DE102014013690A1

DE102014013690A1 - Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrang einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angeordneten Katalysators

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Publication number: DE102014013690A1
Application number: DE201410013690
Authority: DE
Inventors: Joachim Konrad; Nadine Ricker; Isabell Malisi; Konstantinos Xufuris
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Katalysators mit einer Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff und für Kohlenmonoxid, insbesondere eines Dreiwege-Katalysators (TWC), dessen Kanalwände mit einem Washcoat beschichtet sind. Bei dem Verfahren werden mittels eines ein Verhalten des Katalysators beschreibenden chemisch-physikalischen Katalysatormodells aus Werten für erste Betriebsgrößen (yi,exh, Texh, m. exh, V. , p) für ein in den Katalysator einströmendes Abgas der Brennkraftmaschine Werte für zweite Betriebsgrößen (yi,tp, Ttp) für ein aus dem Katalysator ausströmendes Abgas sowie ferner ein Wert für eine die zweiten Betriebsgrößen beeinflussende Alterungskenngröße (SC) errechnet. Unter Verwendung von Werten zumindest von Teilen der errechneten zweiten Betriebsgrößen wird mittels eines ein Verhalten eines Lambdasensors beschreibenden Lambdasensormodells ein Schätzwert für ein Ausgangssignal eines ausgangsseitig des Katalysators angeordneten Lambdasensors errechnet. Unter Verwendung eines aus einem Vergleich des Schätzwerts mit einem Ist-Wert des Lambdasensor-Ausgangssignals gewonnenen Vergleichsergebnisses werden mit einem iterativen oder rekursiven Rechenalgorithmus in vorgebbaren Zeitabständen solange wiederholt aus den ersten Betriebsgrößen modifizierte Werte für die zweiten Betriebsgrößen sowie für die Alterungskenngröße (SC) errechnet, bis für den modifizierten Wert der Alterungskenngröße (SC) ein vorgebbares Konfidenzkriterium erfüllt ist. Bei Unterschreiten eines vorgebbaren Alterungsgrenzkennwerts durch den solcherart ermittelten modifizierten Wert der Alterungskenngröße (SC) um mehr als ein vorgebbares Maß wird eine unzulässige Alterung des Katalysators diagnostiziert.

Description

Ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrang einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angeordneten Katalysators mit einer Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff und für Kohlenmonoxid, insbesondere eines Dreiwege-Katalysators.
Zur Diagnose von Katalysatoren mit Sauerstoffspeicherfähigkeit sind Verfahren bekannt, bei welchen eine Zeitverzögerung der Signale von eingangsseitig und ausgangsseitig des Katalysators angeordneten Lambdasonden ausgewertet wird, die bei einem Wechsel eines Luft-Kraftstoffverhältnisses, mit welchem eine entsprechende Brennkraftmaschine betrieben wird, auftritt. Beispielsweise offenbart die DE 10 2006 010 769 A1 ein entsprechendes Verfahren, bei welchem eine Differenzfläche, die durch die Signale der Lambdasonden innerhalb der Zeitverzögerung ermittelt werden kann, zur Katalysatordiagnose herangezogen wird. Derartige Verfahren beruhen auf dem Gedanken, dass eine Alterung des Katalysators mit einer Abnahme von dessen Fähigkeit zur Einspeicherung von Sauerstoff korreliert. Die Verfahren sind jedoch schlecht anwendbar bei Katalysatoren mit geringer Sauerstoffspeicherfähigkeit. Zudem stellt der für die Diagnose notwendige Wechsel des Luft-Kraftstoffverhältnisses eine Einschränkung der Anwendbarkeit dar. Weiterhin sind für gute Ergebnisse auch vergleichsweise hohe Temperaturen erforderlich, welche in vielen Betriebssituationen nicht erreicht werden. Die üblicherweise vorhandene Temperaturabhängigkeit der Sauerstoffspeicherfähigkeit beeinflusst zusätzlich die Messgenauigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Diagnose eines Katalysators mit Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich dabei auf einen Katalysator mit einer Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff und für Kohlenmonoxid, insbesondere einen Dreiwege-Katalysator, welcher eine Vielzahl von geradlinig und parallel zueinander verlaufenden, frei durchströmbaren Kanälen aufweist, deren Wände mit einem Washcoat beschichtet sind. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mittels eines ein Verhalten des Katalysators beschreibenden chemisch-physikalischen Katalysatormodells aus Werten für erste Betriebsgrößen für ein in den Katalysator einströmendes Abgas der Brennkraftmaschine Werte für zweite Betriebsgrößen für ein aus dem Katalysator ausströmendes Abgas sowie ferner ein Wert für eine die zweiten Betriebsgrößen beeinflussende Alterungskenngröße errechnet. Unter Verwendung von Werten zumindest von Teilen der errechneten zweiten Betriebsgrößen wird weiter mittels eines ein Verhalten eines Lambdasensors beschreibenden Lambdasensormodells ein Schätzwert für ein Ausgangssignal eines ausgangsseitig des Katalysators angeordnete Lambdasensors, der mit dem aus dem Katalysator ausströmenden Abgas beaufschlagt wird, errechnet. Unter Verwendung eines aus einem Vergleich des Schätzwerts mit einem Ist-Wert des Lambdasensor-Ausgangssignals gewonnenen Vergleichsergebnisses werden mit einem iterativen oder rekursiven Rechenalgorithmus in vorgebbaren Zeitabständen solange wiederholt aus den ersten Betriebsgrößen modifizierte Werte für die zweiten Betriebsgrößen sowie für die Alterungskenngröße errechnet, bis für den modifizierten Wert der Alterungskenngröße ein vorgebbares Konfidenzkriterium erfüllt ist. Unterschreitet der solcherart ermittelte modifizierte Wert der Alterungskenngröße einen vorgebbaren Alterungsgrenzkennwert um mehr als ein vorgebbares Maß, wird eine unzulässige Alterung des Katalysators diagnostiziert.
Das Verfahren beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass eine Alterung des Katalysators ganz allgemein dessen Reaktivität beeinträchtigt. Ein Ablauf von im Katalysator bzw. an der Oberfläche seiner Washcoat-Beschichtung stattfindenden Reaktionen kann jedoch durch ein geeignetes Modell beschrieben werden. Können die Reaktionsabläufe mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden, so kann auch ein Alterungszustand des Katalysators ermittelt werden, welcher vorliegend als Alterungskenngröße errechnet wird. Dabei erlaubt es das chemisch-physikalische Katalysatormodell, Werte für Betriebsgrößen für das aus dem Katalysator ausströmende Abgas aus entsprechenden Betriebsgrößen für das einströmende Abgas und damit die Alterungskenngröße zu berechnen. Ein Modell, welches ein Verhalten eines hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasensors beschreibt, ermöglicht es, deren von den zweiten Betriebsgrößen abhängiges Ausgangssignal zu berechnen. Mittels eines Vergleichs mit dem tatsächlichen Signalwert des Lambdasensors kann die Güte der Berechnungen des Katalysatormodells bewertet werden. Auf der Basis des Vergleichs von berechnetem und gemessenem Ausgangssignal des Lambdasensors ist es möglich, im Katalysatormodell getroffene Annahmen zu verbessern. So kann durch wiederholtes iteratives bzw. rekursives Anwenden des Katalysatormodells schließlich eine Alterungskenngröße mit guter Genauigkeit gewonnen werden, welche den Alterungszustand des Katalysators zuverlässig charakterisiert.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in Ausgestaltung des Verfahrens die Alterungskenngröße eine vom Alterungszustand des Katalysators abhängige Anzahl von insbesondere aktiven Adsorptionsplätzen für die Abgaskomponenten Kohlenmonoxid und Sauerstoff im Washcoat des Katalysators charakterisiert. Da die Reaktivität des Katalysators bei dem hier vorherrschenden Fall einer heterogenen Katalyse von der Zahl der beteiligten Adsorptionsplätze des Katalysatormaterials bestimmt ist, ist es möglich, über eine Kennzahl betreffend die Anzahl der aktiven Adsorptionsplätze den Alterungszustand des Katalysators zu charakterisieren. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass insbesondere Dreiwege-Katalysatoren neben einer Sauerstoffadsorptionsfähigkeit auch über eine Adsorptionsfähigkeit für Kohlenmonoxid verfügen, welche die Reaktivität des Katalysators ebenfalls beeinflusst. Aus diesem Grund kann eine Katalysatoralterung zuverlässiger beurteilt werden, wenn eine Alterungskenngröße sowohl die Anzahl von insbesondere aktiven Adsorptionsplätzen für Sauerstoff, als auch die für Kohlenmonoxid berücksichtigt.
Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens für den iterativen oder rekursiven Rechenalgorithmus ein Kalman-Filter, insbesondere ein Sigma-Punkt-Kalman-Filter eingesetzt wird. Wie bekannt, ermöglicht ein Kalman-Filter die Beobachtung von Zuständen eines Systems, die nicht direkt messbar sind. Mit Hilfe von Systemgleichungen (z. B. Reaktionsgleichungen) wird eine Vorhersage von inneren und äußeren Zuständen des dynamischen Systems ausgehend von den alten Zuständen und aktuellen Parametern gemacht. Der anschließende Vergleich der Vorhersage mit Messdaten, d. h. von messtechnisch gewonnenen Daten einer von außen messbaren Zustandsgröße, wird zu einer Korrektur der zu beobachtenden Parameter genutzt. Dabei ermöglicht die Variante des Sigma-Punkt-Kalman-Filters eine schnellere Erzielung von zuverlässigen Schätzergebnissen als dies mit einem herkömmlichen Kalman-Filter möglich ist.
Vorliegend ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass neben der Alterungskenngröße als weitere Zustandsgrößen des Kalman-Filters eine Temperatur des Katalysators, sowie Sauerstoff- bzw. Kohlenmonoxid-Besetztheitsgrade als auf die Anzahl der vorhandenen aktiven Adsorptionsplätze im Washcoat des Katalysators bezogene relative Anteile von durch Sauerstoff bzw. Kohlenmonoxid besetzten Adsorptionsplätzen berücksichtigt werden. Während die Besetztheitsgrade und die Temperatur des Katalysatorwashcoats betriebsabhängige Zustände sind, ist die Alterungskenngröße, welche die Anzahl der überhaupt vorhandenen aktiven Adsorptionsplätze charakterisiert, ein bauteilabhängiger Zustand. Sein Wert kann daher in vorteilhafter Weise für die Diagnose benutzt werden, da die Anzahl der aktiven Adsorptionsplätze mit zunehmender Alterung abnimmt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die ersten Betriebsgrößen wenigstens einige, vorzugsweise alle der Größen

– Temperatur des in den Katalysator einströmenden Abgases,
– Massenstrom des in den Katalysator einströmenden Abgases,
– Volumenstrom des in den Katalysator einströmenden Abgases,
– Druck des in den Katalysator einströmenden Abgases,
– Konzentrationen oder Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des in den Katalysator einströmenden Abgases

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweiten Betriebsgrößen wenigstens einige, vorzugsweise alle der Größen

– Temperatur des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases,
– Konzentrationen oder Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens die Konzentrationen oder Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des in den Katalysator einströmenden Abgases aus einem Lambdawert und optional der Temperatur für das in den Katalysator einströmende Abgas mittels eines rechnerischen Abgasmodells errechnet werden. Der Abgas-Lambdawert kann messtechnisch mittels eines stromauf des Katalysators im Abgasstrang angeordneten Lambdasensors, insbesondere einer Breitband-Lambdasonde, oder aus Betriebsdaten der Brennkraftmaschine betreffend den aktuellen Luft- und Kraftstoffdurchsatz ermittelt werden. Die Abgastemperatur wird vorzugsweise mittels eines Temperatursensors gemessen. Die Genauigkeit der Berechnung kann verbessert werden, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens mit vorgebbaren Parametern des Abgasmodells durch eine unvollständige Verbrennung im Motor verursachte Anteile eines oder mehrerer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff berücksichtigt werden.
Um auch bei besonderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den Alterungskennwert berechnen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass für den Fall, dass das in den Katalysator einströmende Abgas von mehreren mit unterschiedlichem Luft-Kraftstoffverhältnis betriebenen Zylindern der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird, für die unterschiedlich betriebenen Zylinder getrennt Werte für die Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff und für das in den Katalysator einströmende Abgas ein resultierender Mischungswert für die Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff ermittelt werden. Ein solcher, auch als Lambda-Split bezeichneter Betriebszustand kann beispielsweise zur raschen Aufheizung des Katalysators vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Berechnung der Konzentrationen oder Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases im Katalysatormodell ein zeitlicher Ablauf von vorgegebenen, unter Beteiligung des Washcoat ablaufenden Reaktionen für die Abgaskomponenten Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasser durch Integration von Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen für die Reaktionen ermittelt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Reaktionen eine Adsorption der gasförmig vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff und Kohlenmonoxid an freien Adsorptionsplätzen im Washcoat des Katalysators sowie Reaktionen der in adsorbiertem Zustand vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff und Kohlenmonoxid mit den gasförmig vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff beschreiben.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt zur Berücksichtigung eines längs der Kanäle des Katalysators vorhandenen Gradienten der zweiten Betriebsgrößen im Katalysatormodell eine Aufteilung des Katalysators in mehrere, insbesondere drei, sich axial direkt aneinander anschließende, insbesondere gleich große virtuelle Scheiben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 Eine schematische Blockbilddarstellung zur Verdeutlichung der Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des zeitlichen Verlaufs von Berechnungswerten für die Alterungskenngröße von unterschiedlich gealterten Katalysatoren.
Nachfolgend wird unter Bezug auf ein in 1 wiedergegebenes Blockbild eine bevorzugte Vorgehensweise bei der zur Diagnose eines Katalysators eingesetzten Verfahrens näher eingegangen. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein im Abgasstrang einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angeordneter Katalysator mit einer Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff und für Kohlenmonoxid, insbesondere ein Dreiwege-Katalysator, diagnostiziert wird. Der Katalysator ist dabei vorzugsweise als in Abgasströmungsrichtung gesehen erste reinigungswirksame Komponente im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet. Ausgangsseitig des Katalysators ist ein Lambdasensor mit Sprungcharakteristik im Abgasstrang angeordnet. Eingangsseitig des Katalysators ist vorzugsweise eine sogenannte Breitband-Lambdasonde angeordnet, was nicht näher dargestellt ist. Der Katalysator ist vorliegend in üblicher Weise als Wabenkörper mit frei durchströmbaren, mit einem katalytisch wirksamen Washcoat beschichteten Kanälen ausgebildet. Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird zur Diagnose des Katalysators rechnerisch eine Alterungskenngröße ermittelt, welche eine vom Alterungszustand des Katalysators abhängige Anzahl von aktiven Adsorptionsplätzen der Abgaskomponenten Kohlenwasserstoff und Sauerstoff im Washcoat des Katalysators charakterisiert. Die Alterungskenngröße wird nachfolgend abgekürzt als Storage Capacity SC bezeichnet.
Bei dem Verfahren wird zunächst mittels eines rechnerischen Abgasmodells eine Zusammensetzung eines beim Betrieb der Brennkraftmaschine in den Katalysator einströmenden Abgases berechnet. Die Berechnung der Zusammensetzung beschränkt sich dabei auf die Konzentrationen bzw. Gehalte der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂). Die entsprechenden Gehaltsanteile sind Ausgangsgrößen des Abgasmodells und werden nachfolgend, wie auch in 1 dargestellt, mit y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh bezeichnet. Eingangsgrößen des Abgasmodells sind ein mit λ_exh bezeichneter Lambdawert und eine mit T_exh bezeichnete Temperatur des in den Katalysator einströmenden Abgases. Der Lambdawert λ_exh entspricht dabei typischerweise dem Luft-Kraftstoffverhältnis mit welchem die Brennkraftmaschine betrieben wird, da dem Abgas von außen keine weiteren Stoffe zugeführt werden und ihm auch, zumindest vor dem Einströmen in den Katalysator, keine Komponenten entzogen werden. Der Lambdawert λ_exh kann daher typischerweise aus den von der Brennkraftmaschine verbrauchten Luft- und Kraftstoffmengen berechnet werden. Es kann auch ein durch die Breitband-Lambdasonde gelieferter Messwert als Eingangsgröße λ_exh des Abgasmodells verwendet werden. Die Abgastemperatur T_exh wird vorzugsweise messtechnisch ermittelt. Eine Ermittlung aus Kennfeldern oder einem Verbrennungsmodell für die Brennkraftmaschine ist natürlich ebenfalls möglich. Die Berechnung der Ausgangsgrößen y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh erfolgt auf der Basis der bekannten Reaktionsgleichungen, welche eine Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Luft bzw. Sauerstoff beschreiben. Dabei kann beispielsweise von einem Kohlenwasserstoff der allgemeinen Zusammensetzung C_nH_2n ausgegangen werden. Bei Verwendung anderer Kraftstoffe, wie beispielsweise Ethanol, kann eine andere Kraftstoffzusammensetzung selbstverständlich berücksichtigt werden.
Vorteilhafterweise wird im Abgasmodell eine allfällige unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine mit berücksichtigt. Hierzu wird bevorzugt die Abgastemperatur T_exh zur Bildung von Korrekturfaktoren bzw. Korrekturgliedern für die Abgaskomponenten CO, O₂ und H₂ herangezogen. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass der Anteil von unvollständig verbrannten Kraftstoffanteilen im Abgas mit der Abgastemperatur korreliert. In Form von Kohlenwasserstoff (HC) auftretende Komponenten einer unvollständigen Verbrennung werden, gegebenenfalls mit einer vorgebbaren Gewichtung, allgemein der Abgaskomponente CO zugeschlagen. Analog wird Stickoxid (NOx) der Abgaskomponente Sauerstoff zugeschlagen. Ferner ist es insbesondere für den Fall, dass verschiedene Zylinder oder Zylindergruppen der Brennkraftmaschine mit unterschiedlichem Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden (sog. Lambdasplit), vorgesehen, dass für die unterschiedlich betriebenen Zylinder oder Zylindergruppen getrennt Werte für die Gehalte y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh ermittelt werden und für das in den Katalysator einströmende Abgas ein resultierender Mischungswert für diese Gehalte ermittelt wird. Auf diese Weise ist das Abgasmodell praktisch im gesamten möglichen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine anwendbar.
Die solcherart ermittelten Ausgangsgrößen y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh des Abgasmodells dienen als Eingangsgrößen eines rechnerischen Katalysatormodells, welches das chemisch-physikalische Verhalten des Katalysators beschreibt. Weitere Eingangsgrößen des Katalysatormodells sind der Massenstrom m ._exh, der Volumenstrom V . sowie der Druck p des in den Katalysator einströmenden Abgases. Das Katalysatormodell berechnet die Stoffmengenänderungen der Stoffe CO (inkl. HC), O₂ (inkl. NOx) und Hz, die durch die Umsetzung der Stoffe auf der Katalysatoroberfläche bzw. im Washcoat erreicht werden. Dazu bildet das Modell die dafür relevantesten Reaktionsgleichungen der Reaktionen nach. Die Reaktionsgleichungen ermöglichen dabei auch die Berücksichtigung der reversiblen Deaktivierung der Katalysatoroberfläche durch eingelagertes CO bzw. HC. Aus den chemischen Reaktionen und ihren Wärmebilanzen können dann die Temperaturen im Katalysator berechnet werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im Katalysator erfolgende reaktionsbedingte Temperaturänderungen auf physikalisch mögliche Umsätze begrenzt werden können. Um die Modellierungsgüte zu verbessern, ist es vorgesehen, in dem Katalysatormodell den Katalysator in mehrere, insbesondere in drei, sich axial direkt aneinander anschließende gleich große virtuelle Scheiben („Zellen”) zu zerlegen.
Die im Katalysatormodell berücksichtigten Reaktionsgleichungen umfassen vorliegend die folgenden Gleichungen:
In den Gleichungen steht ”*” für einen freien Adsorptionsplatz auf der Oberfläche des Washcoat. ”η_CO*” bezeichnet die Zahl der für eine Adsorption von CO benötigten freien Adsorptionsplätze, welche größer als eins ist und vorzugsweise mit etwa 12 angenommen wird.
Gleichung (1) beschreibt die Adsorption von gasförmigem Sauerstoff an einem freien Adsorptionsplatz. Gleichung (2) beschreibt die Reaktion von gasförmigem Kohlenmonoxid mit adsorbiertem Sauerstoff zu gasförmigem Kohlendioxid. Gleichung (3) beschreibt die Reaktion von gasförmigem Wasserstoff mit adsorbiertem Sauerstoff zu gasförmigem Wasser. Gleichung (4) beschreibt den Zerfall von adsorbiertem Wasser zu gasförmigem Wasserstoff und adsorbiertem Sauerstoff. Gleichung (5) beschreibt die Adsorption von gasförmigem Kohlenmonoxid an der Oberfläche des Washcoat, wobei η_CO* freie Adsorptionsplätze je CO-Molekül belegt werden. Gleichung (6) beschreibt die Reaktion von gasförmigem Sauerstoff mit adsorbiertem Kohlenmonoxid. Weitere Reaktionsgleichungen, wie beispielsweise eine Reaktion des Washcoatbestandteils Ceroxid mit gasförmigen Abgaskomponenten können zusätzlich im Katalysatormodell berücksichtigt werden.
Die Kinetik der Reaktionen wird durch die Reaktionsgeschwindigkeiten bzw. Reaktionsraten bestimmt, wobei die Reaktionsraten r₁ bis r₆ für die oben angegebenen Reaktionsgleichungen (1) bis (6) durch folgende Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen ermittelt werden. r₁ = k₁c wc / O₂θ_V (7) r₂ = k₂c wc / COθ_O (8) r₃ = k₃c wc / H₂θ_O (9) r₄ = k₄θ 2 / V (10) r₅ = k₅c wc / COθ_V (11) r₆ = k₆c wc / O₂θ_CO (12)
Mit ”c_i” sind dabei die Konzentrationen bzw. der Gehalte der jeweiligen Abgaskomponenten im Washcoat bezeichnet. Diese sind über Konvektions-Massen-Transfer-Koeffizienten mit den Konzentrationen der Abgaskomponenten in den frei durchströmbaren Kanälen des Katalysators verknüpft. ”θ_O” bzw. ”θ_CO” kennzeichnen die Sauerstoff- bzw. Kohlenmonoxid-Besetztheitsgrade der Washcoatoberflächenplätze, d. h. die auf die Anzahl der Adsorptionsplätze im Washcoat des Katalysators bezogenen relative Anteile von durch Sauerstoff bzw. Kohlenmonoxid besetzten Adsorptionsplätzen im Washcoat des Katalysators. Der Anteil θ_V von freien Adsorptionsplätzen ergibt sich damit durch θ_V = 1 – θ_O – θ_CO (13)
Die Reaktionsgeschwindigkeits- bzw. Reaktionsratenkoeffizienten k₁ bis k₆ werden durch einen Arrheniusansatz k_i = A_i × exp(–E_i/RT_S) (14) ermittelt. Dabei kennzeichnet E_i eine reaktionsspezifische Aktivierungsenergie und A_i einen reaktionsspezifischen präexponentiellen Faktor dar. R ist die allgemeine Gaskonstante und T_S stellt die Temperatur des Washcoat dar. Die einzusetzenden Werte für die Aktivierungsenergie und den präexponentiellen Faktor werden vorzugsweise vorab durch Referenzmessungen ermittelt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, bei der Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten eine Begrenzung auf vorgebbare obere und untere Werte vorzunehmen.
Die oben genannten Gleichungen (1) bis (13) stellen die Basis für die im Katalysatormodell vorgenommene Berechnung der Reaktionsabläufe im Katalysator dar. Da die Reaktionsraten r₁ bis r₆ eine zeitliche Änderung der Konzentration bzw. des Gehalts der entsprechenden Reaktionspartner angeben, kann durch eine Integration der Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen der zeitliche Ablauf der Reaktionen berechnet werden. Als Ergebnis der Berechnungen und damit als Ausgangsgrößen des Katalysatormodells werden Konzentrationen bzw. Gehalte y_CO,tp, y_O2,tp, y_H2,tp der Komponenten CO, O₂, und H₂ in dem aus dem Katalysator ausströmenden Abgas sowie eine Ausgangs-Abgastemperatur T_tp erhalten. Dabei wird über die bekannten Reaktionsenthalpien sowie die Temperatur T_exh des in den Katalysator einströmenden Abgases unter Berücksichtigung von Wärmeübergängen vom Washcoat in durch die Katalysatorkanäle strömendes Abgas auch eine Temperatur T_kat des Katalysators berechnet.
Wie insbesondere aus den oben angegebenen Gleichungen (1) bis (12) ersichtlich, wird der Ablauf der Reaktionen im Katalysator maßgeblich durch die Besetztheitsgrade θ_O und θ_CO bestimmt. Die Besetztheitsgrade θ_O und θ_CO stellen betriebspunktabhängige relative, auf eine absolute Anzahl von vom Katalysator zur Verfügung gestellter Adsorptionsplätze bezogene Werte dar. Diese absolute Anzahl der für oberflächenkatalysierte Reaktionen, insbesondere von Kohlenmonoxid und Sauerstoff, vom Katalysator zur Verfügung gestellten aktiven Oberflächenplätze ist eine vom Katalysator selbst bestimmte, alterungsabhängige Katalysatorkenngröße, welche vom Katalysatormodell ebenfalls abgeschätzt wird. Die Anzahl der für oberflächenkatalysierte Reaktionen vom Katalysator zur Verfügung gestellten Oberflächenplätze bestimmt die Reaktivität des Katalysators. Mit zunehmender Alterung nimmt die Reaktivität des Katalysators ab, was als durch eine Abnahme der aktiven Adsorptionsplätze verursacht angesehen werden kann. Erfindungsgemäß wird diese nachfolgend als Storage Capacity (SC) bezeichnete Katalysatorkenngröße als Alterungskenngröße zur Diagnose des Katalysators verwendet.
Zur Berechnung der Alterungskenngröße SC wird erfindungsgemäß ein als Kalman-Filter bekannter iterativer bzw. rekursiver Rechenalgorithmus eingesetzt. Mit dem Kalman-Filter ist es bekanntlich möglich, Zustände bzw. Zustandsgrößen eines Systems zu schätzen, welche von außen nicht messbar sind. Mittels Systemgleichungen, welche vorliegend die oben angegeben Gleichungen (1) bis (12) umfassen, wird eine Vorhersage der Zustände bzw. Zustandsgrößen ausgehend von Vorgängerwerten der Zustandsgrößen und aktuellen Parametern vorgenommen. Durch anschließenden Vergleich von anhand der Berechnungen erzielten Ergebniswerten mit einem oder mehreren gemessenen Werten der entsprechenden Größe oder Größen wird eine Korrektur der Parameter vorgenommen und durch eine erneut durchgeführte Berechnung werden modifizierte Werte für die Ergebnisgrößen und die Zustandsgrößen gewonnen. Die modifizierten Werte sind dabei im Allgemeinen verbessert, d. h. zuverlässigere Werte. Der Kalman-Filter wird vorzugsweise in der Variante eines Sigma-Punkt-Kalman-Filters verwendet. Wie festgestellt werden konnte, ist es damit möglich, schneller zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
Vorliegend sind Zustandsgrößen des Kalman-Filters die Besetztheitsgrade θ_O und θ_CO sowie die Alterungskenngröße SC und die Katalysatortemperatur T_kat. Als Vergleichsgröße dient ein von dem stromab des Katalysators angeordneten Lambdasensor gelieferter Signalwert U_λst,mes. Dieser gemessene Signalwert wird mit einem mittels eines Lambdasensor-Modells ermittelten rechnerischen Schätzwert U_λst,soll für das Lambdasensorsignal verglichen. Auf der Basis des Vergleichs werden die Berechnungen des Katalysatormodells mit neu übergebenen Parametern erneut durchgeführt und modifizierte, verbesserte Werte für die Ausgangsgrößen sowie die Besetztheitsgrade θ_O und θ_CO, die Alterungskenngröße SC und die Katalysatortemperatur T_kat ermittelt. Das Lambdasensor-Modell ermittelt dabei anhand der Ausgangsgrößen y_CO,tp, y_O2,tp, y_H2,tp des Katalysatormodells einen Schätzwert U_λst,soll für das Ausgangssignal des Lambdasensors. Bevorzugt erfolgt eine Berechnung des Schätzwerts, d. h. der Ausgangsspannung des Lambdasensors durch folgende Gleichung
Die Parameter der Gleichung (15) werden vorzugsweise vorab durch Parametrierung anhand von in Referenzmessungen erzielten Ergebnissen ermittelt.
Wie sich erwiesen hat, ermöglicht die beschrieben erfindungsgemäße Vorgehensweise mit einer Mehrzahl, typischerweise weniger als 1000, in vorgebbaren kurzen Abständen vorgenommenen Rekursionen bzw. Iterationen die Berechnung eines zuverlässigen, stabilen Werts für die Alterungskenngröße SC des Katalysators. Das Ergebnis wird dabei innerhalb von typischerweise weniger als 10 min, meist innerhalb von 200 s erhalten. Dabei ist zu betonen, dass die einzelnen Berechnungen weitgehend unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, d. h. während eines realen Fahrbetriebs ohne willkürliche Einstellung von Betriebs- oder Fahrzuständen erfolgen können. Die Diagnose kann somit kontinuierlich oder zumindest quasi-kontinuierlich erfolgen. Es können auch Katalysatoren mit geringer Sauerstoff-Speicherfähigkeit und so genannte Pd-only-Katalysatoren diagnostiziert werden.
Nachfolgend werden Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines in 2 dargestellten Diagramms erläutert. In 2 sind zeitliche Verläufe von Berechnungswerten für die Alterungskenngröße SC von drei unterschiedlich gealterten Dreiwege-Katalysatoren dargestellt, wie sie mit dem oben geschilderten Verfahren unter Verwendung eines Sigma-Punkt-Kalman-Filters erhalten wurden. Dabei wurde die Brennkraftmaschine in einem Fahrprofil entsprechend dem bekannten FTP75 Zyklus betrieben, wobei in 2 lediglich der erste Teil des Zyklus abgebildet ist. Entsprechend den vorstehenden Erläuterungen wurden in vorgebbaren Abständen Berechnungen der Alterungsgröße SC vorgenommen, wobei bei jeder Berechnung auf Ergebnisse der jeweils vorhergehenden Berechnung zurückgegriffen wurde. Die Spuren 20 und 21 im Diagramm von 2 sind dabei Katalysatoren zugeordnet, welche lediglich gering gealtert waren (sog. ”Gut-Katalysatoren”). Spur 22 zeigt hingegen den Verlauf von berechneten Werten der Alterungskenngröße SC für einen unzulässig gealterten Katalysator (sog. ”Schlecht-Katalysator”). Wie ersichtlich, werden sowohl für die Gut-Katalysatoren, als auch für den Schlecht-Katalysator nach spätestens etwa 220 s stabile, d. h. in einem engen Streubereich liegende SC-Werte erhalten. Die SC-Werte für die Gut-Katalysatoren (Kurven 20, 21) liegen dabei deutlich oberhalb eines durch die waagrechte Linie 23 gekennzeichneten Alterungsgrenzkennwert von vorliegend etwa 35 mol/m³. Die SC-Werte für den Schlecht-Katalysator liegen nach etwa 200 s entsprechend etwa 1500 Rekursionen stabil unterhalb des Alterungsgrenzkennwerts. Ein Diagnoseergebnis betreffend eines unzulässig gealterten Katalysators kann als gültig angezeigt werden, wenn die Berechnungswerte für die Alterungskenngröße SC des Katalysators um ein vorgebbares Maß unterhalb des vorgebbaren Alterungsgrenzkennwert liegen. Beispielsweise kann für ein gültiges Ergebnis gefordert werden, dass eine vorgebbare Anzahl von direkt aufeinander folgenden Berechnungsergebnissen unterhalb des Alterungsgrenzkennwerts liegen müssen und ein vorgebbares Konfidenzkriterium für die berechnete Alterungskenngröße SC erreicht ist.
Aus den in 2 wiedergegebenen Ergebnissen wird ersichtlich, dass eine Katalysatordiagnose nach dem oben beschriebenen Verfahren mit rekursiver Berechnung der Alterungskenngröße SC auch bei realem Fahrbetrieb innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeit zuverlässig ermöglicht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006010769 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrang einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angeordneten Katalysators mit einer Adsorptionsfähigkeit für Sauerstoff und für Kohlenmonoxid, insbesondere eines Dreiwege-Katalysators (TWC), welcher eine Vielzahl von geradlinig und parallel zueinander verlaufenden, frei durchströmbaren Kanälen aufweist, deren Wände mit einem Washcoat beschichtet sind, wobei bei dem Verfahren – mittels eines ein Verhalten des Katalysators beschreibenden chemisch-physikalischen Katalysatormodells aus Werten für erste Betriebsgrößen (y_i,exh, T_exh, m ._exh, V ., p) für ein in den Katalysator einströmendes Abgas der Brennkraftmaschine Werte für zweite Betriebsgrößen (y_i,tp, T_tp) für ein aus dem Katalysator ausströmendes Abgas sowie ferner ein Wert für eine die zweiten Betriebsgrößen beeinflussende Alterungskenngröße (SC) errechnet werden, – unter Verwendung von Werten zumindest von Teilen der errechneten zweiten Betriebsgrößen (y_i,tp, T_tp) mittels eines ein Verhalten eines Lambdasensors beschreibenden Lambdasensormodells ein Schätzwert für ein Ausgangssignal eines ausgangsseitig des Katalysators angeordneten Lambdasensors, der mit dem aus dem Katalysator ausströmenden Abgas beaufschlagt wird, errechnet wird, – unter Verwendung eines aus einem Vergleich des Schätzwerts mit einem Ist-Wert des Lambdasensor-Ausgangssignals gewonnenen Vergleichsergebnisses mit einem iterativen oder rekursiven Rechenalgorithmus in vorgebbaren Zeitabständen solange wiederholt aus den ersten Betriebsgrößen modifizierte Werte für die zweiten Betriebsgrößen sowie für die Alterungskenngröße (SC) errechnet werden, bis für den modifizierten Wert der Alterungskenngröße (SC) ein vorgebbares Konfidenzkriterium erfüllt ist, – und bei Unterschreiten eines vorgebbaren Alterungsgrenzkennwerts durch den solcherart ermittelten modifizierten Wert der Alterungskenngröße (SC) um mehr als ein vorgebbares Maß eine unzulässige Alterung des Katalysators diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterungskenngröße (SC) eine vom Alterungszustand des Katalysators abhängige Anzahl von Adsorptionsplätzen für die Abgaskomponenten Kohlenmonoxid und Sauerstoff im Washcoat des Katalysators charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Rechenalgorithmus ein Kalman-Filter, insbesondere ein Sigma-Punkt-Kalman-Filter eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Alterungskenngröße (SC) als weitere Zustandsgrößen des Kalman-Filters eine Temperatur (T_Kat) des Katalysators, sowie Sauerstoff- bzw. Kohlenmonoxid-Besetztheitsgrade (θ_O, θ_CO) als auf die Anzahl der vorhandenen aktiven Adsorptionsplätze im Washcoat des Katalysators bezogene relative Anteile von durch Sauerstoff bzw. Kohlenmonoxid besetzten Adsorptionsplätzen berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Betriebsgrößen wenigstens einige, vorzugsweise alle der Größen – Temperatur (T_exh) des in den Katalysator einströmenden Abgases, – Massenstrom ( m ._exh ) des in den Katalysator einströmenden Abgases, – Volumenstrom ( V ._exh ) des in den Katalysator einströmenden Abgases, – Druck (p_exh) des in den Katalysator einströmenden Abgases, – Konzentrationen oder Gehalte (y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des in den Katalysator einströmenden Abgases umfassen.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Betriebsgrößen wenigstens einige, vorzugsweise alle der Größen: – Temperatur (T_tp) des aus dem TWC ausströmenden Abgases, – Konzentrationen oder Gehalte (y_CO,tp, y_O2,tp, y_H2,tp) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des aus dem TWC ausströmenden Abgases umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrationen oder Gehalte (y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des in den Katalysator einströmenden Abgases aus einem Lambdawert (λ_exh) und der Temperatur (T_exh) für das in den Katalysator einströmenden Abgas mittels eines rechnerischen Abgasmodell errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit vorgebbaren Parametern des Abgasmodells durch eine unvollständige Verbrennung im Motor verursachte Anteile eines oder mehrerer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das in den Katalysator einströmende Abgas von mehreren mit unterschiedlichem Luft-Kraftstoffverhältnis betriebenen Zylindern der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird, für die unterschiedlich betriebenen Zylinder getrennt Werte für die Gehalte (y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff ermittelt und für das in den Katalysator einströmende Abgas ein resultierender Mischungswert für die Gehalte (y_CO,exh, y_O2,exh, y_H2,exh) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Konzentrationen oder Gehalte (y_CO,tp, y_O2,tp, y_H2,tp) der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases im Katalysatormodell ein zeitlicher Ablauf von vorgegebenen, unter Beteiligung des Washcoat ablaufenden Reaktionen für die Abgaskomponenten Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasser durch Integration von Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen für die Reaktionen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionen eine Adsorption der gasförmig vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff und Kohlenmonoxid an freien Adsorptionsplätzen im Washcoat des Katalysators sowie Reaktionen der in adsorbiertem Zustand vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff und Kohlenmonoxid mit den gasförmig vorliegenden Abgaskomponenten Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung eines längs der Kanäle des Katalysators vorhandenen Gradienten der zweiten Betriebsgrößen (y_i,tp, T_tp) im Katalysatormodell eine Aufteilung des Katalysators in mehrere, insbesondere drei, sich axial direkt aneinander anschließende, insbesondere gleich große virtuelle Scheiben erfolgt.