DE102009040534B3

DE102009040534B3 - Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit eines Katalysators

Info

Publication number: DE102009040534B3
Application number: DE102009040534A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-09-09

Abstract

Die Leistungsfähigkeit eines Katalysators wird dadurch überprüft, dass eine Beaufschlagung mit einem ersten Abgasmassenstrom erfolgt, und dann ein Wechsel in der Größe des Massenstroms nach oben oder unten hin erfolgt, wobei hierbei die Messwerte einer Nachtkatlambdasonde (6) untersucht werden. Es zeigt sich in diesen Messwerten ein starker Einbruch (oder Anstieg), wenn der Katalysator gealtert ist und auszuwechseln ist. Ein zu starker Einbruch kann anhand der Amplitude oder der zeitlichen Ableitung erkannt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit eines Katalysators in einem Abgasstrang zu einem Verbrennungsmotor, wobei davon ausgegangen ist, dass dem Katalysator oder zumindest einem Abschnitt desselben in Strömungsrichtung des Abgases eine Lambdasonde nachgeordnet ist.
Ein Katalysator kann Alterungseffekten unterliegen oder durch schädliche Stoffe vergiftet werden. Dann ist seine Fähigkeit, vorbestimmte Reaktionen zur Verringerung von Schadstoffen im Abgas zu fördern, eingeschränkt und es kommt eben zur Emission von Schadstoffen in die Umwelt.
Somit erweist es sich als notwendig, die Leistungsfähigkeit des Katalysators (zur sog. Konvertierung) zu überprüfen, damit der Katalysator gegebenenfalls ausgetauscht werden kann.
Bisherige Verfahren beurteilen die Leistungsfähigkeit des Katalysators nicht anhand der katalytisch wirkenden Stoffe, sondern anhand der Sauerstoffspeicherkapazität eines dem Katalysator zugeordneten Sauerstoffspeichers. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Gesamtsystems ist jedoch nicht stets in eindeutige Beziehung zur Leistungsfähigkeit des Katalysators zu setzen.
Aus der DE 697 24 077 T2 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Verschlechterung eines Katalysators zur Abgasreinigung bekannt, bei welchem die Signale einer dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde in unterschiedlichen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine – also bei unterschiedlichen Abgasmassenströmen durch den Katalysator – gemessen und verglichen werden. Durch statistische Analyse dieser Werte und Vergleich mit einer Referenzcharakteristik des Katalysators werden Aussagen über die Leistungsfähigkeit des Katalysators getroffen.
Die DE 10 2005 016 075 A1 beschreibt ferner ein Verfahren zur Diagnose einer einem Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine zugeordneten Lambdasonde. Hierbei werden Messwerte einer dem Katalysator vorgelagerten und einer dem Katalysator nachgelagerten Lambdasonde miteinander verglichen, wobei ein Verfahren vorgeschlagen wird, um katalysatorbedingte und sondenbedingte Anteile des gemessenen Signals zu separieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit eines Katalysators bereitzustellen, das präzisere Aussagen macht, sodass ein nicht mehr voll funktionsfähiger Katalysator rechtzeitig ausgetauscht werden kann und die Emission schädlicher Abgase vermieden werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit folgende Schritte:

a) Einstellen einer vorbestimmten Sauerstoffbeladung eines dem Katalysator zugeordneten Sauerstoffspeichers,
b) Betreiben des Verbrennungsmotors so, dass sich ein erster Abgasmassenstrom einstellt, und hierbei Aufnehmen von Spannungsmesswerten mit der Lambdasonde,
c) Wechseln zu einem Betreiben des Verbrennungsmotors so, dass sich ein zweiter Abgasmassenstrom einstellt, der zumindest um ein vorbestimmtes Maß höher oder tiefer als der erste Abgasmassenstrom ist, und hierbei Aufnehmen von Spannungsmesswerten mit der Lambdasonde,
d) Untersuchen der Messwerte auf das Ausmaß eines dem Wechsel zugeordneten Einbruchs oder Anstiegs in der durch die Messwerte wiedergegebenen Spannung und Zuordnen einer Aussage über die Leistungsfähigkeit des Katalysators in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfasst unmittelbar die Fähigkeit des Katalysators zum Fördern einer Reaktion und nicht mehr mittelbar über die Sauerstoffspeicherung wie im Stand der Technik.
Es ist die Leistung des Erfinders der hier beschriebenen Erfindung, erkannt zu haben, dass sich der Unterschied in der Sondenspannung, also dem Spannungsmesswert der Lambdasonde umsomehr vergrößert, je größer der Unterschied in der Leistungsfähigkeit des Katalysators ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dieser Unterschied detektiert.
Das Verfahren ermöglicht zuverlässig eine Bestimmung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators. Ist diese nicht mehr ausreichend gut, kann der Katalysator somit ausgetauscht werden, und so wird die Abgabe schädlicher Abgase in die Umwelt vermieden.
Das Ausmaß des Einbruchs beim Wechsel lässt sich bei Wechsel zu höherem Abgasmassenstrom anhand der Amplitude des Einbruchs ermitteln, bei Wechsel zu niedrigerem Abgasmassestrom an der Amplitude des Anstiegs. Es kann auch die zeitliche Ableitung der Messwerte verwendet werden, die eine Aussage über die Schnelligkeit des Erreichens des Minimums (bzw. Maximums) macht. Die Ableitung kann absolut oder auf den Abgasmassestrom normiert berechnet werden. Auch andere Größen können so abgeleitet werden.
Das Verfahren funktioniert zwar grundsätzlich bei jedem Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers, also bei jeder vorbestimmten Sauerstoffbeladung. Bevorzugt wird jedoch eine vorbestimmte Sauerstoffbeladung eines dem Katalysator zugeordneten Sauerstoffspeichers vor Beginn des Schrittes a) bewusst eingestellt. Die Sauerstoffbeladung soll insbesondere auf einen Wert von mehr als 50% der Sauerstoffspeicherkapazität eingestellt werden. Ein solches Einstellen erfolgt durch Beaufschlagen des Katalysators mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch mit vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ, welches von Eins verschieden ist.
Bei den Schritten b) und c) ändert sich die Sauerstoffkapazität bevorzugt nicht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird also dann auf den Wert von Eins eingestellt. Die Sauerstoffbeladung lässt sich durch Bilanzierung der von der Lambdasonde gemessenen Abgaszusammensetzung errechnen. Kennt man die Sauerstoffbeladung, lässt sich ein Zusammenhang zu dem Einbruch in den Messwerten der Lambdasonde beim Wechsel der Größe des Abgasmassenstroms besonders präzise beschreiben. Wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei den Schritten b) und c) auf den Wert von Eins eingestellt, bleibt es unverändert, man weiß dann, dass der zuvor eingestellte Befüllungsgrad konstant bleibt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Abgasmassenstrome für die Schritte a) und b) gezielt, z. B. durch eine Steuerung in einem Kraftfahrzeug, eingestellt werden. Da der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs üblicherweise aufgrund von Bedienvorgaben eines Kraftfahrzeugführers arbeitet, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im Rahmen des normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Es erfolgt dann eine ständige Überwachung, ob aufgrund einer mehr oder weniger zufälligen Abfolge von Bedienhandlungen die Schritte b) und c) nacheinander vollführt werden. Sobald dies erkannt wird, schließt sich der Schritt d) dann an. Beim normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs ist so gewährleistet, dass in regelmäßigen Abständen eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Katalysators erfolgt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:
1 eine Anordnung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren sinnvoll einsetzbar ist,
2 einen Graphen, der die Abhängigkeit der Fähigkeit eines Katalysators zur NO_x-Konvertierung in Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom für zwei unterschiedliche Katalysatorzustände veranschaulicht,
3 die Sondenspannung einer Nachkatlambdasonde in Abhängigkeit vom Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers für vier unterschiedliche Zustände eines Katalysators veranschaulicht,
4 die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellten Größen veranschaulicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1 mit einem Abgasstrang 2. Der Abgasstrang 2 umfasst einen Abgaskatalysator 3, der z. B. aus Drei-Wege-Katalysator, NO_x-Speicherkatalysator oder als ein aktiver Partikelfilter ausgebildet ist sowie einen integrierten Sauerstoffspeicher 4 beinhaltet. Der Abgasstrang 2 umfasst ferner eine stromauf des Abgaskatalysators 3 angeordnete Lambdasonde 5, die als Führungssonde dient, und auch als Vorkatsonde bezeichnet werden kann, sowie eine dem Abgaskatalysator 3 zugeordnete Lambdasonde 6, die als Regelsonde dient und als Nachkatlambdasonde bezeichnet werden kann.
Die Nachkatlambdasonde 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel stromab des Abgaskatalysators 3 angeordnet. Genauso gut könnte diese Lambdasonde jedoch auch direkt im Abgaskatalysator 3, d. h. nach einem Teilvolumen des Sauerstoffspeichers 4, angeordnet sein.
Es ist im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Abgas des Verbrennungsmotors 1 zumindest mit einer vorgegebenen Genauigkeit auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einstellen lässt. Außerdem soll der Abgasmassenstrom definiert einstellbar sein.
Der Katalysator arbeitet umso schlechter, je größer der Abgasmassenstrom ist.
2 zeigt eine Kurve 10, die die Abhängigkeit des Prozentsatzes an durch den Katalysator konvertierten NO_x in Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom veranschaulicht, und zwar für einen neuen, als voll funktionsfähig angenom menen Katalysator. Die Kurve 12 zeigt die selbe Abhängigkeit für einen gealterten Katalysator.
3 zeigt Kennlinien für die Abhängigkeit der Sondenspannung von der Beladung des Sauerstoffspeichers. Die Kurve 16 ist die Kennlinie, die ein voll funktionsfähiger, neuer Katalysator zeigt, wenn er mit kleinen Abgasmassen beaufschlagt wird. Die Kurve 18 ist die Kennlinie, die derselbe Katalysator zeigt, wenn er mit großen Abgasmassen beaufschlagt wird. Die Kurve 20 ist die Kennlinie eines gealterten Katalysators mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit, wie sie bei kleinen Abgasmassen aufgenommen wird, und die Kennlinie 22 ist die Kennlinie für den selben Abgaskatalysator wie bei Kennlinie 20, nur bei großen Abgasmassen.
Es ist nun ein Sprung feststellbar, wenn man einen beliebigen Punkt auf der Kennlinie einstellt und dann den Abgasmassenstrom abrupt ändert. Würde die Kennlinie 16 gelten, würde somit ein Sprung ΔV₁ in erster Näherung erfolgen. Würde die Kennlinie 20 gelten, würde ein Sprung ΔV₂ zwischen der Kennlinie 20 und der Kennlinie 22 erfolgen.
Genauer wird dies anhand der 4 erläutert. Es ist vorausgesetzt, dass ein vorbestimmter Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers eingestellt ist, der bevorzugt über 50% liegt. Dann wird der Katalysator gemäß der Kurve 24a mit einer Abgasmasse von 20 kg/h beaufschlagt, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gemäß der Kurve 26 gleich Eins ist. Es stellt sich dann die Sondenspannung gemäß der Kurve 28a von ca. 0,65 V ein. Aus dem Graphen gemäß Kurve 12 lässt sich dann die Menge an NO_x in ppm im Abgas bestimmen, siehe Kurve 30a. Nun erfolgt zum Zeitpunkt t ein abrupter Wechsel in der Beaufschlagung des Katalysators mit Abgas, nämlich zu einer Abgasmasse von 100 kg pro Stunde gemäß Kurve 24b. Es kommt dann zu einem Einbruch in der Sondenspannung gemäß entweder der Kurve 28b₁ oder der Kurve 28b₂ . Der Einbruch gemäß der Kurve 28b₁ erfolgt bei einem neuen, voll funktionsfähigen Katalysator. Der Einbruch gemäß der Kurve 28b2 erfolgt bei einem geeigneten, nicht voll funktionsfähigen Katalysator. Entsprechend gibt es eine hohe Steigerung in der NO_x-Emission gemäß der Kurve 30b₁ bei neuem Katalysator, gemäß 30b₂ bei altem Katalysator. Man kann nun das Ausmaß des Einbruchs in den Kurven 28b₁ bzw. 28b₂ ermitteln also entweder die Amplitude ΔV₁' oder die Amplitude ΔV₂'. Genausogut lässt sich auch die zeitliche Ableitung ( ∂V / ∂t)₁ bzw. ( ∂V / ∂t)₂ ermitteln.
Aus der gemessenen Sondenspannung im dem Zeitpunkt t des Wechsels in der Beaufschlagung mit Abgasmasse gewonnenen Zahlenwerten kann auf die Funktionsfähigkeit des Katalysators zurückgeschlossen werden. Überschreitet die Amplitude ΔV einen vorbestimmten Wert, ist der Katalysator als gealtert einzustufen und zu ersetzen. Alternativ oder zusätzlich kann die zeitliche Ableitung ∂V / ∂t als Kriterium herangezogen werden: Bei einem vorbestimmten Wert ist der Katalysator als gealtert einzustufen.

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit eines Katalysators (3) in einem Abgasstrang (2) zu einem Verbrennungsmotor (1), wobei zumindest einem Abschnitt des Katalysators (3) eine Lambdasonde (6) nachgeordnet ist, mit den Schritten: a) Einstellen einer vorbestimmten Sauerstoffbeladung eines dem Katalysator (3) zugeordneten Sauerstoffspeichers (4), b) Betreiben des Verbrennungsmotors (1) so, dass sich ein erster Abgasmassenstrom einstellt, und Aufnehmen von Spannungsmesswerten mit der Lambdasonde (6), c) Wechseln zu einem Betreiben des Verbrennungsmotors so, dass sich ein zweiter Abgasmassenstrom einstellt, der zumindest um ein bestimmtes Maß von dem ersten Abgasmassenstrom verschieden ist, und hierbei Aufnehmen von Spannungsmesswerten mit der Lambdasonde (6), d) Untersuchen der Messwerte auf einem dem Wechsel zugeordneten Einbruch (28b₁ , 28b₂ ) oder Anstieg in der Spannung, und Zuordnen einer Aussage über die Leistungsfähigkeit des Katalysators in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator (3) als nicht mehr ausreichend funktionsfähig angesehen wird, wenn die Amplitude (ΔV₁, ΔV₂) des Einbruchs bzw. des Anstiegs und/oder ein Wert (( ∂V / ∂t)1, ( ∂V / ∂t)2) für die Schnelligkeit des Erreichens eines Minimums bzw. Maximums einen vorbestimmten Schwellwert passiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sauerstoffbeladung auf einen Wert von mehr als 50% der Sauerstoffspeicherkapazität eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas bei den Schritten b) und c) auf den Wert von Eins eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor (1) aufgrund von Bedienvorgaben betrieben wird und hierbei eine Überwachung erfolgt, ob und wann die Schritte b) und c) aufgrund der Bedienvorgaben vollführt werden.