer Sauerstoffmodulation vor dem Katalysator eine zyklische Be- und Entladung des Sauerstoffspeichers auftritt. Wenn im Sauerstoffspeicher Beladungsgrenzen unter- bzw. überschritten werden, kommt es zu einem Überschreiten gewisser Emissionswerte nach dem Katalysator.
Der Zeitverzug zwischen dem Umschalten hinsichtlich der Emissionen vor dem Katalysator und dem Überschreiten der Emissionen nach dem Katalysator entspricht der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators. Das Überschreiten der Emissionen kann nicht direkt, sondern wird lediglich anhand einer Lambdasonde erfasst. Der Emissionssprung zeigt sich also erst nach der Umbeladung des Sauerstoffspeichers und einer zusätzlichen durch die Verzugszeit der Sonde bedingten Zeit.
Die erfindungsgemäße Trennung dieser beiden Effekte erfolgt gegebenenfalls im Sinne einer differenzierten Bewertung des Katalysators unter Berücksichtigung einer axialen Aufteilung des Katalysators, zweckmäßigerweise in zehn Zonen, gegebenenfalls aber auch in eine andere Anzahl von Zonen. Für diese zehn oder mehreren Zonen kann das Sondenverhalten mit bzw. ohne Filterung betrachtet und eine differenzierte Korrektur der Sauerstoffspeicherwerte durchgeführt werden.
Bei Verwendung eines geeigneten Messprogramms unter Berücksichtung unterschiedlich gealterter Katalysatoren mit geeigneten Sonden kann also gezielt zwischen der Sondendynamik und der Katalysatordynamik unterschieden werden.
Zur Bestimmung der Signale der Sauerstoffsonden vor und nach dem Katalysator können wenigstens eine Breitbandsonde und/oder wenigstens eine Sprungsonde verwendet werden. Die Sprungsonde zeigt dabei ein im Wesentlichen lediglich von einem oberen Spannungswert auf einen unteren Spannungswert und umgekehrt umspringendes Signal, während mit einer Breitbandsonde ein differenzierter Signalverlauf zwischen den beiden Extremwerten aufgenommen werden kann. Eine Sprungsonde stellt dabei in der Regel eine vergleichsweise schnelle Sonde dar, während eine Breitbandsonde eine langsamere Sonde ist.
In aller Regel werden eine (einzige) Sonde vor dem Katalysator und eine weitere Sonde nach dem Katalysator angeordnet. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass es sich bei dem erfindungsgemäß verwendeten Signal einer Sauerstoffsonde vor bzw. nach dem Katalysator tatsächlich um ein kombiniertes Signal mehrerer Sauerstoffsonden handelt bzw. dass jeweils mehrere Sauerstoffsonden vor und nach dem Katalysator vorhanden sind, wobei anhand geeigneter Kombinationen der Signale der Sonden vor und nach dem Katalysator jeweils eine Korrektur für die Sauerstoffspeicherkapazität bestimmt wird, um so insgesamt eine optimale Korrektur mit einer größtmöglichen Fehlerbereinigung zu erhalten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale einer Sauerstoffsonde vor und einer Sauerstoffsonde nach dem Katalysator, die zur Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator sowie zur Bestimmung einer von der Sauerstoffsondendynamik abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator und zur Korrektur der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator um die bestimmte Phasenverschiebung ausgebildet ist, insbesondere gemäß einem Verfahren wie vorstehend geschildert.
Die Messeinrichtung ermittelt also zunächst eine Verzugszeit zwischen den jeweiligen Signalen der Sauerstoffsonden vor und nach dem Katalysator, die von der Sauerstoffspeicherkapazität, also auch der Sondenverzugszeit, abhängt, woraufhin des Weiteren eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Sondensignalen ermittelt wird, die zur Korrektur der insgesamt ermittelten Verzugszeit dient, indem diese Phasenverschiebung, also eine Zeitverschie bung, von der zuvor ermittelten bzw. gemessenen Verzugszeit subtrahiert wird.
Die Messeinrichtung weist geeignete Steuerungs- und/oder Berechnungseinrichtungen auf, mit deren Hilfe die Signalaufnahme durch die Sonden steuerbar ist oder zumindest die Daten der Sonden ausgelesen werden können, um diese Daten mit Hilfe geeigneter, in der Messeinrichtung bzw. der Steuerungs- und/oder Berechnungseinrichtung abgelegter Berechnungsvorschriften auszuwerten.
Des Weiteren können die Messeinrichtung bzw. deren Steuerungs- und/oder Berechnungseinrichtung über einen Bildschirm bzw. eine graphische Benutzeroberfläche an einem Bildschirm oder dergleichen verfügen, um die Mess- und Berechnungsresultate anzuzeigen bzw. einem Bediener Eingaben zur Durchführung bestimmter Messprogramme zu ermöglichen.
Die Messeinrichtung kann dabei zu Prüfzwecken mit bzw. bei im Betrieb befindlichen Kraftfahrzeugen oder auch im Testeinsatz mit Testfahrzeugen bzw. an einem Prüfstand mit Fahrzeugkomponenten verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Ausführungsbeispiele sowie aus den Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Darstellung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
2 eine Darstellung zur Bestimmung einer Verzugszeit für eine Signalfilterung und eine Signalverschiebung,
3 und 4 Darstellungen zur Verschiebung der Signale von Sauerstoffsonden nach einem Katalysator für den Fall einer schnellen und einer langsamen Sonde und
5 eine Darstellung zur erfindungsgemäßen Bestimmung einer Sondenverzugszeit.
In der 1 ist eine Darstellung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 1 gezeigt. Der Messeinrichtung 1 werden dabei die Signale einer Sauerstoffsonde 2 und einer Sauerstoffsonde 3 vor bzw. nach einem Katalysator 4 zugeführt, woraufhin mit einer entsprechenden Berechnungseinrichtung der Messeinrichtung 1 zunächst eine Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde 2 vor dem Katalysator 4 und der Sauerstoffsonde 3 nach dem Katalysator 4 durchgeführt wird.
Des Weiteren wird parallel bzw. im Anschluss eine Phasenverschiebung zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde 2 vor dem Katalysator 4 und dem Signal der Sauerstoffsonde 3 nach dem Katalysator 4 berechnet, die schließlich zur Korrektur der insgesamt ermittelten Verzugszeit der Signale der beiden Sauerstoffsonden 2, 3 herangezogen wird. Die entsprechenden Berechnungen können seitens der Messeinrichtung 1 vollautomatisch bzw. in entsprechenden anderen Ausführungsbeispielen vollständig bedienergeführt oder zum Teil bedienergestützt durchgeführt werden, beispielsweise im Hinblick auf eine bedienerseitige Auswahl eines geeigneten Spannungswertes zur Ermittlung der Zeitdifferenz, die die Grundlage für die Berechnung der Phasenverschiebung bildet.
Entsprechende Vorgaben können aber auch in einem Programmmittel der Berechnungseinrichtung der Messeinrichtung 1 bereits vollständig vorliegen, so dass, gegebenenfalls nach einem von einem Bediener initiierten Start des Programms zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität, diese im Übrigen vollautomatisch bestimmt wird. Die Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität kann dabei je nach Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung einer axialen zonalen Aufteilung des Katalysators 4, wobei für die einzelnen Zonen des Katalysators 4 jeweils unterschiedliche Signalverläufe vorliegen, erfolgen.
Die 2 zeigt eine erläuternde Darstellung zur Bestimmung einer Verzugszeit für eine Signalfilterung bzw. eine Signalverschiebung. Hierbei ist auf der y-Achse 23 das Signal aufgetragen, auf der x-Achse 24 die Zeit. Das Rohsignal 25 zeigt in diesem Beispiel einen dreieckigen, zackenartigen Verlauf. Durch eine reine Signal-Verschiebung ergibt sich das verschobene Signal 26, während bei einer Filterung des Signals auch die Form beeinflusst wird, wie hier durch das gefilterte Signal 27 angedeutet. Sowohl der Signalfilterung gemäß dem gefilterten Signal 27 als auch der Signalverschiebung entsprechend dem verschobenen Signal 26 lassen sich Verzugszeiten zuordnen, die hier für den Fall der Verschiebung durch den Pfeil 28, für den Fall der Filterung durch den Doppelpfeil 29 angedeutet sind. Den Bestimmungen der beiden Verzugszeiten liegt jeweils der Ansatz einer Symmetriebetrachtung zugrunde, bei der im Hinblick auf ein lokales Maximum die Werte auf der x-Achse 24 betrachtet werden, bei denen jeweils gleiche Signalwerte auf der y-Achse 23 einmal als Spannungsschwellwert überschritten, andererseits als Spannungschwellwert unterschritten werden, wobei zu diesen Schwellwerten dann die Differenz der zugehörigen x-Werte gebildet und halbiert wird. Diese Bestimmung erster Differenzbeträge ist hier durch die Pfeile 30, 31 und 32 angedeutet, wobei die Halbierung der Differenzbeträge durch die Pfeil 33, 34 und 35 veranschaulicht wird.
Durch die Bestimmung des Abstands der jeweils den halbierten ersten Differenzen zuzuordnenden Werte auf der x-Achse 24 zum Mittelwert gemäß dem Pfeil 33 ergeben sich dann die Verzugszeiten 28 und 29 für die Verschiebung und die Filterung. Diese geben also den Differenzbetrag wieder, der sich dadurch ergibt, dass der halbierte erste Differenzbetrag von der Differenz der dem Erreichen des Signalwertes nach dem Umschalten zugeordneten Zeit und der Umschaltzeit selber abgezogen wird.
Die gestrichelten Linien 36 sind Hilfslinien für die Betrachtung der Darstellung zur Bestimmung der Zeiten und Signalwerte.
Die 3 und 4 zeigen Darstellungen zur Verschiebung der Signale von Sauerstoffsonden für den Fall einer schnellen bzw. einer langsamen Sonde.
Dabei ist in der 3 auf der y-Achse 5 die Sondenspannung in Volt gegenüber der Zeit in Sekunden auf der x-Achse 6 aufgetragen. Dargestellt sind das Sondensignal 7 vor dem Katalysator, das erwartete Sondensignal 8 nach dem Katalysator als theoretisches Signal ohne Beeinflussung durch die Sondendynamik sowie das Sondensignal 9 nach dem Katalysator nach der durch die Sonde bedingten Filterung. In der 3 liegt lediglich ein geringer Unterschied der Kurvenverläufe des Sondensignals 8 nach dem Katalysator, wie es theoretisch zu erwarten wäre, und des Sondensignals 9 nach dem Katalysator, das tatsächlich gemessen wird und die sondenbedingte Filterung umfasst, vor.
Dementsprechend wird durch die hier zugrundeliegende schnelle Sonde nur eine geringe Phasenverschiebung verursacht, so dass folglich der Fehler bei der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität durch die Messung der Verzugszeit zwischen dem Sondensignal 7 vor dem Katalysator und dem Sondensignal 9 nach dem Katalysator nach Filterung vergleichsweise gering ist.
Anders sieht es jedoch bei dem in der 4 gezeigten Fall aus. Hier ist wiederum auf der y-Achse 10 die Sondenspannung in Volt in Abhängigkeit von der auf der x-Achse 11 aufgetragenen Zeit in Sekunden dargestellt. Das Sondensignal vor dem Katalysator ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet, das Sondensignal nach dem Katalysator, wie es theoretisch ohne den Effekt durch die Filterung verlaufen sollte, mit dem Bezugszeichen 13 und das Sondensignal nach dem Katalysator nach der sondenbedingten Filterung mit dem Bezugszeichen 14. In diesem Fall ist ein beträchtlicher Phasenunterschied zwischen dem Verlauf der Sondensignale 13 und 14 zu erkennen.
Hier liegt somit der Fall einer langsamen dem Katalysator nachgeschalteten Sonde vor, bei der eine Nichtberücksichtigung der Sondenverzugszeit zu einem beträchtlichen Fehler bei der Bewertung der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators führen würde. Durch die erfindungsgemäße Bestimmung dieser Phasenverschiebung ist es möglich, die Signalverschiebung, die durch die Sondendynamik bedingt ist, von einer Vergrößerung der Sauerstoffspei cherkapazität des Katalysators zu trennen, so dass dementsprechend eine falsche Einschätzung der Katalysatorgüte verhindert werden kann.
Es werden also Fehler, die beispielsweise durch die beträchtliche Sondenverzugszeit von etwa einer Sekunde zwischen den Sondensignalen 13 und 14 bei einem Wert der Sondenspannung von 0,5 V bedingt sind, vermieden.
Die 5 zeigt eine Darstellung zur erfindungsgemäßen Bestimmung einer Sondenverzugszeit.
Auf der y-Achse 15 der 5 ist wiederum die Sondenspannung in Volt aufgetragen, auf der x-Achse 16 die Zeit in Sekunden. Das Sondensignal 17 entspricht dem Sondensignal vor dem Katalysator, das Sondensignal 18 dem Signal nach dem Katalysator in einer Modellbetrachtung und das Sondensignal 19 dem tatsächlichen Signal nach dem Katalysator, das die sondenbedingte Filterung enthält und entsprechend phasenverschoben ist.
Im hier dargestellten Fall werden für das Sondensignal 19 nach dem Katalysator und nach Filterung die Zeiten bestimmt, bei denen jeweils eine Sondenspannung von 0,7 V als Schwellwert unterschritten bzw. überschritten wird, wobei die Differenz dieser Zeiten die durch den Pfeil 20 angedeutete Zeitdifferenz (z. B. bezeichnet als T₃ – T₁) ist. Diese Zeit wird halbiert, wobei sich die durch den Pfeil 21 angedeutete Zeit zu (T₃ – T₁)/2 ergibt. Dieser halbierte erste Differenzbetrag wird vom Zeitpunkt mit der Sondenspannung 0,7 V nach dem Umschalten (Unterschreiten des Schwellwerts) in Richtung auf den vorhergehenden Umschaltzeitpunkt aufgetragen. Die Umschaltung zur Abmagerung um einen der vorhergehenden Anfettung entsprechenden Betrag ist dabei bei Überschreiten eines weiteren Schwellwerts des Sondensignals 19, der vorab festgelegt wurde, zur Zeit T2 erfolgt. Die Differenz zwischen der Zeit, die nach dem Umschalten dem Unterschreiten der Sondenspannung 0,7 V zugeordnet ist, sowie dem Umschaltzeitpunkt bzw. Überschreiten des weiteren Schwellwerts wird als zweiter Differenzbetrag (T₃ – T₂) berücksichtigt, aus dem sich durch Subtrahieren des halbierten ersten Differenzbetrags gemäß dem Pfeil 21 die Sondenverzugszeit als Sondentotzeit bzw. durch die Filterung bedingter Zeitverzug (z. B. bezeichnet als T₄) gemäß dem Pfeil 22 zu (T₃ + T₁)/2 – T₂ ergibt.
Ergänzend ist es möglich, entsprechende Symmetrieüberlegungen für das theoretische Sondensignal 18 anzustellen, um so beispielsweise einen zweiten halbierten ersten Differenzbetrag zu bestimmen, der beispielsweise zur Überprüfung der Symmetrieeigenschaften des Sondensignals 19 nach dem Katalysator und nach Filterung dient. Zur Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Optimierung hinsichtlich der für die Berechnung verwendeten Werte der Sondenspannung bzw. eine Berechnung der Sondenverzugszeit für unterschiedliche Spannungen bzw. unterschiedliche Umschaltvorgänge vom Fett- in den Magerbetrieb und umgekehrt durchgeführt werden. Weitere Korrekturen können durch verbesserte Simulationen zur Bestimmung des theoretischen Sondensignals sowie eine geeignete Sondenauswahl bzw. Berücksichtigung von Sondendaten erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators (4) für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale (7, 9, 12, 14, 17, 19) einer Sauerstoffsonde (2) vor und einer Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator mit den folgenden Schritten: – Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4), – Bestimmung einer von der Sauerstoffsondendynamik abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) und – Korrektur der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal der Sauerstoffsonde vor und dem Signal der Sauerstoffsonde nach dem Katalysator um die bestimmte Phasenverschiebung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung unter Durchführung der folgenden Schritte bestimmt wird: – für einen bestimmten Spannungswert eines nach dem Katalysator (4) gemessenen Signals (9, 14, 19) einer Sauerstoffsonde (3) in einem Bereich, in dem das Signal der Sauerstoffsonde, zumindest im Wesentlichen, proportional zur Befüllung des Sauerstoffspeichers des Katalysators (4) ist, Bestimmung der diesem Spannungswert zugeordneten beiden Zeiten vor und nach einem Umschalten des Betriebs des Kraftfahrzeugs zwischen einem Fett- und Magerbetrieb, – Bestimmung eines ersten Differenzbetrags als Differenzbetrag der beiden Zeiten und Halbierung dieses ersten Differenzbetrags, – Bestimmung eines zweiten Differenzbetrags als Differenzbetrag der dem Spannungswert nach dem Umschalten zugeordneten Zeit und der Umschaltzeit und – Berechnung der Phasenverschiebung als Differenz des zweiten Differenzbetrags und des halbierten ersten Differenzbetrags.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung unter Durchführung der folgenden Schritte bestimmt wird: – Einstellung eines nach dem Katalysator (4) gemessenen Spannungswerts des Signals (9, 14, 19) einer Sauerstoffsonde (3) unterhalb eines ersten Schwellwertes, – Beaufschlagung des Katalysators (4) mit einer bestimmten Abgasmasse und einem Abgasgemisch mit einer bestimmten Anfettung derart, dass das Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) steigende Spannungswerte zeigt, – Bestimmung der Zeit, zu der das Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) einen zweiten Schwellwert als bestimmten Spannungswert überschreitet, – bei Überschreiten eines dritten Schwellwerts durch das Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) Abmagerung des Abgasgemisches um einen der vorhergehenden Anfettung entsprechenden Betrag und Bestimmung der zugehörigen Zeit, – Bestimmung der Zeit, zu der das Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) den zweiten Schwellwert wieder unterschreitet, – Bestimmung eines ersten Differenzbetrags als Differenzbetrag der Zeiten der Überschreitung und Unterschreitung des zweiten Schwellwerts und Halbierung dieses ersten Differenzbetrags, – Bestimmung eines zweiten Differenzbetrags als Differenzbetrag der Zeit des Unterschreitens des zweiten Schwellwerts und der Zeit des Überschreitens des dritten Schwellwerts und – Berechnung der Phasenverschiebung als Differenz des zweiten Differenzbetrags und des halbierten ersten Differenzbetrags.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert soweit angehoben wird, dass die Zeiten beim Überschreiten und erneuten Unterschreiten des Schwellwertes identisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung für ein Umschalten von einem Fett- in einen Magerbetrieb und/oder für ein Umschalten von einem Mager- in einen Fettbetrieb bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zeiten vor und nach dem Umschalten zwischen dem Fett- und Magerbetrieb für ein dazwischenliegendes symmetrisch um den einem lokalen Extremwert zugeordneten Umschaltpunkt verlaufendes Signal (9, 14, 19) einer Sauerstoffsonde (3) bestimmt werden, insbesondere bei einem Umschalten von einem Fett- auf einen Magerbetrieb für ein symmetrisch um ein lokales Maximum verlaufendes Signal (9, 14, 19) einer Sauerstoffsonde (3) und/oder bei einem Umschalten von einem Mager- auf einen Fettbetrieb für ein symmetrisch um ein lokales Minimum verlaufendes Signal (9, 14, 19) einer Sauerstoffsonde (3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt zwischen dem Fett- und Magerbetrieb umgeschaltet wird, zu dem der Katalysator (4) nicht in Beharrung ist.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Spannungswert des Signals (7, 9, 12, 14, 17, 19) einer Sauerstoffsonde (2, 3) zwischen dem Fett- und Magerbetrieb umgeschaltet wird, der innerhalb der einem entsprechenden Lambdawert zugeordneten Beharrungswerte liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) unter zusätzlicher Berücksichtigung des theoretischen Verlaufs des Signals (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung unter Berücksichtigung einer zonalen Aufteilung des Katalysators (4) bestimmt wird, insbesondere unter Berücksichtigung einer Aufteilung des Katalysators (4) in zehn Zonen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Signale (7, 9, 12, 14, 17, 19) der Sauerstoffsonden (2, 3) vor und nach dem Katalysator (4) wenigstens eine Breitbandsonde und/oder wenigstens eine Sprungsonde verwendet werden.
Messeinrichtung (1) zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators (4) für ein Kraftfahrzeug anhand der Signale (7, 9, 12, 14, 17, 19) einer Sauerstoffsonde (2) vor und einer Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4), ausgebildet zur Ermittlung einer von der Sauerstoffspeicherkapazität abhängigen Verzugszeit zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4), zur Bestimmung einer von der Sauerstoffsondendynamik abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) und zur Korrektur der ermittelten Verzugszeit zwischen dem Signal (7, 12, 17) der Sauerstoffsonde (2) vor und dem Signal (9, 14, 19) der Sauerstoffsonde (3) nach dem Katalysator (4) um die bestimmte Phasenverschiebung, insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.