DE102009010021A1 - Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators - Google Patents

Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zu schaffen, mit dem der Alterungsgrad eines Katalysators genauer und zuverlässiger beurteilt werden kann. Erfindungsgemäß wird ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators anhand von Kennlinien erstellt, die den Verlauf des Alterungsgrades des Katalysators zwischen seiner vollständigen Konvertierungsleistung und einem Schwellwert für einen notwendigen Katalysatorwechsel aufgrund des Alterungsgrades charakterisieren. Die Kennlinien des Verlaufs des Alterungsgrades werden dabei während eines Dauertests des Katalysators aus einer Verknüpfung der Werte der Schädigung der Konvertierungsaktivität durch Edelmetallsinterung des Katalysators und des Schädigungszustandes der Washcoatstruktur des Katalysators bei den jeweiligen ermittelten Sauerstoff-Speicherkapazitäten des Katalysators bei einem sprunghaften Wechsel von einer mageren zu einer fetten Gemischzusammensetzung und bei einem sprunghaften Wechsel von einer fetten zu einer mageren Gemischzusammensetzung gebildet. Außerdem wird im Steuergerät der in Abgastests ermittelte Rohgasverlauf über die ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
  • Durch den Gesetzgeber wird für Kraftfahrzeuge ein ständig kleiner werdender Schadstoffausstoß gefordert. Im Zusammenhang damit muss die Funktionsfähigkeit der Abgasanlage des Kraftfahrzeuges ständig dahingehend überwacht werden, ob der Katalysator noch die zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte erforderliche Konvertierungsleistung besitzt. Eine sogenannte On-Board-Diagnostik (OBD) in Kraftfahrzeugen überwacht unter anderem die Funktionsfähigkeit der Abgasanlage hinsichtlich ihrer Konvertierungsleistung gegenüber den Schadstoffen.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik kann die Abgasqualität nicht direkt durch die Messung der Schadstoffe geprüft werden. Man behilft sich daher mit der Bestimmung der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators (Oxygen Storage Capacity – OSC), mit der die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators dargestellt wird. So ist beispielsweise aus der DE 42 11 116 A1 , der DE 199 53 601 C2 , der DE 198 01 626 A1 sowie aus der DE 103 05 452 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators vorbekannt, bei dem jeweils vor und nach dem Abgaskatalysator eine Abgassonde angeordnet ist, die mit einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Motorsteuergerät, verbunden ist. Zur Ermittlung der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators wird der Brennkraftmaschine periodisch wechselnd ein in seiner Zusammensetzung unterschiedliches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt, so dass dem Katalysator ein Abgas mit Sauerstoffüberschuss (magere Gemischzusammensetzung) sowie ein Abgas mit Sauerstoffmangel (fette Gemischzusammensetzung) zugeführt wird. Wird der Motor mager betrieben (λ > 1), liegt im Abgas eine höhere O2-Konzentration vor, als es der Stöchiometrie entspricht. Mit diesem Überschuss wird das Cer im Washcoat des Katalysators von der Oxidationsstufe +3 auf +4 oxidiert und eine entsprechende O2-Menge in das Ceroxid-Gitter eingebaut. Sauerstoff wird so während der mageren Phasen gespeichert.
  • Im fetten Betrieb (λ < 1) besteht ein Überschuss an CO und Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas. Jetzt erfolgt die Rückreaktion des gespeicherten O2, indem vor allem CO am Edelmetall sorbiert wird, von dort auf der Washcoat-Oberfläche zum reaktiven Cer4+ diffundiert (”spill over”) und hier mit einem gespeicherten Sauerstoffatom zu CO2 reagiert. Das Cer bleibt in der Oxidationsstufe +3 zurück.
  • Zum Bestimmen der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators werden durch das Motorsteuergerät sprunghafte Wechsel zwischen einer fetten und mageren Gemischzuführung erzeugt, deren Verlauf durch die vor und nach dem Katalysator angeordneten Abgassonden (λ-Sonden) verfolgt wird. Weil der Katalysator bei einem fett-mager-Sprung O2 speichert bzw. bei einem mager-fett-Sprung O2 abgibt und dabei den CO/HC-Überschuss im fetten Abgas abbaut, wird die nach-Katalysator-Antwort durch die nachgeschaltete Abgassonde zeitverzögert registriert. Die O2-Speicherung bzw. die O2-Abgabe erfolgt so lange, bis der O2-Speicher komplett gefüllt bzw. geleert ist. Die Zeitverzögerung der Sprungantwort nach dem Katalysator ist somit ein Maß für die Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators (OSC). Zur Festlegung des Sprungzeitpunktes wird vorzugsweise jeweils der λ = 1-Durchgang der Sondenspannung verwendet. Die Abnahme der Sauerstoff-Speicherkapazität bis auf einen bestimmten Wert wertet die Fahrzeugelektronik als unzulässige Schädigung des Katalysators und damit als zu meldenden Fehler.
  • Nachteilig bei der Ermittlung der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik ist, dass dieses Verfahren Fehlerquellen hinsichtlich der Genauigkeit des tatsächlichen Zustandes des Katalysators beinhaltet. So ist es möglich, dass die Alterung des Katalysators zu einer Verschlechterung der Edelmetall-Aktivität, aber nicht zu einer Abnahme der Sauerstoff-Speicherkapazität führt. Eine ggf. eingetretene Überschreitung der Schadstoffgrenzwerte würde demnach verborgen bleiben und eine Fehlermeldung unterbleibt.
  • Auf der anderen Seite kann es Katalysatoren geben, die zwar stark an Sauerstoff-Speicherkapazität verlieren, aber trotzdem weiter ausreichend konvertieren. Der durch die On-Board-Diagnostik gemeldete Fehler würde in diesem Fall zum Austausch eines intakten Katalysators führen, was unwirtschaftlich ist.
  • Aus der DE 101 37 134 B4 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Alterung des Speicherkatalysators erkannt werden kann. Dabei wird in einem Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Diagnose zur Erkennung der Alterung des Katalysators in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur durchgeführt. Die Temperatur wird in und/oder nach dem Katalysator gemessen, wobei sich die Temperatur bzw. eine daraus ermittelte Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von der Alterung des Katalysators verändert. Je geringer die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators alterungsbedingt noch ist, desto geringer ist die Temperaturerhöhung. Damit wird aus der Temperaturerhöhung auf den Alterungszustand des Katalysators geschlossen.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Bestimmung der Alterung des Katalysators in Abhängigkeit von dessen Temperatur ebenfalls stark fehlerbehaftet ist. Ein genauer Alterungsgrad des Katalysators und Rückschlüsse hinsichtlich der möglichen Ursachen einer frühzeitigen Alterung lassen sich mit dieser Methode nicht realisieren. Außerdem ist eine exakte Temperaturerfassung des Katalysators schwierig durchzuführen.
  • Aus der DE 10 2005 062 116 A1 ist eine OBD-Überwachung eines Abgasnachbehandlungssystems bekannt, wobei zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators gezielt mittels einer modellierten Lambda-Vorsteuerung zwischen einem fetten (λ < 1) und einem mageren (λ > 1) Kraftstoff-Luft-Gemisch gewechselt wird. Dabei werden mit der modellierten Lambda-Vorsteuerung die Schritte – Überprüfen der Einschaltbedingungen, Bestimmung des mittleren Vorsteuerfehlers, gesteuerte Fettphase, gesteuerte Magerphase, Plausibilisierung eines modellierten Sondensprungs vor dem Katalysator und Ermittlung und Ausgabe eines Mittelwerts – durchgeführt.
  • Nachteilig ist das aufwendige und ungenaue Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators. Nachteilig ist weiterhin, dass das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators Fehlerquellen hinsichtlich der Genauigkeit des tatsächlichen Zustandes des Katalysators beinhaltet. So ist es möglich, dass die Alterung des Katalysators zu einer Verschlechterung der Edelmetall-Aktivität, aber nicht zu einer Abnahme der Sauerstoff-Speicherkapazität führt. Eine gegebenenfalls eingetretene Überschreitung der Schadstoffgrenzwerte würde demnach verborgen bleiben und eine Fehlermeldung unterbleibt.
  • Aus der DE 10 2005 004 670 B4 ist ein Verfahren zur Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators bekannt. Dabei wird bei einem sprunghaften Wechsel der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoff-Verhältnisse zwischen einer fetten und mageren Gemischzusammensetzung die Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators mittels der Signale einer vor und nach dem Katalysator angeordneten Abgassonde ermittelt. Aus den jeweiligen ermittelten Sauerstoff-Speicherkapazitäten des Katalysators bei einem sprunghaften Wechsel von einer mageren zu einer fetten Gemischzusammensetzung und bei einem sprunghaften Wechsel von einer fetten zu einer mageren Gemischzusammensetzung wird die Schädigung der Konvertierungsaktivität durch Edelmetallsinterung des Katalysators und der Schädigungszustand der Washcoatstruktur des Katalysators ermittelt und durch Verknüpfung der beiden Werte der Alterungsgrad des Katalysators bestimmt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zu schaffen, mit dem der Alterungsgrad eines Katalysators genauer und zuverlässiger beurteilt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators anhand von Kennlinien erstellt, die den Verlauf des Alterungsgrades des Katalysators zwischen seiner vollständigen Konvertierungsleistung und einem Schwellwert für einen notwendigen Katalysatorwechsel aufgrund des Alterungsgrades charakterisieren. Die Kennlinien des Verlaufs des Alterungsgrades werden dabei während eines Dauertests des Katalysators aus einer Verknüpfung der Werte der Schädigung der Konvertierungsaktivität durch Edelmetallsinterung des Katalysators und des Schädigungszustands der Washcoatstruktur des Katalysators bei den jeweiligen ermittelten Sauerstoff-Speicherkapazitäten des Katalysators bei einem sprunghaften Wechsel von einer mageren zu einer fetten Gemischzusammensetzung und bei einem sprunghaften Wechsel von einer fetten zu einer mageren Gemischzusammensetzung gebildet. Außerdem wird im Steuergerät der in Abgastests ermittelte Rohgasverlauf über die Entwicklung des Alterungsgrades der Brennkraftmaschine als Inputverlaufe für das Simulationsmodell hinterlegt.
  • Der Vorteil des im Steuergerät einer Brennkraftmaschine hinterlegten erfindungsgemäßen Simulationsmodells zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines Katalysators im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine besteht darin, dass durch das Simulationsmodell das reale Alterungsverhalten des Katalysators wesentlich besser dargestellt werden kann als mit den an sich bekannten Diagnoseverfahren.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Lösung baut auf dem in der DE 10 2005 004 670 B4 beschriebenen Verfahren zur Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators auf. Gemäß der DE 10 2005 004 670 B4 wird durch eine Auswertung des mager-fett-Sprunges und des fett-mager-Sprunges die Edelmetallschädigung und die OSC-Schädigung des Katalysators in getrennten Parametern erfasst. Aufbauend aus den so ermittelten Parametern wird erfindungsgemäß ein Simulationsmodell parametriert, welches im Steuergerät implementiert wird.
  • Nach der Entwicklung eines neuen Katalysators erfolgt in einem Dauertest des Katalysators die Ermittlung des Alterungsverhaltens des Katalysators über seine Gesamtbetriebsnutzungsdauer bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wobei für die dabei ermittelten Ergebnisse entsprechende Kennlinien erstellt werden. Die Gesamtbetriebsnutzungsdauer erstreckt sich dabei zwischen einer vollständigen Konvertierungsleistung eines unbenutzten neuen Katalysators und einem Grenzwert in dem die Konvertierungsleistung nicht mehr die vorgeschriebenen Bestimmungen erfüllt und somit einen Katalysatorwechsel notwendig macht. Zur Erstellung der Kennlinien des Alterungsgrades des Katalysators werden für unterschiedliche Betriebsbe dingungen bei einem sprunghaften Wechsel von einer mageren zu einer fetten Gemischzusammensetzung und bei einem sprunghaften Wechsel von einer fetten zu einer mageren Gemischzusammensetzung die jeweilige Sauerstoff-Speicherkapazität, der dabei auftretende Wert der Schädigung der Konvertierungsaktivität durch Edelmetallsinterung und der dazugehörige Wert des Schädigungszustandes der Washcoatstruktur des Katalysators ermittelt. Die erstellten Kennlinien werden in einem Steuergerät eines Serienfahrzeuges hinterlegt und bilden die Grundlage für das zu erstellende Simulationsmodell.
  • Weiterhin werden im Steuergerät die Daten von Rohabgasverläufen von Abgastests für den jeweiligen Katalysator hinterlegt, die über die Betriebsdauer der Verbrennungskraftmaschine ermittelt wurden. Da die Verbrennungskraftmaschine über ihren Betriebszeitraum ebenfalls Alterungseffekte, die den Rohabgasverlauf über die Betriebsdauer verändern, aufweist, werden während des Dauerlauftests in der Serienentwicklung mehrere Rohabgasverläufe gemessen, die den Alterungsgrad des Gesamtsystems abbilden. Diese Daten dienen dem im Steuergerät des Fahrzeuges hinterlegten Simulationsmodell als Inputverläufe.
  • Das in einem Steuergerät eines Fahrzeuges für den jeweilig verwendeten Katalysatortyp implementierte Simulationsmodell ermittelt bei jedem durchgeführten Diagnosezyklus die Edelmetallparameter und die Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators und speichert die ermittelten aktuellen Werte im Steuergerät ab. Mit diesen Parametern wird das Simulationsmodell neu parametriert und ein virtueller Abgastest berechnet, dessen Ergebnis eine eindeutige Aussage zulässt, ob die Emissionen noch unterhalb der Grenzwerte liegen oder ob der Katalysator als defekt diagnostiziert werden muss. Des weiteren können maßgebliche Parameter der Motorsteuerung, die für die Emissionen relevant sind, entsprechend dem realen Alterungsgrad, während des Fahrbetriebes neu optimiert werden, so dass diese dem Alterungsgrad des im Fahrzeug befindlichen Katalysators entspricht.
  • Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Simulationsmodells wird die Zuverlässigkeit der On-Bord-Diagnose wesentlich erhöht, was einerseits Überschreitungen der Emissionsgrenzwerte unterbindet, andererseits aber den Austausch intakter Katalysatoren vermeiden hilft.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4211116 A1 [0003]
    • - DE 19953601 C2 [0003]
    • - DE 19801626 A1 [0003]
    • - DE 10305452 A1 [0003]
    • - DE 10137134 B4 [0008]
    • - DE 102005062116 A1 [0010]
    • - DE 102005004670 B4 [0012, 0018, 0018]

Claims (5)

  1. Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei das Simulationsmodell in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine hinterlegt ist, gekennzeichnet dadurch, dass – das Simulationsmodell für einen jeweiligen Katalysatortyp eine Vielzahl während eines Dauertests des Katalysators ermittelter Kennlinien enthält, die einen jeweiligen Alterungsgrad des Katalysators zwischen seiner vollständigen Konvertierungsleistung und einem Schwellwert für einen notwendigen Katalysatorwechsel aufgrund des Alterungsgrades charakterisieren, – die Kennlinien aus einer Verknüpfung der Werte der Schädigung der Konvertierungsaktivität durch Edelmetallsinterung des Katalysators und des Schädigungszustandes der Washcoatstruktur des Katalysators bei den jeweiligen ermittelten Sauerstoff-Speicherkapazitäten des Katalysators bei einem sprunghaften Wechsel von einer mageren zu einer fetten Gemischzusammensetzung und bei einem sprunghaften Wechsel von einer fetten zu einer mageren Gemischzusammensetzung gebildet werden, – im Steuergerät der in Abgastests ermittelte Rohgasverlauf über die Entwicklung des Alterungsgrades der Brennkraftmaschine als Inputverläufe für das Simulationsmodell hinterlegt wird.
  2. Simulationsmodell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Simulationsmodell bei jedem durchgeführten Diagnosezyklus ermittelten Edelmetallparameter und die Sauerstoff-Speicherkapazität des Katalysators aktualisiert und im Steuergerät abgespeichert werden.
  3. Simulationsmodell nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Simulationsmodell aus den während des Diagnosezyklus ermittelten Lambdaverläufen das aktuelle Konvertierungsverhalten des Katalysators berechnet wird.
  4. Simulationsmodell nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Verbrennungskraftmaschine mittels des Steuergeräts derart eingestellt werden, dass die im Steuergerät und im Simulationsmodell hinterlegten Emissionsgrenzwerte des Katalysators nicht überschritten werden.
  5. Simulationsmodell nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät Informationen zur Anzeige des im Diagnosezyklus ermittelten aktuellen Alterungsgrades des Katalysators übermittelt werden.
DE102009010021A 2009-02-21 2009-02-21 Simulationsmodell zur On-Bord-Diagnose des Alterungsgrades eines im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators Ceased DE102009010021A1 (de)

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