DE10332057B4 - Verfahren zur Überprüfung einer Abgasreinigungsanlage - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Überprüfung einer in einen Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) geschalteten Abgasreinigungsanlage, die umfasst einen Sauerstoffspeichereigenschaften aufweisenden Katalysator (5) sowie einen stromab davon im Abgastrakt (3) liegenden NOx-Sensor, der einen von der NOx- und der NH3-Konzentration im Abgas abhängiges Sensorsignal (NOS) abgibt, wobei die Brennkraftmaschine mit einer periodisch um den Wert Lambda = 1 oszillierenden Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine oder mehrere Perioden der Luft/Kraftstoffverhältnis-Oszillation der Mittelwert (M) des Sensorsignals (NOS) gebildet wird und bei einer Grenzwertüberschreitung (SW) des Mittelwertes (M) ein Katalysator (5) mit defektem Monolith erkannt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung einer in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine geschalteten Abgasreinigungsanlage, die umfasst einen Sauerstoffspeichereigenschaften aufweisenden Katalysator sowie einen stromab davon im Abgastrakt liegenden NOx-Sensor, der einen von der NOx- und der NH3-Konzentration im Abgas abhängiges Sensorsignal abgibt, wobei die Brennkraftmaschine mit einem periodisch um den Wert Lambda = 1 oszillierenden Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird.
  • Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 53 601 A1 bekannt und ist ein Beispiel für ein Abgaskatalysatorüberwachungsverfahren, das die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators zur Überprüfung heranzieht. Dabei wird ausgenutzt, dass diese Speicherfähigkeit mit der Kohlenwasserstoffkonvertierungseigenschaft des Katalysators korreliert ist. Weist ein Katalysator gute Kohlenwasserstoffkonvertierungsfähigkeiten auf, werden durch Lambdaschwankungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, hervorgerufene Sauerstoffschwankungen durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators geglättet. Hat dagegen ein Katalysator infolge Alterung, Vergiftung durch verbleiten Kraftstoff oder durch Verbrennungsaussetzer keine oder nur verminderte Konvertierungseigenschaften, schlägt eine stromauf des Katalysators vorhandene Regelschwingung stromab des Katalysators durch.
  • Beim gattungsgemäßen Verfahren wird deshalb zum einen das Luft/Kraftstoffverhältnis durch einen entsprechenden Eingriff bei einer Lambdaregelungseinrichtung der Brennkraftmaschine mit einer Schwingung um Lambda = 1 eingestellt, die eine Sauerstoffschwankung im Abgas verursacht, welche über den normalen Betriebsverhältnissen liegt. Gleichzeitig wird die NOx- Konzentration im Abgasstrom stromab des zu überprüfenden Katalysators erfasst und ein geeigneter Diagnosewert berechnet, der ein Maß für den Alterungszustand des Katalysators ist. Alternativ zu diesem Verfahren nach DE 199 53 601 A1 kann auch das Signal einer linearen Lambda-Sonde stromab des Katalysators ausgewertet werden, um die Oszillation des Luft/Kraftstoffverhältnisses und mithin die Sauerstoffspeicherfähigkeit und damit den Alterungszustand des Katalysators zu messen.
  • Mit zunehmender Bedeutung der Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen ist aber nicht nur erforderlich, den Alterungszustand des Katalysators messen zu können, sondern auch Fälle zu detektieren, bei denen der Monolith des Katalysators mechanisch zerstört ist (sog. „Leerkatalysator"). Es hat sich gezeigt, dass solche Leerkatalysatoren mitunter mittels herkömmlicher Verfahren nicht erkannt werden.
    •
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auch Fälle mit mechanisch zerstörten Katalysator-Monolithen erkannt werden.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem über eine oder mehrere Perioden der Mittelwert des Sensorsignals gebildet wird und bei einer Grenzwertüberschreitung des Mittelwertes ein Defekt des Monolithen des Katalysators erkannt wird.
  • Die Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, dass bei Verlust des Monolithen im Katalysatorgehäuse sich die Strömungsverhältnisse im Katalysator so ändern, dass unter Umständen die Messung der Sauerstoffkonzentration stromab des Katalysators bedingt durch Mischungsvorgänge im Katalysatorgehäuse so geringe Werte aufweist. Eine Katalysatordiagnose basierend auf dem Messsignal erkennt dann keinen Fehler, obwohl Emissionsgrenzwerte bereits überschritten werden. Das vergrößerte Volumen des Katalysators ohne Monolith erlaubt eine Durchmischung des Abgases mit dem Ergebnis, dass stromab des Katalysators eine verringerte Oszillation der Sauerstoffkonzentration auftritt, da Abgaspakete mit Sauerstoffüberschuss sich mit Paketen mit Sauerstoffmangel mischen. Es führen jedoch nicht nur Mischungsvorgänge zu einer Abnahme der Sauerstoffoszillation, auch werden die Strömungsverhältnisse von stromab des Katalysators angeordneten Sonden oder Sensoren mitunter so verändert, dass nur bestimmte Abgasteile die Messstelle erreichen.
  • In dieser komplexen Situation liefert das erfindungsgemäße Verfahren nun einen überraschend einfachen Ansatz, indem mittels eines NOx-Sensors, der sowohl eine NOx- als auch eine NH3-Konzentrationsabhängigkeit zeigt, das Abgas stromab des Katalysators sensiert und über mindestens eine Periode der Luft/Kraftstoffverhältnis-Oszillation der Mittelwert des erhaltenen Sensorsignals gebildet wird. Dabei wird auf vorteilhafte Weise die Tatsache genutzt, dass bei Betrieb einer Brennkraftmaschine mit fettem Kraftstoffgemisch NH3, bei magerem Gemisch NOx entsteht. Die an und für sich störende Querempfindlichkeit des NOx-Sensors führt nun dazu, dass das Sensorsignal der Oszillation des Luft/Kraftstoffverhältnisses folgt – in Halbperioden der Oszillation, in denen die Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch läuft, wegen der Empfindichkeit auf NOx, in Halbperioden mit fettem Gemisch wegen der Empfindlichkeit auf NH3. Der verwendete NOx-Sensor detektiert im Abgas also die schwankende NOx- sowie die schwankende NH3-Konzentrationen.
  • Im Gegensatz zu einer Detektion der Sauerstoffverhältnisse, wo eine Durchmischung von sauerstoffreichen mit sauerstoffarmen Abgasanteilen zu einer Auslöschung der Oszillation führt, ergibt eine Durchmischung von Abgaspaketen aus fettem Gemisch mit Abgaspaketen aus magerem Gemisch keine Änderung des NOx- sowie des NH3-Gehaltes. Die Verwendung des NOx-Sensors ermöglicht es somit auf erstaunlich einfache Weise mit einer ein fachen Grenzwertüberwachung einen Leerkatalysator zu erkennen. Eine durch einen Leerkatalysator verursachte Homogenisierung des Sauerstoffgehaltes stromab des Katalysators spielt nun keine Rolle mehr.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es lediglich erforderlich, das Sensorsignal periodenbezogen auszuwerten, also sowohl eine Halbperiode, in der die Brennkraftmaschine mit fettem Gemisch versorgt wurde, als auch eine Halbperiode, in der die Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch versorgt wurde. Dabei ist natürlich eine Synchronisierung derart vorzuziehen, dass jeweils zwei zusammenhängende Halbperioden erfasst sind. Diese Synchronisierung kann z. B. dadurch erfolgen, dass eine entsprechende Gaslaufzeit des Abgases bis zum NOx-Sensor berücksichtigt wird. In einer einfachen Ausführung des Verfahrens kann auf die Synchronisierung auch verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, dass genau eine Periode herangezogen wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Art der Auswertung liegt in einer Mittelwertstellung über eine Periode. Zur Steigerung der Diagnosegenauigkeit kann eine Mittelung auch über mehrere Perioden erfolgen; allerdings muss ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode verwendet werden.
  • Die bei einer bestimmten Schwingung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von einem mechanisch intakten Katalysator abgegebene NOx- bzw. NH3-Konzentration hängt von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ab. Einen ähnlichen Einfluss hat das Alter des Katalysators. Es ist deshalb für eine besonders genaue Diagnose zu bevorzugen, dass der Grenzwert abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder Alter des Katalysators gewählt wird.
  • Die Mittelwertbildung über eine oder ein Vielfaches einer Periode kann auf vielfältige geeignete Art und Weise erreicht werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Tiefpassfilte rung vorgenommen werden. Die Randbedingungen, dass die Mittelwertbildung über genau einer Periode oder über ein Vielfaches einer Periode erfolgt, ist besonders einfach einzuhalten, wenn das Sensorsignal über eine Periode oder ein Vielfaches davon aufsummiert und durch entsprechende Periodendauer dividiert wird. Anstelle einer Aufsummation kann natürlich auch eine Ingetration treten.
  • Zur Diagnose kann prinzipiell jedes periodisch um den Wert Lambda = 1 oszillierende Luft/Kraftstoffverhältnis herangezogen werden; der bei der Überprüfung des Mittelwertes herangezogene Grenzwert muss lediglich darauf angepasst sein. Um eine Fehldiagnose zu vermeiden, wird man üblicherweise die Brennkraftmaschine kurzzeitig zu Diagnosezwecken mit einem oszillierenden Luft/Kraftstoffverhältnis betreiben, das eine Sauerstoffschwankung des Abgases bewirkt, die über der des normalen Betriebes liegt. In einer solchen Diagnosephase können dann besonders vorteilhaft zusätzlich bekannte Algorithmen zur Analyse der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators angewendet werden, um auch den Alterungszustand zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann ein weiteres Überwachungskriterium zusätzlich zu bereits bekannten Kriterien der Katalysatordiagnose.
  • Ein solches Kriterium, das zusätzlich zur erfindungsgemäßen Auswertung verwendet werden kann, ist es beispielsweise, das Sensorsignal über eine Zeitdauer aufzuintegrieren, die einer Halbperiode der Luft/Kraftstoffverhältnis-Oszillation zugeordnet ist, und bei einem über einem Schwellwert liegenden Integralwert einen defekten Katalysator zu diagnostizieren. Der Schwellwert ist dabei so gewählt, dass er von einem Katalysator, der gerade noch als funktionstüchtig eingestuft wird, nicht erreicht werden kann. Natürlich kann der Integralwert geeignet z. B. betriebsparameterabhängig modifiziert werden. Auch kann er über mehr als eine Halbperiode der Luft/Kraftstoffverhältnis-Oszillation gewonnen werden. Bezüglich der zusätzlichen Diagnose wird deshalb vollumfänglich auf die DE 199 53 601 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich hier explizit miteinbezogen wird.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage,
  • 2 Zeitreihen von Signalen, die bei der Überprüfung der Abgasreinigungsanlage der 1 auftreten und
  • 3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Überprüfung der Abgasreinigungsanlage.
  • In 1 ist in Form einer schematischen Darstellung sehr vereinfacht eine Brennkraftmaschine 1 mit einer ihr zugeordneten Abgasreinigungsanlage gezeigt, die mit einem Verfahren überprüft wird. Dabei sind nur diejenigen Komponenten dargestellt, die für die Erläuterung des Verfahrens notwendig sind, insbesondere ist auf die Darstellung des Kraftstoffkreislaufes verzichtet worden.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Luftsammler 2 zur Bereitstellung der Verbrennungsluft und einen Abgastrakt 3 auf, in den die Verbrennungsabgase eingeleitet werden. Im Luftsammler 2 sind Einspritzventile 4 angeordnet, über die die für die Verbrennung erforderliche Kraftstoffmasse in den Luftsammler 2 eingespritzt wird. Dazu wird die Luftmenge gemessen (nicht dargestellt).
  • Im Abgastrakt 3 liegt ein Abgaskatalysator 5. Dabei kann es sich um eine beliebige Art von Abgaskatalysator handeln, der Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, insbesondere kann ein Dreiwege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator vorgesehen sein. Im letzteren Falle ist dann noch zusätzlich ein dem NOx-Speicherkatalysator vorgeschalteter Katalysator ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit vorgesehen.
  • Die Abgasreinigungsanlage mit dem Katalysator 5 weist weiter einen stromauf des Katalysators 5 angeordneten Sauerstoffmessaufnehmer in Form einer Lambda-Sonde 6 und einen stromab des Katalysators im Abgastrakt 3 liegenden NOx-Sensor 7 auf.
  • Der NOx-Sensor 7 liefert ein Ausgangssignal NOS, das mit der NOx-Konzentration im Abgas korreliert ist, wobei der NOx-Sensor 7 auch eine Querempfindlichkeit gegen NH3 aufweist, das bekannter Weise im Abgas bei einem unterstöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis vorliegt.
  • Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1 ist ein Steuergerät 8 vorgesehen, das über nicht näher bezeichnete Leitungen die Signale der Lambda-Sonde 6 und des NOx-Sensors 7 ausliest sowie diverse Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 erfasst. Das Steuergerät 8 steuert auch die Einspritzventile 4 an und stellt dadurch das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches ein, mit dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird.
  • Das Steuergerät 8 bewirkt dabei in einer Zwangsanregung eine periodische Schwingung des Luft/Kraftstoffverhältnisses, die symmetrisch zum Wert für stöchiometrisches Gemisch, d.h. symmetrisch zu Lambda = 1 liegt. Diese Schwingung des Lambda-Wertes zeigt sich im Lambdasignal LAM der Lambda-Sonde 6, das in der Lambdasignal-Kurve 9 der 2 als Zeitreihe, d.h. über der Zeit t aufgetragen, dargestellt ist. Wie die Kurve 9 zeigt, stellt das Steuergerät 8 das Luft/Kraftstoffverhältnis so, dass eine Schwingung im Bereich maximaler Konvertierungsfähigkeit des Katalysators 5 um den Wert Lambda = 1 herum erfolgt.
  • Das NOx-Signal NOS des NOx-Sensors 7 ist als Kurve 10 eingetragen und führt ebenfalls eine Schwingung aus, wie der Verlauf der Kurve 10 erkennen lässt. Die Schwingung des NOx- Signals NOS unterscheidet sich allerdings von der Schwingung des Lambdasignals LAM in zweierlei Hinsicht. Während das Lambdasignal LAM eine Schwingung ausführt, die weitgehend symmetrisch zu Lambda = 1 liegt, zeigt das NOx-Signal NOS einen Verlauf, der eher dem gleichgerichteten Lambdasignal LAM entspricht, d.h. Halbwellen der Schwingung des Lambdasignals LAM, in denen die Brennkraftmaschine 1 mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch versorgt ist, führen beim NOx-Signal NOS zu einem in gleiche Richtung verlaufenden Schwingungsbuckel, wie Halbwellen der Schwingung des Lambdasignals LAM, in denen die Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch versorgt wurde. Zum anderen ist die Schwingung des NOx-Signals NOS gegenüber dem Lambdasignal LAM phasenverschoben. Diese zwei Unterschiede haben folgende Ursachen:
    Die Phasenverschiebung beruht daher, dass ein Abgaspaket, das von der Lambda-Sonde 6 erfasst wird, erst nach einer gewissen Zeit von der Abgasströmung zum NOx-Sensor 7 transportiert wird. Die Phasenverschiebung ist also durch die Gaslaufzeit auf der Strecke zwischen Lambda-Sonde 6 zu NOx-Sensor 7 bedingt.
  • Die Gleichrichtung des Signals NOS beruht darauf, dass der NOx-Sensor 7 sowohl auf NOx-Konzentrationen als auch auf NH3-Konzentrationen anspricht. Wird die Brennkraftmaschine 1 mit magerem Luft/Kraftstoffverhältnis, d.h. mit Lambda-Werten über 1, betrieben, entsteht bekanntermaßen NOx. Das NOx-Signal NOS zeigt deshalb für Halbperioden, in denen das Lambdasignal LAM über 1 liegt, einen entsprechenden Schwingungsbuckel. Läuft die Brennkraftmaschine 1 dagegen mit unterstöchiometrischem Gemisch, entsteht im Abgas eine erhöhte NH3-Konzentration, auf die der NOx-Sensor 7 ebenfalls sensibel reagiert, weshalb das NOx-Signal NOS für Teilperioden, in denen das Lambda-Signal unter 1 liegt ebenfalls einen nach oben gerichteten Schwingungsbuckel aufweist. In 2 sind der Einfachheit halber die Halbwellen der Schwingung des NOx-Signals NOS, die bei Versorgung der Brennkraftmaschine mit unterstö chiometrischem Gemisch auftreten gleich groß gezeichnet, wie Halbwellen, bei denen die Brennkraftmaschine mit unterstöchiometrischem Gemisch läuft. Realiter muss dies jedoch nicht immer der Fall sein, insbesondere da die Empfindlichkeit des NOx-Sensors 7 auf NOx oder NH3 meist nicht in allen Betriebspunkten gleich ist bzw. die NOx-Konzentration nicht immer der NH3-Konzentration äquivalent ist.
  • Zur Überprüfung der Abgasreinigungsanlage wird nun ab einem Zeitpunkt t0 die Schwingung des Luft/Kraftstoffverhältnisses so geändert, dass zum einen die Schwingungsfrequenz gemindert, zum anderen die Schwingungsamplitude vergrößert wird. Beide Maßnahmen bewirken, dass das Sauerstoffverhältnis im Abgas eine größere Schwankung ausführt, als vor dem Zeitpunkt t0. Das Lambdasignal LAM gibt diese Veränderung in der Kurve 9 ab dem Zeitpunkt t0 deutlich wieder: Amplitude und Periodendauer steigen. Natürlich kann auch eine dieser beiden Maßnahmen für sich alleine verwendet werden.
  • Das NOx-Signal NOS folgt diesem Verhalten, d.h. sowohl die Amplitude wie auch die Periodendauer steigen gleichermaßen.
  • 3 zeigt den Verfahrensablauf zur Oberprüfung der Abgasreinigungsanlage als Ablaufdiagramm. Nach einem Start im Schritt SO wird in einem Schritt S1 die Lambdaschwingung verändert, wie dies ab dem Zeitpunkt t0 in 2 der Fall ist. Prinzipiell könnte aber auch mit einer ohnehin im normalen Betrieb vorhandenen Lambdaschwingung gearbeitet werden.
  • Anschließend wird in einem Schritt S2 der Mittelwert des NOx-Signals NOS über eine Periode der Schwingung des Lambdasignals LAM bestimmt. Dieser Mittelwert ist in 2 als Kurve 11 eingetragen. Wie zu sehen ist, steigt er zum Zeitpunkt t1, zu dem die Oszillation des Luft/Kraftstoffverhältnisses geändert wird, an. Dabei ist wesentlich, dass der Mittelwert über genau eine Periode oder ein Vielfaches davon bestimmt wird, damit jeweils eine Halbwelle des NOx-Signals NOS, in der die Brennkraftmaschine mit fettem Gemisch versorgt wurde, und genau eine Halbwelle, bei der die Brennkraftmaschine mit magerem Gemisch lief, bei der Bestimmung des Mittelwertes eingeht.
  • Anschließend wird in einem Schritt S3 überprüft, ob der Mittelwert M über einem Grenzwert SW liegt. Der Grenzwert hängt von der eingestellten Lambdaschwingung ab. Ist M > SW (J-Verzweigung) wird in einem Schritt S4 der Katalysator als defekt diagnostiziert. Andernfalls (N-Verzweigung) wird in einem Schritt S5 der Katalysator als ordnungsgemäß eingestuft. Ein Schritt S6 beendet dann das Verfahren.
  • Der herangezogene Mittelwert gibt Auskunft darüber, ob bei der Oszillation des Luft/Kraftstoffverhältnisses eine gewisse Emission von NOx- und NH3-Verbindungen überschritten wurde, wie sie nur bei einem mechanisch zerstörten Katalysator-Monolithen auftreten kann. Kommt das Verfahren zur Überprüfung der Abgasreinigungsanlage in Schritt S4 also zum Ergebnis, dass der Katalysator defekt ist, liegt ein sogenannter Leerkatalysator vor, d.h. der Monolith des Katalysators 5 ist mechanisch zerstört.
  • Bei einem Defekt des Monolithen stellt sich am NOx-Sensor 7 nicht nur eine Schwingung mit größerer Amplitude ein, es tritt auch eine Nullpunktverschiebung auf (in 2 nicht eingezeichnet). Beide Effekte steigern den gebildeten Mittelwert, so dass die Diagnose besonders sensibel ist.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Überprüfung einer in einen Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) geschalteten Abgasreinigungsanlage, die umfasst einen Sauerstoffspeichereigenschaften aufweisenden Katalysator (5) sowie einen stromab davon im Abgastrakt (3) liegenden NOx-Sensor, der einen von der NOx- und der NH3-Konzentration im Abgas abhängiges Sensorsignal (NOS) abgibt, wobei die Brennkraftmaschine mit einer periodisch um den Wert Lambda = 1 oszillierenden Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine oder mehrere Perioden der Luft/Kraftstoffverhältnis-Oszillation der Mittelwert (M) des Sensorsignals (NOS) gebildet wird und bei einer Grenzwertüberschreitung (SW) des Mittelwertes (M) ein Katalysator (5) mit defektem Monolith erkannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (SW) abhängig von Betriebsparametern und der Brennkraftmaschine (1) und/oder Alter des Katalysators (5) gewählt wird.
  3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung durch Aufsummation oder -integration des Sensorsignals (NOS) und Division durch die Periodendauer erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mit oszillierendem Luft/Kraftstoffverhältnis kurzzeitig zu Diagnosezwecken eine Sauerstoffschwankung des Abgases eingestellt wird, die über der des normalen Betriebes liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (NOS) über eine Zeitdauer aufintegriert wird, die einer Halbperiode der Luft/Kraftstoff-Oszillation zugeordnet ist, und dass bei einem über einem Schwellwert liegenden Integralwert ein defekter Katalysator (5) diagnostiziert wird.
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