DE102016111294A1

DE102016111294A1 - Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016111294A1
Application number: DE102016111294.1A
Authority: DE
Inventors: Arun Muthukaruppan; Matthias Kötter
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-12-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung in einem Abgassystem (10), aufweisend die Schritte: – Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in einer Abgasleitung (30) stromaufwärts eines Katalysators (20), – Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes, – Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines NOx-Sensors (42), – Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert, – Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert, – Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators (20) basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells, – Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und – Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem (10) wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Diagnosevorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit (70) zum Durchführen des erfindungsgemäßen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs sowie eine Diagnosevorrichtung zum Durchführen des Diagnoseverfahrens.
Es ist im Sinne des Gesetzgebers, von Fahrzeugherstellern und Werkstätten, dass neben einer allgemeinen Fehleranzeige in einem Kraftfahrzeug ein Diagnoseverfahren sowie eine entsprechende Diagnosevorrichtung zu schaffen sind, welche auch die Ursache der Fehleranzeige, beispielsweise in codierter Form, anzeigen, um dadurch Schadensanalysen zu vereinfachen und Reparaturzeiten zu verkürzen.
Aus der DE 10 2011 114 700 A1 ist hierzu beispielsweise bekannt, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, welche einen Umwandlungswirkungsgrad eines SCR-Katalysators bestimmen, indem NOx-Sensoren in einer Abgasleitung stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet werden und mittels entsprechender NOx-Messung festgestellt wird, ob der Umwandlungswirkungsgrad des SCR-Katalysators kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Darüber hinaus kann gemäß diesem System und Verfahren festgestellt werden, ob ein Reduktionsmittel mit geringer Qualität verwendet wird oder ein verschlechterter Katalysator vorliegt. Genauer gesagt können hierbei das System und Verfahren ein Reduktionsmittel mit geringer Qualität detektieren, wenn ein gemessener Ammoniakschlupf geringer als eine erste Schwelle ist. Alternativ dazu können das System und Verfahren einen verschlechterten Katalysator detektieren, wenn der gemessene Ammoniakschlupf größer als eine zweite Schwelle ist. Beispielsweise kann die zweite Schwelle größer als die erste Schwelle sein. Zur Diagnose kann ein Techniker verschiedene Durchgefallen-Status lesen und bestimmen, ob ein verschlechterter SCR-Katalysator oder ein Reduktionsmittel mit geringer Qualität die Ursache für den geringen Umwandlungswirkungsgrad ist.
Ein Nachteil des vorstehend beschriebenen Standes der Technik ist, dass die für eine derartige Diagnose erforderlichen Sensoren teuer sind. Darüber hinaus gestaltet es sich bei der täglichen Nutzung eines Kraftfahrzeugs schwierig, die Expertise eines Technikers einzuholen, um den momentanen Status des SCR-Systems bzw. den Umwandlungswirkungsgrad des SCR-Katalysators auszulesen.
Ferner ist aus der Patentanmeldung US 2012/0060469 A1 ein SCR-System bekannt, in welchem ein mittels eines Modells berechneter NOx-Wert in einer Abgasleitung stromabwärts eines SCR-Katalysators mit einem dort gemessenen NOx-Wert verglichen wird und basierend auf einem Vergleich zwischen dem berechneten NOx-Wert und dem gemessenen NOx-Wert das Modell aktualisiert wird, d.h., wenn in dem Vergleich festgestellt wird, dass der berechnete NOx-Wert von dem gemessenen NOx-Wert abweicht. Fehler im Abgassystem werden bei derartigen Systemen und Verfahren für gewöhnlich mittels kennfeldbasierter Modelle erkannt bzw. ermittelt. Derartige Modelle sind jedoch relativ ungenau und erfordern einen komplexen Rechenaufwand. Außerdem ist es durch ein derartiges System bzw. das entsprechende Verfahren nicht möglich, die genaue Ursache einer etwaigen Fehleranzeige herauszufinden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diagnoseverfahren sowie eine Diagnosevorrichtung zur einfachen, sicheren und kostengünstigen Fehlererkennung in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung in einem Abgassystem bereitgestellt, aufweisend die Schritte:

– Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in einer Abgasleitung stromaufwärts eines Katalysators,
– Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes,
– Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators mittels eines NOx-Sensors,
– Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert,
– Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert,
– Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells,
– Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und
– Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren wird der Ermittlungs-NOx-Wert in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators mittels eines Modells, d.h., eines Berechnungsmodells oder Simulationsmodells unter Verwendung von verschiedenen Eingangsparametern wie dem Bestimmungs-NOx-Wert ermittelt. Damit kann das vorliegende Diagnoseverfahren bereits einfacher, schneller und kostengünstiger als bekannte Diagnoseverfahren durchgeführt werden, bei welchen zur Ermittlung eines NOx-Wertes in einer Abgasleitung stromabwärts des Katalysators ein NOx-Sensor verwendet wird.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren zur Zuordnung eines Fehlers im Abgassystem die über den wenigstens einen veränderten Eingangsparameter des Modells ermittelte Reaktionsrate mit einem Schwellenwert bzw. mit dem ersten Schwellenwert verglichen. Mit Hilfe der auf diesem adaptiven Wege bestimmten Reaktionsrate kann ein Fehler im Abgassystem besonders zuverlässig ermittelt werden. Insbesondere kann ein Fehler dadurch zuverlässiger ermittelt werden, als bei einem Diagnoseverfahren, bei welchem lediglich eine ermittelte Differenz zwischen dem Ausgangs-NOx-Wert und dem Ermittlungs-NOx-Wert mit einem Schwellenwert verglichen wird.
Das vorliegende Diagnoseverfahren wird zur Fehlererkennung in einem Abgassystem, insbesondere in einem SCR-Abgassystem mit einem SCR-Katalysator und einem Harnstoff-Einspritzsystem durchgeführt, ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung beispielsweise auch in anderen Abgassystemen, beispielsweise in einem LNT-Abgassystem, durchgeführt werden.
Unter der Bestimmung des Bestimmungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Bestimmung des Bestimmungs-NOx-Wertes in unmittelbarer Nähe des Katalysators zu verstehen. Bevorzugt wird der Bestimmungs-NOx-Wert in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators und stromabwärts eines Partikelfilters, beispielsweise eines Dieselpartikelfilters, bestimmt. Unter dem Messen des Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Messen des Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung in unmittelbarer Nähe des Katalysators stromabwärts von demselben zu verstehen.
Das Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert wird erfindungsgemäß bei einem erneuten bzw. wiederholenden Durchlauf des Modells durchgeführt. Von weiterem Vorteil ist es, dass das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren im laufenden Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann und einem Fahrzeuginsassen der zugeordnete bzw. ermittelte Fehler im Abgassystem während der Fahrt angezeigt werden kann.
Der erste Schwellenwert wird bevorzugt experimentell festgelegt, kann aber auch über ein weiteres Modell ermittelt werden. Der erste Schwellenwert entspricht bevorzugt einer gewünschten Reaktionsrate, d.h., einer Reaktionsrate, bei welcher eine gewünschte Menge an Stickoxiden bzw. NOx reduziert wird. Wenn festgestellt wird, dass die ermittelte Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist, kann bestimmt werden, dass keine ausreichende NOx-Reduzierung stattfindet und somit ein Fehler im Abgassystem vorliegt.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird der Bestimmungs-NOx-Wert mittels eines weiteren Modells unter Verwendung von Kennwerten des Abgassystems bestimmt. Dadurch können auf einen NOx-Sensor in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators verzichtet und entsprechende Kosten eingespart werden. Als Eingangsparameter für das weitere Modell zur Bestimmung des Bestimmungs-NOx-Wertes können Kennwerte wie die Temperatur, der Sauerstoffwert, oder die Luftfeuchte in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators verwendet werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn der Bestimmungs-NOx-Wert mittels eines weiteren NOx-Sensors gemessen wird. Der weitere NOx-Sensor ist bevorzugt in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators sowie stromaufwärts eines Injektors und stromabwärts eines Rußpartikelfilters angeordnet. Da NOx-Sensoren eine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen bzw. Stoffen aufweisen, kann durch eine Anordnung des zweiten NOx-Sensors stromaufwärts des Injektors eine gewisse Messunschärfe verhindert werden. Die Anordnung des zweiten NOx-Sensors ist jedoch nicht darauf beschränkt. So ist es auch denkbar, dass der zweite NOx-Sensor an einer anderen Stelle in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators angeordnet wird. Von weiterem Vorteil ist es, wenn der zweite NOx-Sensor sowie das weitere Modell jeweils einen Bestimmungs-NOx-Wert bestimmen. Anschließend können die beiden auf unterschiedliche Weise bestimmten Bestimmungs-NOx-Werte miteinander verglichen werden. Basierend auf dem Vergleich zwischen den beiden Bestimmungs-NOx-Werten kann anschließend ein dritter Bestimmungs-NOx-Wert bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, den Bestimmungs-NOx-Wert besonders genau zu bestimmen. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der durch den zweiten NOx-Sensor bestimmte Bestimmungs-NOx-Wert zur Verifizierung des durch das weitere Modell bestimmten Bestimmungs-NOx-Wertes dient.
Ferner können gemäß dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren die folgenden Schritte durchgeführt werden:

– Ermitteln einer Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit,
– Vergleichen der Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert, und
– Zuordnen eines Fehlers dem Katalysator des Abgassystems, wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate kleiner als der zweite Schwellenwert ist.

Dadurch ist es möglich, nicht nur das Vorliegen eines Fehlers im Abgassystem zu erkennen, sondern auch die genaue Ursache für den Fehler zuzuordnen. Genauer gesagt kann unter den vorstehenden Umständen der Katalysator als Fehlerquelle im Abgassystem erkannt werden, da sich die Reaktionsrate bei Versagen oder einer Fehlfunktion des Katalysators nur langsam verändert. Der zweite Schwellenwert kann hierbei bevorzugt experimentell bestimmt werden. Es ist jedoch auch möglich, denn zweiten Schwellenwert mittels eines Modells bzw. eines Simulationsmodells oder Berechnungsmodells zu ermitteln. Unter der Veränderungsrate kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Veränderungsgeschwindigkeit verstanden werden, d.h., der zeitliche Gradient der ermittelten Reaktionsraten bei verschiedenen Rechenläufen mittels des Modells bei Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters.
Außerdem können bei dem Diagnoseverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte durchgeführt werden:

– Ermitteln einer Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit,
– Vergleichen der Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert, und
– Zuordnen eines Fehlers einem Einspritzsystem des Abgassystems, wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate größer als der zweite Schwellenwert ist.

Dadurch ist es, wie bereits vorstehend dargestellt, möglich, nicht nur das Vorliegen eines Fehlers im Abgassystem zu erkennen, sondern auch die genaue Ursache für den Fehler zuzuordnen. Genauer gesagt kann unter den vorstehenden Umständen das Einspritzsystem als Fehlerquelle im Abgassystem erkannt werden, da bei Versagen des Einspritzsystems oder einer Fehleinspritzung eines Injektors des Einspritzsystems sich schnell verändernde Reaktionsraten verursacht werden können. Wie bereits vorstehend dargestellt, kann unter der Veränderungsrate im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Veränderungsgeschwindigkeit verstanden werden, d.h., der zeitliche Gradient der ermittelten Reaktionsraten bei verschiedenen Rechenläufen mittels des Modells bei Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters.
Eine Weiterbildung des vorliegenden Diagnoseverfahrens weist die folgenden Schritte auf:

– Messen einer Temperatur in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators mittels eines Temperatursensors, und
– Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes mittels des Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes sowie der gemessenen Temperatur.

Durch das Messen der Temperatur in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators und Berücksichtigung bzw. Verwendung derselben in dem Modell kann der Ermittlungs-NOx-Wert noch genauer ermittelt werden. Die Temperatur wird hierbei insbesondere an einer Stelle in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators und stromabwärts des NOx-Sensors gemessen. Bevorzugt wird die Temperatur an einer Stelle in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators, stromabwärts des NOx-Sensors sowie stromabwärts eines Injektors gemessen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Temperatur in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators direkt am Eingang oder möglichst nahe an demselben gemessen wird. Dadurch kann ein für die Ermittlung des Ermittlungs-NOx-Wertes besonders gutes Messergebnis erzielt werden.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung die folgenden Schritte aufweisen:

– Ermitteln einer eingespritzten Menge eines Zusatzstoffes in die Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators, und
– Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes mittels des Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes sowie der ermittelten eingespritzten Menge des Zusatzstoffes.

Durch das Ermitteln der eingespritzten Menge des Zusatzstoffes in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators und Berücksichtigung bzw. Verwendung derselben in dem Modell kann der Ermittlungs-NOx-Wert noch genauer ermittelt werden. Der Zusatzstoff wird hierbei insbesondere an einer Stelle in der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators und stromabwärts des NOx-Sensors, sowie ggf. stromaufwärts des etwaigen Temperatursensors, eingespritzt bzw. entsprechend ermittelt. Dadurch kann ein für die Ermittlung des Ermittlungs-NOx-Wertes besonders gutes Messergebnis erzielt werden. Der Zusatzstoff weist bei einem beispielhaften SCR-Abgassystem mit einem SCR-Katalysator bevorzugt Harnstoff auf. Neben der eingespritzten Menge des Zusatzstoffes kann beispielsweise auch der Einspritzdruck des Zusatzstoffes ermittelt werden und in dem Modell für eine noch genauere Ermittlung des Ermittlungs-NOx-Wertes verwendet werden.
Darüber hinaus ist es bei dem Diagnoseverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes wenigstens eine chemische Reaktionsgleichung verwendet wird. Bei bekannten Modellen wird ein Ermittlungs-NOx-Wert für gewöhnlich kennfeldbasiert erkannt. Eine kennfeldbasierte Ermittlung ist relativ ungenau und erfordert komplexe Rechenvorgänge. Die Verwendung einer chemischen Reaktionsgleichung hingegen führt auf schnellerem und weniger komplexem Wege zu dem gewünschten Ermittlungs-NOx-Wert. Die wenigstens eine chemische Reaktionsgleichung weist bevorzugt eine Mehrzahl von chemischen Reaktionsgleichungen, die als chemische Mechanismen bekannt sind, auf. Diese chemischen Reaktionsgleichungen können als Zwischenschritte bei der Umwandlung von NOx bzw. Stickoxiden in Sauerstoff und Stickstoff betrachtet werden. Hierbei sind verschiedene chemische Mechanismen bekannt, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere folgendes Verfahren bzw. der entsprechende Ablauf von Reaktionsgleichungen genutzt wird: NO + NH3 → N2 + H2O NO + NO2 + NH3 → N2 + H2O NO2 + NH3 → N2 + H2O NH3 + O2 → N2 + H2O NH3 + NO2 + H2O → NH4NO3 + NH4NO2
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes die Reaktionsgeschwindigkeit bei der chemischen Reaktion gemäß der wenigstens einen chemischen Reaktionsgleichung verwendet wird. Dadurch ist es möglich, den Ermittlungs-NOx-Wert noch genauer zu ermitteln. Unter Verwendung bzw. Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit welcher die wenigstens eine Reaktionsgleichung bzw. der entsprechende wenigstens eine chemische Mechanismus voranschreitet, kann ermittelt werden, wieviel NOx durch den Katalysator umgewandelt wird. Die Geschwindigkeit der jeweiligen chemischen Mechanismen ist wiederum abhängig von der Konzentration der Reaktanten, Produkte und Parameter, die als Reaktionsraten-Parameter bekannt sind. Die Umwandlung von NO zu N2 kann beispielsweise wie folgt dargestellt werden: RNO = Reaktionsrate [NO]α[O2]βNH3]γ, wobei α, β und γ die Reaktionsreihenfolge festlegen und [NO], [O2] und [NH3] die Konzentration der reaktionsfähigen Substanzen darstellen.
Außerdem ist es erfindungsgemäß möglich, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes die Arrhenius-Gleichung verwendet wird. Dadurch ist es möglich, den Ermittlungs-NOx-Wert noch genauer zu ermitteln. Die Arrhenius-Gleichung wird vorliegend insbesondere zur Ermittlung der Reaktionsrate verwendet. Die Reaktionsrate kann beispielsweise basierend auf folgender Gleichung ermittelt werden:
wobei A ein bevorzugt experimentell ermittelter Reaktionskoeffizient ist und E_a eine Aktivierungsenergie darstellt, die ebenfalls experimentell ermittelt werden kann.
Die vorstehend mit Bezug auf die wenigstens eine chemische Reaktionsgleichung, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Arrhenius-Gleichung beschriebenen Verfahrensschritte sind Bestandteil eines kinetischen Modells der chemischen Kinetik. Ein derartiges kinetisches Modell ist bevorzugt in einem Speicher einer elektronischen Steuereinheit (ECU) gespeichert und wird von der elektronischen Steuereinheit entsprechend ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Diagnosevorrichtung zur Fehlererkennung in einem Abgassystem bereitgestellt, aufweisend:

– eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in einer Abgasleitung stromaufwärts eines Katalysators,
– eine erste Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes,
– eine Messeinheit zum Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators mittels eines NOx-Sensors,
– eine erste Vergleichseinheit zum Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert,
– eine Veränderungseinheit zum Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert,
– eine zweite Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells,
– eine zweite Vergleichseinheit zum Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und
– eine Zuordnungseinheit zum Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist.

Ferner weist die Diagnosevorrichtung bevorzugt eine elektronische Steuereinheit zum Durchführen des vorstehend im Detail beschriebenen Diagnoseverfahrens auf.
Damit bringt die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
1 ein Blockschaltbild zum Darstellen einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung,
2 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines Diagnoseverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
3 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines Diagnoseverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild zum Darstellen einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung in einem Abgassystem 10, genauer gesagt in einem SCR-Abgassystem eines Kraftfahrzeugs. Unter einem SCR-Abgassystem ist vorliegend ein Abgassystem 10 zu verstehen, in welchem eine selektive katalytische Reduktion stattfindet. In dem in 1 dargestellten Abgassystem 10 befindet sich ein Katalysator 20, genauer gesagt ein SCR-Katalysator, in einer Abgasleitung 30, in welcher die Strömungsrichtung durch zwei Pfeile dargestellt ist.
In der Abgasleitung 30 befinden sich stromaufwärts des Katalysators 20 ein erster NOx-Sensor und stromabwärts des Katalysators 20 ein zweiter NOx-Sensor 42. Außerdem ist in der Abgasleitung 30 stromaufwärts des Katalysators 20 und stromabwärts des ersten NOx-Sensors ein Temperatursensor 50 angeordnet. Darüber hinaus befindet sich in der Abgasleitung 30 stromaufwärts des Temperatursensors 50 und stromabwärts des ersten NOx-Sensors 41 ein Injektor 62 zum Einspritzen eines Zusatzstoffes, insbesondere eines Harnstoffes, in die Abgasleitung 30. Der Injektor 62 ist Bestandteil eines Einspritzsystems 60, welches ferner einen Tank 64 zum Speichern des Zusatzstoffes sowie ein Versorgungssystem 66 zum Zuführen des Zusatzstoffes von dem Tank 64 zum Injektor 62 aufweist. Der erste NOx-Sensor 41, der zweite NOx-Sensor 42, der Temperatursensor 50 und/oder der Injektor 62 sind ebenso Bestandteil der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung.
Die Diagnosevorrichtung enthält ferner eine elektronische Steuereinheit 70. Die elektronische Steuereinheit 70 weist eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung 30 stromaufwärts des Katalysators 20, eine erste Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung 30 stromabwärts des Katalysators 20 mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes, eine Messeinheit zum Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung 30 stromabwärts des Katalysators 20 mittels des NOx-Sensors 42, eine erste Vergleichseinheit zum Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert, sowie eine Veränderungseinheit zum Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert. Die elektronische Steuereinheit 70 weist ferner eine zweite Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators 20 basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells, eine zweite Vergleichseinheit zum Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und eine Zuordnungseinheit zum Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem 10 wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Darüber hinaus weist die elektronische Steuereinheit 70 eine dritte Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit und eine dritte Vergleichseinheit zum Vergleichen der Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert, wobei die Zuordnungseinheit derart konfiguriert ist, dass ein Fehler dem Katalysator 20 des Abgassystems zugeordnet wird, wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate kleiner als der zweite Schwellenwert ist, und ein Fehler dem Einspritzsystem 60 zugeordnet wird, wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate größer als der zweite Schwellenwert ist.
Mit Bezug auf 2 wird anschließend ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierbei wird zunächst in der Abgasleitung 30 stromaufwärts des Katalysators 20 in einem Schritt S1 mittels des ersten NOx-Sensors 41 ein Bestimmungs-NOx-Wert bestimmt. In einem Schritt S2, welcher bevorzugt gleichzeitig bzw. parallel zu Schritt S1 durchgeführt wird, wird zudem in der Abgasleitung 30 stromaufwärts des Katalysators 20 mittels eines Temperatursensors 50 eine Temperatur gemessen.
Anschließend wird in einem Schritt S10 mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes und der gemessenen Temperatur ein Ermittlungs-NOx-Wert in der Abgasleitung 30 stromabwärts des Katalysators 20 ermittelt. In einem Schritt S3 wird mittels des zweiten NOx-Sensors 42 ein Ausgangs-NOx-Wert in der Abgasleitung 30 stromabwärts des Katalysators 20 gemessen. Anschließend findet in Schritt S20 ein Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert statt. In einem anschließenden Schritt S30 wird wenigstens ein Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich bei Schritt S20 zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert verändert. In einem nachfolgenden Schritt S40 wird eine Reaktionsrate des Katalysators 20 basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells ermittelt. Anschließend wird in einem Schritt S50 die Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert verglichen. Wenn der Vergleich ergibt, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist, wird in Schritt S60 ein Fehler im Abgassystem 10 zugeordnet, d.h., es wird festgestellt, dass im Abgassystem ein fehlerhaftes Bauteil vorliegt. Wenn der Vergleich ergibt, dass die Reaktionsrate gleich oder größer als der erste Schwellenwert ist, wird in Schritt S70 festgestellt, dass das Abgassystem ordnungsgemäß funktioniert.
Zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes werden, wie bereits vorstehend im Detail beschrieben, für das Modell bevorzugt wenigstens eine chemische Reaktionsgleichung, die Reaktionsgeschwindigkeit bei der chemischen Reaktion gemäß der wenigstens einen chemischen Reaktionsgleichung sowie die Arrhenius-Gleichung verwendet. Das Modell wird mithin als kinetisches Modell der chemischen Kinetik bereitgestellt und entsprechend angewandt.
3 zeigt ein Diagnoseverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das gemäß dem Ablaufdiagramm von 3 dargestellte Diagnoseverfahren unterscheidet sich insbesondere durch die Schritte S100 bis S140 von dem Diagnoseverfahren gemäß der ersten Ausführungsform. Zur Vermeidung einer redundanten Beschreibung wird die zweite Ausführungsform daher anschließend lediglich mit Bezug auf die Schritte S100 bis S140 erläutert.
In Schritt S100 wird die Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert verglichen. Wenn der Vergleich ergibt, dass die Reaktionsrate größer als der erste Schwellenwert ist, schreitet der Ablauf zu Schritt S10 zurück, bei welchem mittels des Simulationsmodells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes und der gemessenen Temperatur erneut ein Ermittlungs-NOx-Wert in der Abgasleitung 30 stromabwärts des Katalysators 20 ermittelt wird, d.h., ein erneuter Rechenlauf mit neuen Eingangsparametern durchgeführt wird.
Wenn der Vergleich in Schritt S100 hingegen ergibt, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist, schreitet der Ablauf zu Schritt S110 voran, in welchem eine Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit ermittelt wird. In einem anschließenden Schritt S120 wird die ermittelte Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert verglichen, wobei dem Katalysator 20 des Abgassystems in einem darauf folgenden Schritt S130 ein Fehler zugeordnet wird, wenn festgestellt wird, dass die Veränderungsrate kleiner als der zweite Schwellenwert ist, oder in einem darauf folgenden Schritt S140 dem Einspritzsystem 60 des Abgassystems 10 ein Fehler zugeordnet wird, wenn festgestellt wird, dass die Veränderungsrate größer als der zweite Schwellenwert ist.
Dadurch ist es möglich, nicht nur einen Fehler im Abgassystem zu erkennen, sondern auch die Ursache des Fehlers im Abgassystem zuzuordnen. Unter der Zuordnung der Ursache für den Fehler im Abgassystem ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Zuordnung einer Ursache für einen Fehler mit einer bestimmten, hohen Wahrscheinlichkeit zu verstehen.
Eingangsparameter bezeichnen einen oder mehrere Werte, die vom Modell, neben dem Bestimmungs-NOx-Wert und anderen Modell- und Messwerten, herangezogen werden, um den Ermittlungs-NOx-Wert zu ermitteln. Diese Werte können, müssen aber nicht den Reaktionsraten entsprechen. Andernfalls werden diese Werte ebenfalls herangezogen, um die Reaktionsraten zu ermitteln. Diese Werte müssen langfristig, aber veränderlich gespeichert werden, z.B. in der Diagnosevorrichtung. Mit den zu Beginn des Verfahrens gespeicherte Werten wird der Ermittlungs-NOx-Wert ermittelt. Die zum Angleich an den Ausgangs-NOx-Wert veränderten Werte werden im weiteren Verfahren verwendet und nach Bedarf für spätere Verwendung gespeichert. Eine spätere Verwendung ist z.B. ein weitere Durchlauf des Verfahrens oder die in Ansprüchen 4 und 5 beschriebene Ermittlung der Veränderungsrate. Eingangsparameter sind vorzugsweise die experimentell ermittelter Reaktionskoeffizient und die Aktivierungsenergie, wie sie in die Arrhenius-Gleichung einfließen.
Zuordnung von Fehler bezeichnet eine Identifikation und Benennung der Bauteile der Maschine, deren Defekt die Verletzung der Schwellwerte verursacht hat. Mit dieser Information ist es möglich, zielgerichtet die defekten Bauteile zu reparieren oder zu tauschen, ohne eine umfassende Fehlersuche betreiben zu müssen. Das im Anspruch 1 und 11 beschriebenen Verfahren ist in der Lage, das Abgassystem als Fehlerursache zu identifizieren und von anderen Bauteilen der Maschine zu unterscheiden. Die in Ansprüchen 4 und 5 beschriebenen Verfahren ermögliche es zusätzlich, die Komponenten Katalysator und Einspritzsystem des Abgassystems als Fehlerursache zu unterscheiden.
Bezugszeichenliste

10: Abgassystem
20: SCR-Katalysator
30: Abgasleitung
41: erster NOx-Sensor
42: zweiter NOx-Sensor
50: Temperatursensor
60: Einspritzsystem
62: Injektor
64: Tank
66: Versorgungssystem
70: elektronische Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114700 A1 [0003]
US 2012/0060469 A1 [0005]

Claims

Diagnoseverfahren zur Fehlererkennung in einem Abgassystem (10), aufweisend die Schritte: – Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in einer Abgasleitung (30) stromaufwärts eines Katalysators (20), – Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes, – Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines NOx-Sensors (42), – Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert, – Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert, – Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators (20) basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells, – Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und – Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem (10) wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestimmungs-NOx-Wert mittels eines weiteren Modells unter Verwendung von Kennwerten des Abgassystems (10) bestimmt wird.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestimmungs-NOx-Wert mittels eines weiteren NOx-Sensors (41) gemessen wird.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ermitteln einer Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit, – Vergleichen der Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert, und – Zuordnen eines Fehlers dem Katalysator (20) des Abgassystems, wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate kleiner als der zweite Schwellenwert ist.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ermitteln einer Veränderungsrate der Reaktionsrate durch ein wiederholendes Ermitteln der Reaktionsrate über die Zeit, – Vergleichen der Veränderungsrate mit einem zweiten Schwellenwert, und – Zuordnen eines Fehlers einem Einspritzsystem (60) des Abgassystems (10), wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist und die Veränderungsrate größer als der zweite Schwellenwert ist.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen einer Temperatur in der Abgasleitung (30) stromaufwärts des Katalysators (20) mittels eines Temperatursensors (50), und – Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes mittels des Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes sowie der gemessenen Temperatur.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ermitteln einer eingespritzten Menge eines Zusatzstoffes in die Abgasleitung (30) stromaufwärts des Katalysators (20), und – Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes mittels des Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes sowie der ermittelten eingespritzten Menge des Zusatzstoffes.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes wenigstens eine chemische Reaktionsgleichung verwendet wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes die Reaktionsgeschwindigkeit bei der chemischen Reaktion gemäß der wenigstens einen chemischen Reaktionsgleichung verwendet wird.
Diagnoseverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modell zum Ermitteln des Ermittlungs-NOx-Wertes die Arrhenius-Gleichung verwendet wird.
Diagnosevorrichtung zur Fehlererkennung in einem Abgassystem (10), aufweisend: – eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Bestimmungs-NOx-Wertes in einer Abgasleitung (30) stromaufwärts eines Katalysators (20), – eine erste Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Ermittlungs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines Modells unter Verwendung des Bestimmungs-NOx-Wertes, – eine Messeinheit zum Messen eines Ausgangs-NOx-Wertes in der Abgasleitung (30) stromabwärts des Katalysators (20) mittels eines NOx-Sensors (42), – eine erste Vergleichseinheit zum Vergleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes mit dem Ausgangs-NOx-Wert, – eine Veränderungseinheit zum Verändern von wenigstens einem Eingangsparameter des Modells zum Angleichen des Ermittlungs-NOx-Wertes an den Ausgangs-NOx-Wert basierend auf dem Vergleich zwischen dem Ermittlungs-NOx-Wert und dem Ausgangs-NOx-Wert, – eine zweite Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Reaktionsrate des Katalysators (20) basierend auf der Veränderung des wenigstens einen Eingangsparameters des Modells, – eine zweite Vergleichseinheit zum Vergleichen der Reaktionsrate mit einem zugehörigen ersten Schwellenwert, und – eine Zuordnungseinheit zum Zuordnen eines Fehlers im Abgassystem (10) wenn festgestellt wird, dass die Reaktionsrate kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 11, aufweisend eine elektronische Steuereinheit (70) zum Durchführen eines Diagnoseverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.