DE102008046605B3

DE102008046605B3 - Verfahren zum Überprüfen eines Katalysator-Sauerstoffspeichers auf ausreichende Speicherfähigkeit

Info

Publication number: DE102008046605B3
Application number: DE102008046605A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: US20110056279A1; US8250912B2

Abstract

Es sollen für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Sauerstoffspeicher (4) und einer diesem zumindest zum Teil nachgeordneten Lambdasonde (6) vier Fälle unterschieden werden, nämlich jeweils, ob der Sauerstoffspeicher (4) eine ausreichende Speicherfähigkeit hat oder nicht und ob die Lambdasonde (6) voll funktionsfähig ist oder nicht. Hierzu wird der Abgasstrang in wechselnder Folge mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt, wobei in zwei verschiedenen Durchläufen der Sauerstoffbefüllungsgrad verschieden variiert wird. Bei geringer Variation des Sauerstoffbefüllungsgrads kann aufgrund bestimmter Kriterien auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückgeschlossen werden. Ist die Lambdasonde voll funktionsfähig, kann bei höherer Variation des Sauerstoffbefüllungsgrads auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers zurückgeschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines einem Katalysator in einem Abgasstrang zu einem Verbrennungsmotor zugeordneten Sauerstoffspeichers, und zwar soll Ergebnis der Überprüfung sein, ob die Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers noch ausreichend ist, damit das Gesamtsystem, welches typischerweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, den gesetzlichen Erfordernissen entspricht, was die Zusammensetzung des Abgases angeht.
So ist es auch üblich, aufgrund der Zusammensetzung des Abgases auf die Speicherfähigkeit zurückzuschließen. Zu diesem Zwecke ist eine Lambdasonde bereitgestellt, die dem Sauerstoffspeicher, typischerweise dem gesamten Katalysator, in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnet ist, oder die im Sauerstoffspeicher angeordnet ist, und daher einem Teil des Sauerstoffspeichers nachgeordnet ist. Messwerte der Lambdasonde sind hierbei Werte der Spannung, die an der Lambdasonde anliegt. Die Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers schlägt sich im zeitlichen Verhalten der Messwerte nieder, wenn ein Wechsel in der Beaufschlagung des Sauerstoffspeichers erfolgt ist: Der Sauerstoffspeicher arbeitet nicht, solange er mit Abgas mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 1 beaufschlagt wird, denn dann bewirkt der Katalysator, der über die Speicherfähigkeit durch Sauerstoffspeichereinheiten verfügt, dass sämtlicher Kraftstoff ohne Sauerstoffrückstand verbrannt wird. Wird der Sauerstoffspeicher mit fettem Abgas beaufschlagt, also mit Abgas, bei dem der Kraftstoffanteil höher ist, wird dem Sauerstoffspeicher Sauerstoff entzogen. Dies macht sich zunächst an der dem Sauerstoffspeicher nachgeordneten Lambdasonde nicht stark bemerkbar, aber es gibt einen Spannungssprung, sobald der Sauerstoffspeicher entleert ist, denn dann kommt an dieser Lambdasonde das Abgas an. Umgekehrt ist es, wenn der Sauerstoffspeicher mit magerem Abgas beaufschlagt wird, also mit Abgas, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ größer als 1 ist, also mehr Luft vorhanden ist als zur Umsetzung des Kraftstoffs benötigt wird. Dann wird der Luftsauerstoff entzogen und im Sauerstoffspeicher gespeichert. Erst, wenn der Sauerstoffspeicher gefüllt ist, gibt es einen Sprung in den Messwerten, weil mageres Abgas nicht weiter Sauerstoff abgeben kann und an der Lambdasonde ankommt.
Nun ist es so, dass der Sauerstoffspeicher an Speicherfähigkeit verlieren kann, insbesondere aufgrund von Alterung oder Vergiftung mit kontaminierenden Materialien, genauso kann aber auch die Lambdasonde aufgrund von Alterung oder Vergiftung ein nicht gewünschtes Verhalten haben. Es hat sich gezeigt, dass der Zustand, dass die Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers ausreichend ist, aber gleichzeitig die Lambdasonde nicht funktionsfähig ist, nur schwer von dem Zustand zu unterscheiden ist, dass bei voll funktionsfähiger Lambdasonde die Speicherfähigkeit des Katalysators nicht ausreichend ist.
Die DE 10 2005 016 075 B4 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose einer dem Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine zugeordneten Lambdasonde, bei dem die Zeitverzögerung im Sprung eines Lambdasondensignals einer vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde zu der dem Abgaskatalysator nachgeordneten Lambdasonde erfasst wird, und zwar bei zwei verschiedenen Abgasmassenströmen. Dann wird aus den gemessenen Zeitverzögerungen ermittelt, wie groß der von dem Abgasmassenstrom abhängige katalysatorbedingte Anteil und wie groß er im wesentlichen von dem Abgasmassenstrom unabhängige sondenbedingte Anteil an den Zeitverzögerungen ist. Nur der sondenbedingte Anteil wird als Diagnosekriterium für die Lambdasonde verwendet.
In Verfeinerung des in der DE 10 2005 016 075 B4 beschriebenen Verfahrens ist in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen 10 2008 023 893.7 beschrieben, dass dem Katalysator in wechselnder Folge mageres Abgas und fettes Abgas in den Abgasstrang zugeführt wird und ein beim Wechsel vom mageren zu fettem Abgas oder umgekehrt von der dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde aufgenommenes Signal zum Diagnostizieren herangezogen wird. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass sich das Abgas und seine Zusammensetzung geringfügig bei einem solchen Wechsel ändert, auch wenn der eigentliche Sprung in den Messwerten der Lambdasonde erst erfolgt, wenn nach längerer Zufuhr von fettem Abgas der Sauerstoffspeicher entleert oder nach längerer Zufuhr von magerem Abgas der Sauerstoffspeicher vollständig gefüllt ist.
Schließlich beschreibt die EP 1 437 501 A1 ein Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde, wobei diese stromab eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators positioniert ist. Dort wird angestrebt, die Alterung der Lambdasonde von der Alterung des Katalysators zu unterscheiden. Dazu wird der Katalysator während der Diagnose zunächst mit fettem Abgas und anschließend mit magerem Abgas beaufschlagt. Aus dem Messwert der Lambdasonde kann somit auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde sowie auf die Alterung und die Speicherfähigkeit des Katalysators geschlossen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie vier Situationen durch ein Analyseverfahren voneinander getrennt werden können, nämlich dass a) sowohl die Sonde als auch der Sauerstoffspeicher noch ausreichend gut arbeiten, b) dass Sonde und Sauerstoffspeicher beide nicht ausreichend gut arbeiten, oder dass c) die Sonde ausreichend gut arbeitet, der Sauerstoffspeicher aber keine ausreichende Sauerstoffspeicherfähigkeit mehr hat, oder dass d) der Sauerstoffspeicher eine ausreichende Speicherfähigkeit hat, die Sonde aber nicht mehr ausreichend gut arbeitet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem Verfahren wird in zwei Durchläufen der Sauerstoffspeicher jeweils in wechselnder Folge mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt. Bei dem ersten Durchlauf wird der Sauerstoffbefüllungsgrad des Sauerstoffspeichers über ein erstes Werteintervall variiert (wechselt also zwischen den beiden Grenzwerten des Intervalls und durchlauft die dazwischen befindlichen Werte), und im zweiten Durchlauf wird der Sauerstoffbefüllungsgrad des Sauerstoffspeichers über ein zweites, von dem ersten Werteintervall verschiedenes Werteintervall variiert. Bei beiden Durchläufen werden mittels einer zumindest einem Teil des Sauerstoffspeichers nachgeordneten Lambdasonde bzw. Regelsonde Messwerte aufgenommen. Aufgrund dieser Messwerte wird auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde und auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Speicherfähigkeit zurückgeschlossen.
Die Erfindung knüpft in soweit an bisherige Verfahren an, als dass der Sauerstoffspeicher in wechselnder Folge mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt wird, sie beruht aber demgegenüber auf der Erkenntnis, dass durch Änderung der Modulationstiefe des Sauerstoffbefüllungsgrads zusätzliche Informationen gewonnen werden können, so dass durch Erhöhung der Zahl der Informationen auch eine erhöhte Anzahl von Fällen voneinander unterschieden werden kann, insbesondere unabhängig voneinander die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde und das Ausreichen oder nicht Ausreichen der Speicherfähigkeit ermittelt werden kann.
Typischerweise erfolgt die Beaufschlagung derart, dass das fette Abgas über eine vorbestimmte Zeitdauer ein erstes Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat und das magere Abgas über eine Zeitdauer ein zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat, wobei die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse so gewählt sind, dass die Zeitdauern üblicherweise gleich sind. Um den Sauerstoffbefüllungsgrad über unterschiedliche Intervalle variieren zu können, kann an sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis jeweils geändert werden. Eine mathematische Zuordnung der Zufuhr von fettem und magerem Abgas zum Sauerstoffbefüllungsgrad ist jedoch erleichtert, wenn lediglich die Dauern der Zufuhr von fettem und magerem Abgas bei jeweils vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen Wechseln in Zufuhr bei dem ersten Durchlauf einerseits und dem zweiten Durchlauf andererseits voneinander unterschieden sind.
Bevorzugt umfasst das eine Werteintervall das andere: Wenn sich also das erste Werteintervall von einem ersten zu einem zweiten Wert für den Sauerstoffbefüllungsgrad erstreckt und das zweite Werteintervall von einem dritten zu einem vierten Werteintervall für den Sauerstoffbefüllungsgrad erstreckt, sollte der erste Wert größer sein als der zweite Wert und der dritte Wert kleiner sein als der vierte Wert, wobei der Abstand zwischen erstem und zweitem Wert und zwischen dritten und viertem Wert besonders bevorzugt gleich sind, um eine symmetrische Änderung des Werteintervalls an seinen beiden Seiten zu haben. Die Definition des ”ersten Durchlaufs” und ”zweiten Durchlaufs” soll lediglich die Durchläufe an sich voneinander unterscheiden und keine zeitlich Reihenfolge festlegen. Es ist für die Ausführung der Erfindung nicht bei jeder Ausführungsform wesentlich, ob zunächst über einen größeres Werteintervall moduliert wird und dann über ein kleineres oder umgekehrt.
Hierbei werden bevorzugt die Messwerte aus demjenigen Durchlauf, bei dem eine tiefere Sauerstoffmodulation erfolgt ist, dazu verwendet, auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückzuschließen.
Die Messwerte werden bevorzugt im Hinblick auf die Sauerstoffbeladung untersucht, wozu aus dem zeitlichen Beaufschlagen des Sauerstoffspeichers auf die Sauerstoffbeladung zurückgeschlossen werden kann und die im zugeordneten Zeitverlauf aufgenommenen Messwerte dann der jeweiligen Sauerstoffbeladung in einer Kurve, gegebenenfalls auch diskret in tabellarischer Form, zugeordnet werden. Der charakteristische Unterschied in den hierbei durchlaufenen Kurven zwischen einer voll funktionsfähigen Lambdasonde und einer aufgrund von Alterung oder Vergiftung nicht mehr voll funktionsfähigen Lambdasonde, die die Messsignale der voll funktionsfähigen Lambdasonde mit einem virtuellen Tiefpass gefiltert und insbesondere zeitverzögert abgibt, lassen sich durch mehrere Kriterien erkennen:
Zunächst einmal unterscheiden sich voll funktionsfähige Lambdasonden von weniger voll funktionsfähigen Lambdasonden in der Ableitung der Messwerte nach der Sauerstoffbeladung an den Wendepunkten der Kurve, nämlich beim Wechsel von fettem zu magerem Abgas und auch beim Wechsel von magerem zu fettem Abgas. Zum Beispiel unter Verwendung eines Schwellwertkriteriums kann diese Ableitung herangezogen werden, um zu entscheiden, ob die Lambdasonde als voll funktionsfähig angesehen wird oder nicht.
Die Ableitung durchläuft im Bereich um den Wendepunkt, also zeitlich gesehen im zeitlichen Umfeld des Wechsels, eine starke Änderung, und auch anhand von dieser Änderung lässt sich auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückschließen. So kann einfach die zweite Ableitung nach der Sauerstoffbeladung ermittelt werden, es kann aber auch eine normale Steigung in der ersten Ableitung ermittelt werden, also eine Differenz in der ersten Ableitung gesehen von dem Wendepunkt zu einem zweiten Punkt hin, der z. B. um einen bestimmten Wert der Sauerstoffbeladung vom ersten Punkt beabstandet ist.
Ein Unterschied in den von einer voll funktionsfähigen Lambdasonde einerseits und einer weniger voll funktionsfähigen Lambdasonde andererseits bei tiefer Sauerstoffmodulation aufgenommenen Kurven, besteht auch im Abstand der beiden Kurvenäste: Bei dem einen Kurvenast werden Messwerte aufgenommen, wenn die Sauerstoffbeladung gerade erhöht wird, beim anderen Kurvenast werden Messwerte aufgenommen, wenn die Sauerstoffbeladung nachfolgend wieder erniedrigt wird. Diese Kurvenäste decken sich nicht miteinander. Der Grad der Nicht-Deckung lässt auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückschließen. Es gibt mehrere Methoden, wie dieser Grad der Nicht-Deckung ermittelt werden kann. Beispielhaft sei genannt der Abstand der beiden Kurvenäste bei einem bestimmten Wert der Sauerstoffladung, der geeignet gewählt sein sollte, z. B. um ± 10% der Modulationstiefe um den Mittelpunkt der Sauerstoffbeladung zwischen den beiden Wendepunkten liegt. Genauso lässt sich auch die Fläche zwischen den beiden Kurvenästen ermitteln. Sowohl der genannte Abstand als auch die Fläche sollen so definiert sein, dass negative Werte möglich sind, also über einen Abstand von einem bestimmten Kurvenast zum anderen Kurvenast, definiert sein: Die Kurvenäste nähern sich nämlich bei Alterung der Lambdasonde einander an und trennen sich dann wieder voneinander bei weiterer Alterung. Sowohl der genannte Abstand, also die genannte Fläche, durchlaufen also einen Wert von Null und gelangen dann in einen negativen Bereich. Es ist eine Frage der Definition, ab wann die Lambdasonde nicht mehr voll funktionsfähig ist, was also der Schwellwert ist, der dem Abstand bzw. der Fläche zugeordnet ist und bei dessen Überschreiten bzw. Unterschreiten (je nach Formulierung des Kriteriums) die Lambdasonde als nicht mehr voll funktionsfähig gilt.
Die Analyse auf Funktionsfähigkeit der Lambdasonde geschieht bevorzugt zuerst. Im Falle, dass die Analyse ergibt, dass aufgrund der vorgenannten vorbestimmten Kriterien oder anderer vorbestimmter Kriterien die Lambdasonde nicht voll funktionsfähig ist, wird die Lambdasonde vor dem zweiten Durchlauf, also dem Durchlauf mit kleinerer Sauerstoffmodulation, der dann tatsächlich zeitlich nachzuordnen ist, durch eine voll funktionsfähige Lambdasonde ersetzt.
Wenn der Sauerstoffspeicher bei als voll funktionsfähig erkannter Lambdasonde oder gerade neu eingesetzter voll funktionsfähiger Lambdasonde mit einer wechselnden Folge von magerem und fettem Abgas so beaufschlagt wird, dass die Sauerstoffbeladung in nicht übermäßig hohem Maß variiert wird, z. B. zwischen einem Wert von zwischen 25% und 35% der maximalen Sauerstoffbeladung einerseits und einem Wert von zwischen 65% und 75% andererseits, z. B. zwischen 30% und 70% variiert wird, lässt sich aufgrund vorbestimmter Kriterien auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Speicherfähigkeit zurückschließen. Die genannten Werte der Modulation sind zu vergleichen mit typischen Werten für den ersten Durchlauf mit tieferer Sauerstoffmodulation, die zwischen einem ersten Wert von zwischen 5% und 15% und einem zweiten Wert von zwischen 85% und 95% der maximalen Sauerstoffbeladung, typischerweise zwischen 10% und 90%, variiert wird.
Bei dem Durchlauf mit kleinerer Sauerstoffmodulation, bei dem von einer voll funktionsfähigen Lambdasonde ausgegangen ist, unterscheiden sich die durchlaufenen Kurven stark, wenn abermals die Messwerte über die Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers aufgetragen werden. Grundsätzlich sind auch hier Ableitungen der Messwerte nach der Sauerstoffbeladung bei einem vorbestimmten Kriterium heranziehbar, da sich aber gerade beim Vergleich zwischen einem Sauerstoffspeicher mit hoher Speicherfähigkeit zu einem Speicher mit niedriger Speicherfähigkeit die Kurvenverläufe stark voneinander unterscheiden, lassen sich auch hier wieder folgende Kriterien heranziehen: Auch hier kann wieder der Abstand der Kurvenäste als Kriterium herangezogen werden, und wenn dieser Abstand einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, kann die Speicherfähigkeit als nicht ausreichend angesehen werden. Genauso kann auch die von den Kurvenästen eingeschlossene Fläche gemessen werden, und wenn diese Fläche einen vorbestimmten Wert unterschreitet (typischerweise gemessen in V·g), kann der Sauerstoffspeicher als nicht mehr ausreichend speicherfähig angesehen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei
1 schematisch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei ausreichend gutem Sauerstoffspeicher in Abhängigkeit von der Zeit bei tiefer Sauerstoffmodulation für eine Lambdasonde vor dem Sauerstoffspeicher einerseits und eine voll funktionsfähige und für eine nicht voll funktionsfähige Lambdasonde hinter dem Sauerstoffspeicher andererseits veranschaulicht,
2 eine den Kurven aus 1 entsprechende Darstellung der Sondenspannung über die Zeit ist,
3 eine 2 entsprechende Darstellung der Sondenspannung über die Sauerstoffbeladung für die voll funktionsfähige und die nicht voll funktionsfähige Sonde ist,
4 eine der 3 entsprechende Darstellung, wenn der Sauerstoffspeicher nicht ausreichend gut ist,
5 bis 8 den 1 bis 4 entsprechende Darstellungen bei weniger tiefer Sauerstoffmodulation sind.
Eine Brennkraftmaschine hat einen Abgasstrang. Dieser Abgasstrang umfasst einen Abgaskatalysator, der z. B. als Drei-Wege-Katalysator, als NOx-Speicherkatalysator oder als ein aktiver Partikelfilter ausgebildet ist sowie einen integrierten Sauerstoffspeicher beinhaltet. Der Abgasstrang umfasst ferner eine stromauf des Abgaskatalysators angeordnete Lambdasonde, die als Führungssonde dient sowie eine dem Abgaskatalysator zugeordnete Lambdasonde, die als Regelsonde dient.
Die Regelsonde ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromab des Abgaskatalysators angeordnet. Genauso gut könnte diese Lambdasonde jedoch auch direkt im Abgaskatalysator, d. h. nach einem Teilvolumen des Sauerstoffspeichers, angeordnet sein.
Es ist im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest mit einer vorgegebenen Genauigkeit auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einstellen lässt.
Vorliegend wird in wechselnder Folge ein mageres Abgasgemisch und ein fettes Abgasgemisch abgegeben. Zunächst sei davon ausgegangen, dass die einzelnen Phasen der Beaufschlagung mit magerem bzw. fettem Abgas jeweils so lang sind, dass der Sauerstoffbefüllungsgrad des Sauerstoffspeichers über einen großen Bereich, nämlich über nahezu den gesamten möglichen Bereich durchlaufen wird. Hierzu müssen die einzelnen Phasen der Beaufschlagung mit magerem bzw. fettem Abgas relativ lang sein. 1 zeigt den Verlauf des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ über die Zeit anhand der Kurve 10a, wie er an der Führungssonde anliegt. 2 zeigt anhand von Kurve 12a, welche Spannung hierbei an dieser Sonde gemessen wird. Die Spannung der Sonde wechselt zwischen 0,1 und 0,8 V. Zum Zeitpunkt t₁ = 0,8 s ist nach längerer Beaufschlagung mit fettem Abgas der Sauerstoffspeicher gefüllt, und es kommt fettes Abgas an der Regelsonde an. Daher misst diese zum Zeitpunkt t₁ eine Spannung von 0,8 V. Nach dem Zeitpunkt t₁ wird mit magerem Abgas beaufschlagt. Die Kurve 14a gibt an, wie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ an der Regelsonde aussieht. Die Kurve 14a gibt gleichzeitig an, welches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine voll funktionsfähige Regelsonde erfasst. Die Kurve 16a in 2 zeigt die hierbei auftretenden Messwerte der voll funktionsfähigen Regelsonde. Zum Zeitpunkt t₂ durchläuft die Kurve 14a genau den Wert λ = 1. Dies entspricht einem Sprung in der Spannung erkennbar durch Überschreiten eines Grenzwerts von typischerweise 0,45 V in der Kurve 16a. Bis zum Zeitpunkt t₃ kommt nach ausreichend langer Beaufschlagung des Sauerstoffspeichers mit magerem Abgas das magere Abgas an der voll funktionsfähigen Regelsonde an. Entsprechend wird der Wert von einer Spannung von 0,1 V erreicht. Bei der nachfolgenden Beaufschlagung mit fettem Abgas ist das Verhalten qualitativ genau umgekehrt.
Aus der Kurve 16a lässt sich das Verhalten der Sondenspannung an der voll funktionsfähigen Regelsonde in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers berechnen. Da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Beaufschlagung in einzelnen Phasen, z. B. zwischen t₁ und t₃, konstant ist, verändert sich die Sauerstoffbeladung konstant, nämlich mit x g/s. Aus dem genauen Wert des jeweiligen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses lässt sich dies ausrechnen und so aus der Kurve 16a die Kurve aus den Kurvenästen 18a1 und 18a2 ermitteln. Der Kurvenast 18a1 geht aus Umrechnung des Verhaltens in der Kurve 16a zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ hervor.
In 3 ist zu erkennen, dass es eine Hysterese gibt: Bei vorbestimmter Sauerstoffbeladung ist die Sondenspannung davon abhängig, ob die Sauerstoffbeladung gerade erhöht wird oder gerade erniedrigt wird.
Die 1 bis 3 veranschaulichen nun auch, wie sich bei gleicher Beaufschlagung des Katalysators entsprechend der Kurve 10a bzw. der Kurve 12a die Sondensignale verhalten, wenn die Regelsonde nicht voll funktionsfähig ist, nämlich insbesondere gealtert ist. Die Sondenspannung verhält sich entsprechend der Kurve 20a. Diese Messwerte geben vor, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Regelsonde entsprechend der Kurve 22a verhält. Durch die Alterung der Sonde wird bewirkt, dass die Kurve 16a gewissermaßen einem Tiefpass unterworfen wird und zeitversetzt wird, so dass man die Kurve 20a erhält. In der Kurve 22a drückt sich dies dadurch aus, dass durch die gealterte, also nicht voll funktionsfähige Regelsonde gar nicht erfasst wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zwischen den Werten 0,980 und 1,020 schwankt, sondern dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis scheint lediglich zwischen den Werten 0,990 und 1,010 zu schwanken. Erst zum Zeitpunkt t₅, der dem Zeitpunkt t₂ nachfolgt, wird der Punkt λ = 1 durchlaufen, es kommt also in der Kurve 20a zu einem Sprung erst zu einem Zeitpunkt t₅.
Auch die Kurve 20a lässt sich in ein Koordinatensystem umrechnen, in dem die Sondenspannung über die Sauerstoffbeladung aufgetragen ist. Man erhält aus der Kurve 20a dann eine Kurve mit zwei Kurvenästen 24a1 und 24a2.
Während in den Kurven in 1 bis 3 davon ausgegangen ist, dass der Sauerstoffspeicher eine hohe Speicherkapazität hat, lassen sich den Kurven aus 1 bis 3 entsprechende Kurven auch ermitteln für den Fall, dass der Sauerstoffspeicher eine nur geringe Speicherkapazität hat. Bei ansonsten gleichen Bedingungen, also bei Beaufschlagung des Sauerstoffspeichers mit Abgas entsprechend den Kurven 10a und 12a lässt sich so für den nicht voll ausreichend speicherfähigen Sauerstoffspeicher eine der 3 entsprechende Darstellung ableiten, und dies ist 4. In 4 sind zwei Äste 18b1 und 18b2 gezeigt, die sich ergeben, wenn die Regelsonde voll funktionsfähig ist. Es sind zwei Äste 24b1 und 24b2 gezeigt, die sich ergeben, wenn die Lambdasonde nicht voll funktionsfähig ist.
Im realen Fall weiß ein Beobachter nun nicht, ob der Sauerstoffspeicher ausreichende Speicherfähigkeit hat oder nicht, und er weiß auch nicht, ob die Lambdasonde voll funktionsfähig ist oder nicht. Insbesondere im Falle, dass die Regelsonde nicht voll funktionsfähig ist, lassen sich die Kurvenäste 24a1 und 24b1 einerseits und 24a2 und 24b2 andererseits kaum voneinander unterscheiden. Ein Unterschied ist zwar zwischen den Asten 18a1 und 18b1 und zwischen den Asten 18a2 und 18b2 und dem Verhältnis zwischen Asten 18a1 zu 18a2 einerseits und 18b1 zu 18b2 andererseits gegeben, es ist jedoch nicht ohne Weiteres ein Kriterium verwendbar, um einen Sauerstoffspeicher mit ausreichender Speicherfähigkeit von einem Sauerstoffspeicher mit nicht ausreichender Sauerstoffspeicherfähigkeit zu unterscheiden, wenn nicht bekannt ist, ob die zur Ermittlung der Kurven verwendete Lambdasonde voll funktionsfähig ist oder nicht. Insbesondere können die Kurvenäste 24a1 und 18b2 möglicherweise miteinander verwechselt werden, also die Fälle verwechselt werden, dass der Sauerstoffspeicher ausreichende Speicherfähigkeit hat und die Sonde nicht voll funktionsfähig ist und dass der Sauerstoffspeicher nicht ausreichende Speicherfähigkeit hat und die Sonde voll funktionsfähig ist. Es soll aber eine eindeutige Aussage getroffen werden können.
Zu diesem Zweck wird eine zweite Messung durchgeführt. Bei der zweiten Messung wird der Sauerstoffbefüllungsgrad des Sauerstoffspeichers über einen geringeren Bereich variiert als bisher beschrieben. Bisher erfolgte die Variation des Sauerstoffbefüllungsgrades durch Beaufschlagung des Katalysators mit dem Sauerstoffspeicher entsprechend der Kurve 10a. Kennzeichen der Kurve 10a ist es, dass zwischen zwei Zuständen gewechselt wird, nämlich fettes Abgas und mageres Abgas im Wechsel zugeführt werden. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse sind hierbei so gewählt, dass die jeweilige Differenz zum Wert λ = 1 gleich ist: Das fette Abgas wird mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 0,980 zugeführt, die Differenz zu λ = 1 beträgt also 0,02. Das magere Abgas wird mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 1,020 zugeführt, die Differenz beträgt also auch hier 0,02. Um die Sauerstoffbeladung zyklisch zu durchfahren, ist dann das jeweilige Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine jeweils gleiche Zeitdauer Δt = t₃ – t₁ = t₄ – t₃ zuzuführen. Andere Arten der Zuführung, bei denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis jeweils um verschiedene Werte vom Wert λ = 1 beabstandet ist und im Ausgleich hierfür die Dauer der Beaufschlagung mit magerem und fettem Abgas unterschiedlich gestaltet wird, sind möglich.
Vorliegend wird an die Beaufschlagung gemäß der Kurve 10a angeknüpft: Es erfolgt ein Wechsel zwischen magerem und fettem Abgas bei denselben Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ entsprechend der Kurve 10c. Die Kurve 10c unterscheidet sich von der Kurve 10a nur in der Dauer der Beaufschlagung mit dem jeweiligen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, also entweder mit λ = 1,02 oder mit λ = 0,98. Die Dauer ist wie bei der Kurve 10a jeweils gleich. Dadurch wird auch hier die Sauerstoffbeladung zyklisch durchfahren. Das Intervall von Werten der Sauerstoffbeladung, das durchfahren wird, ist jedoch kleiner als im Falle der Kurve 10a.
Die 5 und 6 zeigen den Kurven aus den 1 und 2 entsprechende Kurven, wobei diese bei gleicher Bezugszahl statt mit einem ”a” mit einem ”c” bezeichnet sind. Die mit 14c und 16c bezeichneten Kurven repräsentieren bei einem Sauerstoffspeicher mit ausreichender Speicherfähigkeit das Messverhalten einer voll funktionsfähigen Regelsonde und die Kurven 20c und 22c dasselbe bei ein nicht voll funktionsfähigen Regelsonde. In Entsprechung zur 3 lassen sich die Kurven 16c und 20c in Abhängigkeit von der Sauerstoffbeladung darstellen und man erhält so eine Kurve mit den Ästen 18c1 und 18c2 für die voll funktionsfähige Sonde und eine Kurve mit den Ästen 24c1 und 24c2 für die nicht voll funktionsfähige Sonde.
Ferner lässt sich für den Fall, dass der Sauerstoffspeicher keine ausreichende Sauerstoffspeicherfähigkeit hat, eine Darstellung entsprechend der 4 ableiten, und dies ist 8. Für die voll funktionsfähige Sonde sind bei geringer Modulation der Sauerstoffbeladung für einen Sauerstoffspeicher mit ausreichender Speicherfähigkeit die Kurvenäste 18d1 und 18d2 gezeigt, für eine nicht voll funktionsfähige Regelsonde in Entsprechung hierzu die Kurvenäste 24d1 und 24d2.
Da nun sowohl herausgefunden werden soll, ob der Sauerstoffspeicher ausreichend speicherfähig ist und die Regelsonde voll funktionsfähig ist, wird vorliegend einer Prüfung auf Funktionsfähigkeit der Regelsonde begonnen.
Hierbei wird auf die Messkurven zurückgegriffen, die bei Variation der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers über ein geringeres Intervall gewonnen wurden. Für die vier möglichen Fälle sind diese Kurven in 7 und 8 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die jeweiligen Kurvenäste für die voll funktionsfähige Sonde (bezeichnet mit ”18”) unabhängig von dem Ausreichen der Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers von den jeweiligen Kurvenästen für die nicht voll funktionsfähige Sonde (mit ”24” bezeichnet) unterscheiden. Dieser Unterschied lässt sich anhand von quantitativen Kriterien festmachen.
So ist es möglich, das Verhalten der Kurven im Bereich des Wendepunkts, an dem die Sauerstoffbeladung maximal niedrig ist zu untersuchen. Dieser Wendepunkt zwischen den Kurvenästen 18c2 und 18c1 ist mit 26 bezeichnet, dementsprechend der Wendepunkt zwischen den Kurvenästen 24c1 und 24c2 mit 126 bezeichnet, der Wendepunkt zwischen den Größen 18d1 und 18d2 ist mit 226 bezeichnet, und der entsprechende Wendepunkt zwischen den Kurvenästen 24d2 und 24d1 ist mit 326 bezeichnet.
Wie zu sehen ist, ist die Steigung der Kurven 18c1 und 18d1 betragsmäßig wesentlich größer als die Steigung der Kurven 24c1 und 24c1. Bereits an der Ableitung dieser Kurven lässt sich daher erkennen, ob die Regelsonde voll funktionsfähig ist oder nicht. Für die Ableitung kann ein Schwellwert ermittelt werden, ab dessen Unterschreiten die Lambdasonde als nicht mehr voll funktionsfähig gilt.
Die Kurven 18c1 und 18d1 zeigen etwas oberhalb der minimalen Sauerstoffbeladung einen herausragenden Knick. Dieser lässt sich quantitativ fassen, indem entweder die zweite Ableitung bestimmt wird. Die Tatsache des Vorhandenseins des Knicks bei der voll funktionsfähigen Sonde lässt sich auch dadurch erfassen, dass der Unterschied zwischen der Ableitung am Wendepunkt 26, 126, 226, 326 einerseits zur Ableitung an einem weiteren Punkt auf den jeweiligen Kurven ausgehend von diesem Wendepunkt ermittelt wird, wobei dieser weitere Punkt zum Beispiels so gewählt ist, dass die Sauerstoffbeladung um einen vorbestimmten Betrag von der am Wendepunkt 26, 126, 226, 326, verschieden ist. Der Punkt kann auch so gewählt sein, dass zwischen 5% und 15% des Intervalls zwischen dem der minimalen Sauerstoffbeladung und der maximalen Sauerstoffbeladung durchlaufen wurden.
In Analogie zur Umgebung der Wendepunkte 26, 126, 226, 326 können auch die Verhältnisse im Bereich der entgegengesetzten Wendepunkte, an denen die Sauerstoffbeladung maximal ist, ermittelt werden. Diese Wendepunkte sind in den 7 und 8 mit 28, 128, 228 und 328 bezeichnet.
Ein Unterschied zwischen voll funktionsfähiger Sonde und nicht voll funktionsfähiger Sonde lässt sich auch anhand der bloßen Tatsache einer Hysterese, die sich im Vorhandensein von jeweiligen Kurvenästen ausdrückt, ermitteln, wobei das Ausmaß der Hysterese und ihr Vorzeichen hierbei eine Rolle spielen können.
Das Ausmaß der Hysterese lässt sich dadurch ermitteln, dass bei einer vorbestimmten Sauerstoffbeladung der Abstand zwischen den beiden Kurvenästen ermittelt wird. Vorliegend soll dieser Abstand so definiert sein, dass bei einer vorbestimmten Sauerstoffbeladung, z. B. bei 0,055 g, die Differenz zwischen dem Punkt auf der Kurve, bei der die Sauerstoffbeladung reduziert wird, zu dem Punkt auf der Kurve, bei der die Sauerstoffbeladung erhöht wird, berechnet wird. Bei einer Sauerstoffbeladung von 0,055 g ist dieser Abstand als d₁ für die Kurvenäste 18c2 und 18c1 eingezeichnet. Wenn die Sonde altert, verringert sich dieser Abstand. Irgendwann kehrt sich die Hysterese um, d. h. der Kurvenast 24c1 liegt unterhalb des Kurvenasts 24c1. Nach obiger Definition ergibt sich dann ein negativer Abstand.
Der dem Abstand d1 aus 7 entsprechende Abstand ist als d1' in 8 gezeichnet, es ist nämlich der Abstand zwischen den Kurven 18d2 und 18d1. Auch bei schlechter Sauerstoffspeicherfähigkeit verringert sich dieser Abstand, durchläuft den Wert Null und wird negativ.
Es kann nun ein Schwellwert für den Abstand ausgewählt werden, ab dem die Sonde als nicht mehr voll funktionsfähig liegt. Dieser Schwellwert muss unter dem Schwellwert von d1 liegen, damit nicht bei guter Sauerstoffspeicherfähigkeit und voll funktionsfähiger Sonde versehentlich auf einen nicht voll funktionsfähige Sonde bei schlechter Sauerstoffspeicherfähigkeit zurückgeschlossen wird. Der Schwellwert kann beispielsweise bei Null liegen. Es kann also untersucht werden, ob die Hysterese linksdrehend ist, wie bei voll funktionsfähiger Sonde oder rechtsdrehend wie bei nicht voll funktionsfähiger Sonde.
Genauso, wie sich bei einem vorbestimmten Sauerstoffbeladungsgrad ein Abstand nach Art von d₁ und d₁' bestimmen lässt, lässt sich auch die Fläche zwischen den beiden Kurvenästen bestimmen, wobei diese Fläche als Integral über die Differenz der Sondenspannung bei Verringerung der Sauerstoffbeladung zur Sondenspannung bei Erhöhung der Sauerstoffbeladung definiert sein kann. Dann ist das Integral bei voll funktionsfähiger Sonde positiv, verringert sich immer mehr und erreicht bei nicht voll funktionsfähiger Sonde negative Werte. Auch zum Integral kann ein geeigneter Schwellwert festgelegt sein.
Den oben genannten Kriterien ist gemeinsam, dass die Messwerte der Sonde (Sondenspannung) der Sauerstoffbeladung zugeordnet werden müssen, wobei vorliegend die gesamte Kurve umgerechnet ist, bei vereinfachten Verfahren jedoch auch tabellarische Zuordnungen erfolgen können.
Nachdem nun bei geringer Variation der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers durch Beaufschlagung des Katalysators und des Sauerstoffspeichers entsprechend der Kurve 10c ermittelt worden ist, ob die Sonde voll funktionsfähig ist oder nicht, kann im ersteren Fall unmittelbar damit begonnen werden, auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers zu prüfen, und im zweiten Fall kann die Regelsonde durch eine voll funktionsfähige Sonde ausgetauscht werden. Es kann nun eine Beaufschlagung des Katalysators bzw. des Sauerstoffspeichers entsprechend der Kurve 10a in einem zweiten Durchlauf erfolgen oder im Falle einer von vornherein funktionsfähigen Sonde an einen Durchlauf vor dem ersten Durchlauf angeknüpft werden.
Nunmehr ist davon auszugehen, dass die Lambdasonde voll funktionsfähig ist, es sind also lediglich die in 3 und 4 mit der Bezugszahl ”18” bezeichneten Kurvenäste relevant. Um zu entscheiden, ob der Sauerstoffspeicher ausreichend Speicherfähigkeit hat oder nicht, sind die Fälle zu unterscheiden, ob zwei Kurvenäste nach Art der Kurvenäste 18a1 und 18a2 vorhanden sind oder ob Kurvenäste nach Art der Kurvenäste 18b1 und 18b2 gemessen werden. Durch Vergleich von 3 und 4 ergibt sich, dass sich die einzelnen Kurvenäste 18a1 und 18a2 immer mehr voneinander trennen, bis sie bei nicht ausreichender Speicherfähigkeit einen großen Abstand wie die Kurvenäste 18b1 und 18b2 voneinander haben. Somit kann auch hier ein Abstand d zwischen den beiden Kurvenästen bei einer vorbestimmten Sauerstoffbeladung von z. B. 0,065 g gemessen werden. Der Abstand beträgt dann d2 im Falle eines ausreichenden Speichers, bei den Kurvenästen 18a2 und 18a1 also ungefähr 0,2 V, und der Abstand beträgt d2' bei nicht ausreichendem Sauerstoffspeicher, also über 0,6 V.
Für diesen Abstand lässt sich ein Schwellwert definieren, ab dessen Überschreiten der Sauerstoffspeicher nicht mehr als ausreichend funktionsfähig gilt.
Auch hier kann die von den jeweiligen Kurvenästen 18a2 und 18a1 bzw. 18b2 und 28b1 eingeschlossene Fläche alternativ herangezogen werden, und wenn diese einen Grenzwert überschreitet, kann der Sauerstoffspeicher als nicht mehr ausreichend Speicherfähigkeit aufweisend definiert werden.
Sowohl bei der Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Lambdasonde als auch bei der Bestimmung des Ausreichens oder Nichtausreichens der Sauerstoffspeicherfähigkeit wurde ein Abstand ermittelt oder alternativ die Fläche zwischen zwei Kurvenästen. Die jeweilige Fläche kann auch lediglich über einen Abschnitt der Kurvenäste ermittelt werden, also zwischen zwei vorbestimmten Werten der Sauerstoffbeladung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, in einem Kraftfahrzeug zu überprüfen, ob der Sauerstoffspeicher eine ausreichende Speicherfähigkeit hat, und dies anhand von Messwerten einer Lambdasonde, die gleichzeitig auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft wird. Somit kann gewährleistet werden, dass die Abgaszusammensetzung des vom Kraftfahrzeug abgegebenen Abgases den gesetzlichen Vorschriften entspricht. Gegebenenfalls ist der Sauerstoffspeicher auszutauschen.

Claims

Verfahren zum Überprüfen eines einem Katalysator in einem Abgasstrang zu einem Verbrennungsmotor zugeordneten Sauerstoffspeichers auf ausreichende Speicherfähigkeit, wobei bei dem Verfahren in zwei Durchläufen der Sauerstoffspeicher jeweils in wechselnder Folge mit fettem und magerem Abgas beaufschlagt wird, wobei bei dem ersten Durchlauf der Sauerstoffbefüllungsgrad über ein erstes Werteintervall variiert wird und beim zweiten Durchlauf der Sauerstoffbefüllungsgrad über ein zweites, von dem ersten Werteintervall verschiedenes Werteintervall variiert wird, und wobei bei beiden Durchläufen mittels einer zumindest einem Teil des Sauerstoffspeichers nachgeordneten Lambdasonde Messwerte aufgenommen werden und aufgrund der Messwerte auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde und auch auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Speicherfähigkeit des Sauerstoffspeichers zurückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Dauern der Zufuhr von fettem und magerem Abgas bei jeweils vorbestimmtem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen Wechseln in der Zufuhr bei dem ersten und dem zweiten Durchlauf voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich das erste Werteintervall von einem ersten zu einem zweiten Wert für den Sauerstoffbefüllungsgrad und das zweite Werteintervall von einem dritten zu einem vierten Wert für den Sauerstoffbefüllungsgrad erstrecken und der erste Wert größer als der zweite Wert und der dritte Wert kleiner als der vierte Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem aufgrund der Messwerte aus dem ersten Durchlauf auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Messwerte der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers zugeordnet werden und aus a) der Ableitung der Messwerte nach der Sauerstoffbeladung beim Wechsel von fettem zu magerem Abgas und/oder von magerem zu fettem Abgas und/oder b) einer Änderung dieser Ableitung im Bereich um den Wechsel und/oder c) einem Abstand des Kurvenastes (18c2, 18d2, 24c2, 24d2) der von hoher Sauerstoffbeladung zu niedriger Sauerstoffbeladung führt, zum Kurvenast (18c1, 18d1, 24c1, 24d1), der von geringer Sauerstoffbeladung zu hoher Sauerstoffbeladung führt, bei einem bestimmten Wert der Sauerstoffbeladung und/oder d) der Fläche zwischen dem Kurvenast (18c2, 18d2, 24c2, 24d2) der von hoher Sauerstoffbeladung zu niedriger Sauerstoffbeladung führt, zum Kurvenast (18c1, 18d1, 24c1, 24d1), der von geringer Sauerstoffbeladung zu hoher Sauerstoffbeladung führt, auf die Funktionsfähigkeit der Lambdasonde zurückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem bei nicht voll funktionsfähiger Lambdasonde die Lambdasonde vor dem zweiten Durchlauf durch eine voll funktionsfähige Lambdasonde ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem bei voll funktionsfähiger Lambdasonde aufgrund der Messwerte aus dem zweiten Durchlauf auf das Ausreichen oder Nichtausreichen der Speicherfähigkeit zurückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Messwerte aus dem zweiten Durchlauf der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers zugeordnet werden und aus a) einem Abstand des Kurvenastes (18a2, 18b2), der von hoher Sauerstoffbeladung zu geringer Sauerstoffbeladung führt, zum Kurvenast (18a1, 18b1) der von niedriger Sauerstoffbeladung zu hoher Sauerstoffbeladung führt, bei einem bestimmten Wert der Sauerstoffbeladung und/oder b) der Fläche zwischen dem Kurvenast (18a2, 18b2), der von hoher Sauerstoffbeladung zu niedriger Sauerstoffbeladung führt, und dem Kurvenast (18a1, 18b1), der von niedriger Sauerstoffbeladung zu hoher Sauerstoffbeladung führt, auf die ausreichende oder nicht ausreichende Speicherfähigkeit des Speichers zurückgeschlossen wird.